Chimica organica - nozioni generali

Chimica organica (La chimica del carbonio)

La chimica organica è la chimica dei composti del carbonio. Essi sono i "mattoni" con cui sono costruiti tutti i corpi viventi della terra.

Formule e classificazione

Formula bruta

È la formula che indica il numero di atomi di ciascuna specie presente nella molecola. Esempio: CH₂4

Formula di struttura

È la formula che fornisce la disposizione degli atomi nello spazio.

Il vastissimo campo dei composti organici è organizzato mediante l'introduzione di classi. Tutti i composti che appartengono a una certa determinata classe sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo di atomi che si chiama gruppo funzionale, il quale rappresenta il centro della reattività chimica della molecola.

Idrocarburi

Idrocarburi sono composti costituiti da due elementi principali: il carbonio e l'idrogeno. La loro classificazione inizia sulla base dei legami che uniscono gli atomi di carbonio tra di loro. Si dividono in saturi e insaturi. Gli idrocarburi saturi sono quei composti in cui gli atomi di carbonio sono uniti tra di loro mediante legami semplici covalenti, mentre quelli insaturi sono quelli in cui sono presenti doppi e tripli legami.

Alcani

Idrocarburi con legami semplici, struttura tetraedrica, costituiti da atomi di carbonio ibridizzati sp³. Essi sono caratterizzati da formula bruta: C_nH_2n+2. La loro nomenclatura è semplice: il nome è costituito da un prefisso che indica il numero di atomi di carbonio seguita dalla desinenza –ano.

• Meta (1 atomo)
• Eta (2 atomi)
• Propa (3 atomi)
• Buta (4 atomi)
• Penta (5 atomi)
• Esa (6 atomi)
• Epta (7 atomi)
• Otta (8 atomi)
• Nona (9 atomi)
• Deca (10 atomi)
• Undeca (11 atomi)
• Dodeca (12 atomi)
• Trideca (13 atomi)
• Tetradeca (14 atomi)

Vediamo qualche esempio:

• CH₄ - Metano
• C₂H₆ - CH₃CH₃ - Etano
• C₃H₈ - CH₃CH₂CH₃ - Propano
• C₄H₁₀ - CH₃CH₂CH₂CH₃ - Butano
• C₅H₁₂ - CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃ - Pentano

Bisogna ricordarsi che ogni carbonio deve formare sempre 4 legami.

Isomeri di struttura

Sono molecole con uguale formula bruta ma diversa formula di struttura, cioè posizione relativa degli atomi di C.

Esempi:

CH₃CH₂CH₂CH₃ - Isobutano

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃ - Isopentano

CH₃CH₂CH₂CH₃ - Isobutane

Tutti gli isoalcani possiedono un alchile in catena laterale legato al secondo carbonio della catena normale.

Gruppi alchilici

I gruppi che derivano dagli idrocarburi saturi per distacco di un idrogeno sono detti gruppi alchilici (R) e la loro desinenza caratteristica è -ile.

• CH₃- - Metile
• CH₃CH₂- - Etile
• CH₃CH₂CH₂- - Propile
• CH₃CH₂CH₂CH₂- - Butile

È possibile ottenere gruppi alchilici diversi a seconda dell'atomo di idrogeno che si stacca. Esempi sono i gruppi isopropile, isobutile, sec-butile, terz-butile, tutti isomeri di struttura.

CH₃CH₂CH₃ - Gruppo isopropile

CH₃CH₂CH₂CH₃ - Gruppo isobutile

CH₃CH₂CH₂CH₃ - Gruppo sec-butile

CH₃CH₂CH₂CH₃ - Gruppo terz-butile

Catena lineare o ramificata

Gli idrocarburi possono essere a catena lineare o ramificata. Il gruppo o la catena che "pende" prende il nome di sostituente.

Esempio:

CH₃CH₂CH₂CH₃ - Catena lineare

CH₃CH₂CH₂CH₃ - Catena ramificata

Nomenclatura degli alcani

La nomenclatura degli alcani a catena ramificata obbedisce alle seguenti regole:

1. Il numero di atomi della catena lineare più lunga determina il nome fondamentale dell'alcano.
2. Si numera la catena normale di atomi di carbonio in modo che la numerazione parta dall'estremità della catena più vicina ad una catena laterale.
3. La posizione della catena laterale è individuata dal numero del carbonio della catena normale da cui la catena laterale si ramifica.
4. Quando sono presenti due o più sostituenti, si individua la loro posizione con il numero dell'atomo di carbonio a cui sono legati.
5. Quando sullo stesso atomo di carbonio sono presenti due sostituenti diversi il numero corrispondente è riportato due volte.
6. Quando due o più sostituenti sono uguali si usa il prefisso di-, tri-, tetra-, e così via.
7. I sostituenti di uguale importanza vengono scritti in ordine alfabetico.
8. Quando si possono individuare due catene normali della stessa lunghezza la catena normale che porta il maggior numero di sostituenti definisce il nome di base dell'idrocarburo.

Esempi di nomenclatura

CH₃CH₂CHCH₃CH₃ - 2-metilpropano

CH₃CH₂CH₂CH₃ - 2,3-dimetilbutano

Alogenoalcani

Molecole in cui un sostituente è un alogeno (F, Cl, Br, I).

Cicloalcani

Gli idrocarburi insaturi possono anche presentarsi in forma ciclica e prendere il nome di cicloalcani. Questi costituiscono una serie omologa in quanto ciascun membro differisce da quello immediatamente precedente per un gruppo CH₂. I composti semplici hanno la formula bruta C_nH_2n.

Esempi:

• Ciclopropano
• Ciclobutano
• Ciclopentano
• Cicloesano

Per eliminare ogni tensione angolare nel cicloesano, i carboni ibridizzati sp³ si dispongono in una conformazione non piana di angoli 109,5° eliminando perciò ogni tensione angolare. Tale conformazione viene detta a sedia. In questa conformazione a sedia ci sono due tipi di atomi di idrogeno: sei atomi di idrogeno sono proiettati verso l'esterno dell'anello (posizione equatoriale) mentre sei atomi sono diretti verticalmente ed alternativamente orientati verso l'alto o verso il basso (posizione assiale). In questo modo sono rese minime le repulsioni di van der Waals tra le nubi elettroniche degli idrogeni adiacenti. Il 99% delle molecole di cicloesano si trova nella conformazione a sedia che è la conformazione più stabile. Per un cicloalcano monosostituito (es: il metilcicloesano) si possono avere due distinte conformazioni a sedia; in una conformazione il metile occupa una posizione assiale, nell'altra occupa una posizione equatoriale. Le due conformazioni sono interconvertibili mediante un semplice ribaltamento attraverso la conformazione a twist (che qui non riporteremo).

È da notare che con il ribaltamento conformazionale avviene lo scambio tra legami assiali ed equatoriali.

Esempi:

CH₃ - Metilcicloesano

CH₃ - Metilcicloesano

La conformazione del cicloesano monosostituito più stabile è quella in cui il sostituente è in posizione equatoriale.

Stereoisomeria

Quando abbiamo la presenza di un cicloalcano disostituito, introduciamo l'esistenza di stereoisomeri cis-trans. Se i sostituenti si trovano dalla stessa parte si parla di isomero cis, se sono da parti opposte si parla di isomero trans.

Stereoisomeri sono molecole che differiscono unicamente per la disposizione degli atomi nello spazio (hanno stessa formula bruta e stesso modo di legare gli atomi).

Isomeri di struttura invece sono isomeri che differiscono tra loro perché gli atomi sono legati in modo differente pur avendo la stessa formula bruta.

Esempi:

CH₃CH₂CH₃ - Trans-1,3-dimetilciclopentano

CH₃CH₂CH₃ - Cis-1,3-dimetilciclopentano

Alcheni

Sono degli idrocarburi insaturi caratterizzati da legami doppi con atomi di carbonio ibridizzati sp². Essi sono caratterizzati da formula bruta: C_nH_2n.

Esempi di alcheni:

• CH₂=CH₂ - Etene
• CH₃CH=CH₂ - Propene
• CH₃CH₂CH=CH₂ - 1-Butene
• CH₃CH₂CH₂CH=CH₂ - 1-Pentene

La desinenza caratteristica degli alcheni è -ene.

1. Il nome fondamentale è determinato dalla catena normale più lunga che contiene il doppio legame.
2. La numerazione avviene a partire dall'estremità della catena più vicina al doppio legame in modo da attribuire a questo il numero più basso.
3. La posizione viene individuata dal numero del primo carbonio della catena principale che costituisce il doppio legame.
4. La posizione di ogni doppio legame deve essere specificata nel nome.
5. Se ci fossero più doppi legami avremmo come desinenza diene o triene e così via.
6. I gruppi vinilici e allilici sono dei sostituenti e le loro formule sono le seguenti: gruppo vinile e gruppo allile.

Stereoisomeria geometrica degli alcheni

L'isomero cis ha i sostituenti dalla stessa parte, mentre l'isomero trans ha i sostituenti l'uno opposto all'altro.

Esempi:

Alchene cis

Alchene trans

La stereochimica degli alcheni più sostituiti è difficile da stabilire. La nuova nomenclatura detta E,Z adotta la regola della priorità. Se i gruppi a più alta priorità si trovano dalla stessa parte del piano si ha una struttura E, mentre se si trovano dalla parte opposta si ha una struttura Z.

Esempi:

CH₃CH=CH₂ - E

CH₃CH=CH₂ - Z

La priorità dei gruppi per questa regola di nomenclatura dipende dal numero atomico: maggiore è quest'ultimo, maggiore sarà la priorità dei gruppi. Br > Cl > O > N > C > H. A parità di numero atomico, si vede l'atomo successivamente legato: es. il gruppo etile ha priorità sul metile.

Alchini

Sono idrocarburi insaturi caratterizzati da legami tripli con atomi di carbonio ibridizzati sp. Essi sono caratterizzati da formula bruta: C_nH_2n-2. La loro nomenclatura è semplice: il nome è costituito da un prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena più lunga contenente il triplo legame seguita dalla desinenza -ino.

Esempi di alchini:

• CH≡CH - Etino o acetilene
• CH₃C≡CH - Propino
• CH₃CH₂C≡CH - 1-Butino
• CH₃CH₂CH₂C≡CH - 1-Pentino

Per il resto valgono le stesse regole di nomenclatura adottate per gli alcani e gli alcheni.

Composti aromatici

Particolare classe di composti in cui il capostipite è il benzene. Nel 1865 Kekulé propose la sua struttura ciclica esagonale in cui i sei atomi di carbonio costituiscono un anello e sono legati l'uno all'altro mediante un sistema di legami semplici e doppi che si alternano. In questa struttura gli elettroni π sono delocalizzati sugli orbitali p e liberi di formare legami. Tutti i legami carbonio-carbonio hanno la stessa lunghezza che risulta essere intermedia tra quella di un legame singolo e di uno doppio.

Per la nomenclatura dei derivati benzenici monosostituiti il loro nome è individuato indicando il gruppo sostituente e poi la desinenza benzene, nell'altro sistema tutto l'anello benzenico monosostituito è individuato da un nome specifico.

Esempi:

• Toluene
• Fluorobenzene
• Nitrobenzene
• Fenolo
• Anilina
• Acido benzoico

Quando l'anello benzenico porta due sostituenti, la loro posizione relativa è precisata mediante i prefissi orto, meta e para.

Esempi:

Orto, Meta, Para

Anche nel caso dei derivati benzenici, vale la regola che i sostituenti devono avere i numeri più bassi possibile ed essere elencati in ordine alfabetico.

(Il benzene può essere anche un gruppo sostituente. In questo caso è chiamato fenile C₆H₅-).

Anelli aromatici eterociclici

Alcuni composti aromatici sono eterociclici, cioè hanno nella struttura ciclica atomi differenti dal carbonio come: S, N, O, ecc. I più comuni sono:

• Tiofene
• Furano
• Piridina
• Pirrolo

I composti con anelli aromatici occupano una posizione di rilievo nel quadro delle reazioni che avvengono negli organismi.