Riassunti esame chimica organica

LA CHIMICA DEL CARBONIO – lezione 1

CARATTERISTICHE DEI COMPOSTI ORGANICI

• Tutti i composti organici contengono C e la maggior parte contiene HN.

• Tutti gli atomi di carbonio dormano 4 legami. Un atomo di carbonio stabile è tetravalente.

• Possono essere presenti atomi differenti da C e H che vengono definiti ETEROATOMI. Tali atomi possono essere: O, N S, P e alogeni.

IL LEGAME

• Il legame è l’unione di due atomi in un arrangiamento stabile.

• Attraverso il legame, gli atomi completano il livello esterno di elettroni di valenza (cercano di assomigliare al gas nobile più vicino,

completando così l’ottetto).

• I LEGAMI IONICI si originano dal trasferimento di elettroni da un elemento ad un altro, attirati grazie alla forza elettrostatica, tra elementi

con molta differenza di elettronegatività.

• I LEGAMI COVALENTI si originano dalla compartecipazione di elettroni tra due nuclei.

• Il numero di legami previsti:

• Per il calcolo della carica formale si utilizza la seguente formula:

Il numero di elettroni posseduti da un atomo è determinato dal suo numero di legami e dalle coppie solitarie.

Un atomo possiede tutti gli elettroni non condivisi e la metà di quelli condivisi.

ESEMPIO:

ISOMERI: sono molecole diverse che hanno la stessa formula molecolare ma diversa disposizione degli atomi nello spazio.

RISONANZA: le strutture di risonanza sono due strutture di Lewis che hanno la stessa posizione degli atomi ma una diversa disposizione

degli elettroni. La struttura vera di una molecola però, è un misto tra le due e viene definito IBRIDO di RISONANZA. La risonanza non fa

altro che delocalizzare alcune coppie elettroniche su due o più atomi, e questa delocalizzazione ne aumenta la stabilità. Una molecola

con due o più forme di risonanza viene definita stabilizzata per risonanza.

STRUTTURA DI UNA MOLECOLA

Due variabili definiscono la struttura di una molecola: lunghezza di legame ed angolo di legame.

• La lunghezza di legame diminuisce lungo una riga della tavola periodica con la diminuzione della dimensione dell’atomo.

La lunghezza di legame aumenta scendendo lungo una colonna della tavola periodica con l’aumento della dimensione dell’atomo.

• L’angolo di legame determina la forma intorno ad ogni atomo legato ad altri due atomi.

Il numero di gruppi che circonda un particolare atomo determina la sua geometria. Un gruppo è sia un atomo sia una coppia

solitaria.

La disposizione più stabile tiene questi gruppi il più possibile distanti uno dall’altro.

DISEGNARE STRUTTURE TRIDIMENSIONALI:

• Il legame nel piano è indicato con una linea piena.

• Il legame davanti al piano è indicato con un cuneo.

• Il legame dietro al piano è indicato con una linea tratteggiata.

IBRIDAZIONE: l’ibridazione è la combinazione di due o più orbitali atomici per formare lo stesso numero di orbitali ibridi, ognuno dei

quali ha la stessa forma ed energia.

per determinare l’ibridazione di un atomo in una molecola contare i gruppi intorno all’atomo. Il numero dei gruppi corrisponde al

numero di orbitali atomici che devono essere ibridati per formare orbitali ibridi.

LEGAME sigma: legame che congiunge il nucleo di 2 atomi adiacenti.

LEGAME pigreco: legame che deriva dalla sovrapposizione laterale di 2 orbitali di opportuna simmetria. Si estende al di sopra ed al di

sotto del piano in cui giace il legame sigma.

LUNGHEZZA di LEGAME e FORZA di LEGAME

• All’aumentare del numero di elettroni tra due nuclei, i legami diventano più corti e più forti

• I legami tripli sono più corti e più forti dei legami doppi, che a loro volta sono più corti e più forti dei legami singoli.

ACIDI E BASI, lezione 2

ACIDI e BASI di BRONSTED-LOWRY

• Un acido di Bronsted-Lowry è un donatore di protoni.

• Una base di Bronsted-Lowry è un accettore di protoni.

Una reazione acido-base consiste in un trasferimento di un protone da un acido a una base.

FORZA ACIDA e pKa

• La forza acida è la tendenza di un acido a donare un protone.

• Quanto più facilmente un composto dona un protone tanto più l’acido è forte.

• L’acidità è misurata da una costante di equilibrio.

• Se abbiamo come solvente l’acqua e la sua concentrazione è fondamentalmente costante, può essere definita una nuova costante di

equilibrio, chiamata costante di acidità Ka.

• E’ più corretto utilizzare i valori di pKa

Tanto maggiore è la Ka tanto maggiore è la forza dell’acido.

Tanto minore è la pKa tanto maggiore è la forza dell’acido.

FATTORI CHE DETERMINANOO LA FORZA ACIDA

• Tutto ciò che stabilizza una base coniugata rende l’acido di partenza più acido.

• Quattro fattori condizionano l’acidità dell’acido. Essi sono:

- Effetti dovuti al tipo di elemento legato al protone (1)

- Effetti induttivi (2)

- Effetti della risonanza (3)

- Effetti dell’ibridazione (4)

Per confrontare l’acidità di due acidi qualsiasi si segue sempre la stessa procedura:

1. Disegnare sempre le basi coniugate.

2. Determinare quale base coniugata sia più stabile.

3. Più stabile è la base coniugata più forte è l’acido.

1. EFFETTI DELL’ELEMENTO

Tanto più è elettronegativo l’atomo legato all’H, tanto più riuscirà a tenere il doppietto elettronico, tanto più forte è l’acido.

Tanto più sarà grande la dimensione dell’atomo tanto più l’acido sarà forte.

2. EFFETTO INDUTTIVO

Un effetto induttivo è l’attrazione della densità elettronica attraverso i legami sigma causata da differenza di elettronegatività tra gli atomi.

Maggiore sarà la differenza di elettronegatività tra due atomi tanto più la pKa sarà bassa, tanto maggiore sarà la forza dell’acido.

3. EFFETTO DELLA RISONANZA

Se la base coniugata è stabilizzata per risonanza l’acido è più forte.

4. EFFETTI DELL’IBRIDAZIONE

Più è alta la percentuale di carattere s dell’orbitale ibrido, più la coppia solitaria è mantenuta vicino al nucleo, più è stabile la base

coniugata tanto più forte è l’acido.

ACIDI e BASI di LEWIS

• Un acido è un accettore di una coppia di elettroni (elettrofilo).

• Una base è un donatore di una coppia di elettroni (nucleofilo).

Le basi di Lewis sono strutturalmente identiche alle basi di Bronsted-Lowry. Entrambe hanno una coppia di elettroni disponibili.

Una base di Bronsted-Lowry dona sempre questa coppia di elettroni a un protone, mentre una base di Lewis dona questa coppia di

elettroni a qualsiasi atomo sia carente di elettroni. L’OH può essere considerato sia base di Lewis sia

base di Bronsted, mentre il C H può comportarsi

2 4

come una base, perché il doppietto del legame

+

pigreco può legarsi con l’H .

TUTTI gli acidi di Bronsted sono anche acidi di Lewis, il contrario NON SEMPRE è vero.

Una reazione acido-base di Lewis illustra come specie elettron-ricche reagiscono con specie elettron-povere.

ALCANI, lezione 3

Gli alcani sono idrocarburi alifatici saturi;

➢ Hanno formula generale C H .

n 2n+2

➢ Contengono solo legami covalenti semplici C-C (legami sigma).

➢ 3

Tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp .

➢ La desinenza caratteristica è -ano.

➢ Sono privi di gruppi funzionali

➢ L’idrocarburo più semplice è il metano (CH ).

4

Gli alcani presentano:

➢ Isomeria conformazionale: si ha libera rotazione attorno al legame C-C.

➢ Isomeria di struttura: la catena può essere lineare o ramificata, aperta o chiusa.

➢ Isomeria ottica: se la molecola contiene almeno un atomo di carbonio chirale

CLASSIFICAZIONE

Possono essere classificati come aciclici o ciclici.

- ALCANI ACICLICI; hanno formula molecolare C H . Sono catene di atomi di carbonio lineari o ramificate. Sono chiamati anche

n 2n+2

idrocarburi saturi perché hanno il massimo numero di atomi di idrogeno per atomo di carbonio.

- ALCANI CICLICI; hanno formula generale CnH2n contengono atomi di carbonio uniti in uno o più anelli.

CARATTERISTICHE ATOMO DI CARBONIO

3

- ibridazione sp .

- tetraedrici.

- tutti gli angoli di legame sono di 109,5°.

- Nelle rappresentazioni 3D un atomo di carbonio ha sempre due legami nel piano (linee continue), un legame in avanti (sul cuneo) e un

legame dietro al piano (su una linea a tratti).

CLASSIFICAZIONE DEGLI ATOMI DI CARBONIO E IDROGENO

- CARBONIO: gli atomi di carbonio sono classificati in base al numero di altri atomi di carbonio a essi direttamente legati (carbonio 1°, 2°,

3°, 4°).

- IDROGENO: gli atomi di idrogeno sono classificati a seconda degli atomi di carbonio al quale sono legati.

- Il suffisso “-ano” identifica una molecola come un alcano.

- Il sostituente -CH è chiamato METILENE.

2

NOMENCLATURA

Il nome di ogni molecola organica ha 3 parti:

1. La radice indica il numero di atomi di carbonio presenti nella catena carboniosa continua più lunga nella molecola.

2. Il suffisso indica quale gruppo funzionale è presente.

3. Il prefisso ci dice l’identità, la posizione e il numero di sostituenti attaccati alla catena carboniosa.

GRUPPI ALCHILICI

Se il sostituente deriva da un idrocarburo è detto gruppo alchilico ed è indicato con il simbolo R-.

Un gruppo alchilico è un frammento di molecola derivato formalmente da un idrocarburo per eliminazione di un atomo di idrogeno.

Per nominare un gruppo alchilico si cambia il suffisso -ano della radice dell’alcano corrispondente in -ile.

REGOLE FONDAMENTALI PER DARE IL NOME AD UN COMPOSTO:

1. Trovare la radice corrispondente alla catena carboniosa e aggiungere il suffisso.

Se ci sono due catena di uguale lunghezza, selezionare la catena con più sostituenti.

2. Numerare gli atomi della catena in modo da assegnare al primo sostituente il numero più basso.

Se il primo sostituente è alla stessa distanza da entrambe le parti, numerare la catena in modo da assegnare al secondo

sostituente il numero più basso.

Se la numerazione della catena carboniosa è la stessa da entrambe le parti, assegnare il numero più basso al primo sostituente in

ordine alfabetico.

3. Nominare e numerare i sostituenti.

4. Unire i nomi dei sostituenti e il numero, la radice e il suffisso.

La nomenclatura dei CICLOALCANI è la stessa con la sola aggiunta del prefisso ciclo-, che precede immediatamente il nome della radice.

ALCUNI PREFISSI…

PROPRIETA’ FISICHE:

Negli alcani agiscono solamente le forza di Wan Der Walls: le interazioni sono deboli poiché idrogeno e carbonio hanno un’elettronegatività

molto simile e quindi i dipoli reciprocamente indotti hanno momenti piccoli.

Poiché sono apolari, gli alcani:

➔ Sono pressochè insolubili in acqua e solubili nei solventi organici apolari (etere).

➔ Sono generalmente meno densi dell’acqua.

➔ Hanno punto di fusione e di ebollizione basso. I valori di entrambe le proprietà aumentano all’aumentare del numero di atomi di

carbonio presenti nella molecola. A temperatura ambiente, i primi 4 alcani, sono gas, i dodici seguenti sono liquidi e dal

diciassettesimo in poi sono solidi.

CONFORMAZIONE DEGLI ALCANI ACICLICI

Le conformazioni sono arrangiamenti diversi di atomi che interconvertono per rotazione attorno a un legame singolo (sigma).

Esistono due tipi di conformazione: ECLISSATA: i legami C-H su un carbonio sono direttamente allineati con i

legami C-H sul carbonio adiacente-

SFALSATA: i legami C-H su un carbonio sfalsano l’angolo di legame H-C-H del

carbonio adiacente.

La rotazione di 60° degli atomi che stanno su un atomo di carbonio converte

una conformazione eclissata in una conformazione sfalsata, e viceversa. L’angolo diedro viene definita come la porzione di spazio compresa

tra due semipiani aventi per origine la stessa retta.

La conformazione degli alcani aciclici vengono disegnate utilizzando le proiezioni di Newman:

1. Osservare direttamente lungo il legame C-C e disegnare un cerchio (carbonio posteriore) con un punto nel mezzo (carbonio

anteriore) per rappresentare gli atomi di carbonio del legame C-C.

2. Disegnare i legami sul C anteriore con tre linee che si incontrano al centro del cerchio.

Disegnare i legami sul C posteriore con tre linee che escono dal bordo del cerchio.

3. Aggiungere gli atomi ad ogni legame

Le conformazioni sfalsate sono più stabili in quanto hanno minor contenuto energetico. Nella conformazione eclissata la repulsione

elettrone-elettrone tra i legami ne aumenta l’energia, se confrontata con la conformazione sfalsata, dove gli elettroni di legame sono più

distanti.

Ogni legame C-H eclissato produce un aumento di energia di 1 kcal/mole. La differenza di energia tra i conformeri eclissato e sfalsato è

chiamata ENERGIA TORSIONALE.

Una conformazione sfalsata con i due raggruppamenti più voluminosi a 180° l’uno dall’altro è detta anti.

Una conformazione sfalsata con i due raggruppamenti più voluminosi a 60° l’uno dall’altro è detta gauche.

La TENSIONE STERICA è un aumento di energia che si verifica quando gli atomi sono obbligati a essere molto vicini l’uno all’altro.

La differenza di energia tra le due conformazioni a più bassa (sfalsata anti) e a più alta energia (eclissata gauche) è chiamata BARRIERA DI

ROTAZIONE.

La TENSIONE ANGOLARE è un aumento di energia che si osserva quando gli angoli di legame si discostano dal valore tetraedrico di 109,5°.

CONFORMAZIONI DEL CICLOESANO

Il cicloesano adotta una conformazione piegata chiamata conformazione a sedia. Questa conformazione è molto stabile in quanto elimina

la tensione angolare e la tensione torsionale.

Nel cicloesano 3 carboni si muovono verso l’alto e 3 carboni scendono in basso. Ogni carbonio nel cicloesano ha due diversi tipi di idrogeno:

- Gli H assiali, che sono localizzati sopra e sotto l’anello (lungo un asse perpendicolare).

- Gli H equatoriali, che sono localizzati nel piano dell’anello.

SE si ha l’inversione dell’anello si ha una nuova configurazione: la configurazione a barca.

Questa configurazione si ottiene invertendo i carboni, i carboni in alto diventano atomi di carbonio in basso e viceversa. Anche gli H assiali

ed equatoriali interconvertono durante l’inversione dell’anello.

La forma a sedia del cicloesano sono 7 Kcal/mol più stabili della forma a barca.

Il conformero a barca è destabilizzato dalla tensione torsionale perché gli H che stanno sui 4 atomi di carbonio nel piano sono eclissati,

inoltre c’è una tensione sterica perché i due atomi di idrogeno che stanno su entrambe le estremità della barca sono obbligati a stare

ravvicinati.

STEREOISOMERI

Gli stereoisomeri sono isomeri che differiscono solo nel modo in cui gli atomi sono orientati nello spazio. Per distinguere questi

stereoisomeri utilizziamo i prefissi CIS e TRANS.

L’isomero CIS ha due gruppi orientati dalla stessa parte dell’anello.

L’isomero TRANS ha due gruppi su parti opposte dell’anello.

REAZIONI

Una reazione importante è la combustione, reazione di ossido-riduzione.

Gli alcani danno luogo a combustione, cioè bruciano in presenza di ossigeno, per formare anidride carbonica e acqua.

Una molecola ha subito un’ossidazione se nel prodotto c’è un aumento di legami con un eteroatomo più elettronegativo Z oppure se sono

diminuiti i legami con atomi di H.

Una molecola avrà subito una riduzione se è diminuito il numero di legami con atomi più elettronegativi del C oppure se sono aumentati i

numeri di legame con l’H.

INTRODUZIONE ALLE MOLECOLE ORGANICHE E AI GRUPPI FUNZIONALI

GRUPPI FUNZIONALI

Un gruppo funzionale è la parte reattiva della molecola, ed esso ha proprietà chimiche e fisiche tipiche.

La maggior parte delle molecole organiche contiene legami C-C e C-H, altre molecole hanno diverse caratteristiche strutturali:

• ETEROATOMI; atomi diversi dal carbonio e idrogeno.

• LEGAMI PIGRECO ( ); i legami pigreco più comuni sono presenti nei doppi legami CC e CO.

Queste caratteristiche permettono di distinguere una molecola dall’altra, determinandone la geometria, le proprietà fisiche e la reattività.

REATTIVITA’ DEI GRUPPI FUNZIONALI

Gli eteroatomi ed i legami pigreco conferiscono reattività ad una particolare molecola.

• Gli eteroatomi hanno coppie solitarie (NUCLEOFILI) e creano sul carbonio siti carenti di elettroni (ELETTROFILI).

• I legami pigreco si rompono facilmente durante una reazione chimica. Un legame pigreco fa della molecola una base ed un nucleofilo.

IDROCARBURI

Sono composti costituiti solamente da C e H. Possono essere alifatici o aromatici.

L’idrocarburo aromatico più semplice è il benzene. Quando un anello benzenico si lega a un altro gruppo, viene chiamato “gruppo fenile”.

NOMI DI ALCUNI GRUPPI FUNZIONALI

COMPOSTI CONTENENTI IL GRUPPO C=O

• Questo gruppo è chiamato “gruppo carbonilico”.

• Il legame polare C-O rende il carbonio carbonilico un ELETTROFILO, mentre le coppie solitarie sull’O gli permettono di reagire

come un nucleofilo e come una base.

• σ

Il gruppo carbonilico contiene un legame che si rompe più facilmente di un legame C-O.

PROPRIETA’ DIPENDENTI DAI GRUPPI FUNZIONALI

Un gruppo funzionale determina le seguenti proprietà di una molecola:

• Legami e forma

• Tipo e intensità delle forze intermolecolari (tra le molecole)

• Proprietà fisiche

• Reattività chimica

&