Chimica Organica e Propedeutica a Biochimica, Università Campus Biomedico di Roma

CHIMICA ORGANICA E PROPEDEUTICA A BIOCHIMICA

Maria Vittoria Mattioli 2023 UNIVERSITÀ CAMPUS BIOMEDICO DI ROMA Facoltà di Medicina e ChirurgiaMARIA VITTORIA MATTIOLI 2023

CHIMICA ORGANICA

I composti organici sono oggi definiti come i composti che contengono carbonio. Le reazioni chimiche che avvengono nei sistemi viventi, compresi i nostri corpi, sono reazioni organiche.

IL CARBONIO

Elemento del 4° gruppo (Z = 6, PA = 12) che tende a formare 4 legami covalenti con pochi altri elementi come l'idrogeno, l'azoto e l'ossigeno (e una piccola parte anche con il fosforo e lo zolfo). Infatti, il carbonio presenta caratteristiche peculiari che lo distinguono dagli altri elementi (che in parte condivide solo con l'atomo di silicio che però ha orbitali più grandi => legami più lontani e deboli => i suoi composti si formano più facilmente di quelli del carbonio) in quanto si trova al centro della tavola periodica (centro della 2ª riga):

• gli elementi a sinistra del carbonio tendono a cedere elettroni
• gli elementi a destra del carbonio tendono ad acquistare elettroni
• il carbonio al centro ha la capacità di condividere coppie di elettroni con altri atomi di carbonio per formare legami carbonio-carbonio => si formano milioni di composti stabili che possono assumere strutture lineari, ramificate e cicliche, dando luogo a molecole con proprietà chimiche diverse tra loro.

Le catene carboniose sono non polari (tranne se contengono N o O = molto elettronegativi) => basse temperature di fusione ed ebollizione (< 400℃) + poco idrosolubili

Ibridazione del carbonio

C: 1s2 2s2 2p2: n =2 stv Ibridizzazione sp3 4 orbitali ibridi sp3 Ibridizzazione sp2 3 orbitali sp2 orbitale p Ibridizzazione sp 2 orbitali sp 2 orbitali p Sp3 Sp Sp sp3: geometria tetraedrica, angoli di legame 109.5°, rotazione si sp2: geometria trigonale, angoli di legame di 120°, rotazione no sp: geometria lineare, angoli di legame di 180°, rotazione no

Ibridazione sp3

1. ibridazione sp3 (metano CH4) Si formano 4 legami covalenti con angolo di legame 109.5°. ES. metano CH4: i 4 legami C-H del metano sono tutti identici e quindi si verifica la sovrapposizione dell'orbitale 1s dell'idrogeno con l'orbitale ibrido sp3 del carbonio che, avendo un lobo molto maggiore dell'orbitale p, da luogo ad una sovrapposizione massima tra i due orbitali con conseguente formazione del legame sigma. ORBITALE 2p ORBITALE sp3 Direzione secondo la quale si devono avvicinare l'orbitale ibrido sp3 del carbonio e l'orbitale 1s dell'idrogeno perché si possa formare il legame. LEGAME o N.B. la differenza di questa ibridazione rispetto alle altre due consiste nella libera rotazione attorno al legame carbonio - carbonio formato dagli orbitali di tipo sp3 (infatti il legame o consente la libera rotazione attorno al doppio legame, mentre il legame nt no) => tutte le strutture si possono interconvertire andando quindi a disegnare centinaia di diverse strutture, definite conformazioni.

Ibridazione sp2

2. Ibridazione sp2 Si formano 3 orbitali ibridi sp2 e un orbitale p non ibrido, con angolo di legame di 120º. La sovrapposizione di questi orbitali forma "una nuvola" di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di tipo o. Il legame it è presente nelle molecole organiche dove esistono "doppi legami", ma essendo più debole del legame o è più reattivo). ES. etene C2H4: gli atomi di carbonio sono legati attraverso un doppio legame.

Ibridazione sp

3. Ibridazione sp In questo caso solo un orbitale di tipo s ed un orbitale di tipo p sono ibridati e ogni atomo di carbonio li utilizza per costruire un legame C-C di tipo o con geometria lineare e angolo di legame di 180º. Carbonio Interazione 2p,-2p, o 2p,-2p, Buona sovrapposizione silicio Interazione 3p2-3p, o 3p,-3p, Scarsa sovrapposizioneMARIA VITTORIA MATTIOLI 2023 La sovrapposizione di questi orbitali genera una "nube" elettronica che circonda completamente il piano dei legami o. In questo caso si andrà a formare un triplo legame che rappresenterà, proprio come nell'ibridazione sp3, un punto di rigidità nella molecola che impedirà la libera rotazione intorno al legame. ES. etino C2H2: presenta un triplo legame nella struttura.

Promozione elettronica del carbonio

La promozione di un elettrone da un orbitale s all'orbitale p porta il carbonio ad avere una maggiore stabilità e permette di creare con l'idrogeno dei nuovi legami. C (s1p3) + 4H +5- E. E (eV) C (s2p2) + 4H 0 4E 2EL -5- CH LOU -10- CHA Bilancio energetico complessivo per la formazione di due o quattro legami fra carbonio e idrogeno Ep = energia di eccitazione s->p EL = energia di legame C-H ATTENZIONE! La promozione in sè ha una spesa energetica perché è necessario trasferire un elettrone da un orbitale a livello energetico più basso a uno più alto MA alla fine la molecola, potendosi in questo modo legare con altri 4 atomi, raggiunge uno stato energetico più basso rispetto a quello iniziale precedente alla promozione e quindi rimane comunque conveniente.

RAPPRESENTAZIONE DEI COMPOSTI ORGANICI

Ci sono diversi modi per identificare i composti organici:

• formula bruta: si vedono solo il numero di atomi della molecola, ma non ci dice nulla su come essi siano legati tra di loro;
• Struttura condensata: ci dice anche come sono legati tra di loro gli atomi
• Linea troncata: rappresentazione della molecola attraverso una linea. CAH10 Formula bruta CH3CH2CH2CH3 Struttura condensata CH3 = linea troncata CH2 = vertice

ISOMERIA

Si dicono isomeri i composti che hanno stessa formula molecolare ma diversa struttura.

• Isomeria di Struttura O Isomeria di catena -> interessa la struttura dello scheletro carbonioso (lineare, ramificato o ciclico) 0 Isomeria di gruppo funzionali -> interessa la formazione di diversi gruppi funzionali 0 Isomeria di posizione -> interessa la posizione di legami multipli o di gruppi contenenti atomi diversi da carbonio e idrogeno (ATTENZIONE! Questo tipo di isomeria non è possibile negli alcani, in cui vi sono solo legami semplici)
• Streoisomeria 0 Isomeria conformazionale -> interessa la possibilità di rotazione attorno a legami semplici => forma eclissata (atomi di idrogeno del primo carbonio sono perfettamente allineati con gli atomi di idrogeno del secondo carbonio) o forma sfalsata (rotazione attorno al legame C-C => idrogeno non allineati) 0 Enantiomeria -> molecole che sono l'una l'immagine speculare dell'altra ma NON sono sovrapponibili (sono molecole chirali) => presentano le stesse proprietà fisiche e chimiche, ma diverse proprietà ottiche (studiate da Pasteur) -> sono isomeri ottici, distinti in destrogiro (+, rotazione oraria di un fascio di luce polarizzata) e levogiro (-, rotazione antioraria di un fascio di luce polarizzata) O Dia-stereoisomeria -> coppie di stereoisomeri che NON sono l'uno l'immagine speculare dell'altro o Isomeria geometrica -> interessa la disposizione spaziale intorno ai doppi legami -> cis (atomi uguali dalla stessa parte) o trans (atomi uguali da parte opposta)MARIA VITTORIA MATTIOLI 2023 ES. per il butene (C4H8) si possono avere strutture diverse:
• 1-butene + 2-butene (isomeria di posizione)
• 1-butene + iso-butene (isomeria di struttura)
• 2-butene trans + 2-butene cis (isomeria geometrica) -> viene indicato con E o Z: C.H. Butene CH2= CHCH,CH, 1-butene CH,CH =CHCH, 2-butene Isomeria di posizione C.H. H CH2CH3 H CH H H H CH3 1-butene Isomeria di Struttura 2-butene C4Hs CH,CH = CHCH, H CH3 H H (E) N H3C" H HaC CH3 trans Isomeria geometrica o E: indica gli alcheni che presentano i gruppi funzionali con priorità maggiore a lati opposti (considerando come asse quello del doppio legame) o Z: indica alcheni che presentano i gruppi funzionali con priorità maggiore dallo stesso lato (considerando come asse quello del doppio legame) Formula Numero di isomeri C4H10 2 CSH12 3 CBH14 5 CH16 9 CBH18 18 CgH20 35 C10 H2 75 C15H32 4347 C20H42 366319 N.B. Gli isomeri, nonostante abbiano stesso peso molecolare, hanno diverse caratteristiche chimico-fisiche (es. punto di ebollizione diverso) ES. n-butano: questa molecola ha 4 atomi di carbonio che possono concatenarsi in maniera diversa formando altri composti con stessa formula bruta ma diversa formula di struttura, come l'iso-butano (o il 2-metil propano) con una forma ramificata C4H10 CH3CH2CH2CH3 n-butano H2 CH3 iso-butano; 2-metil propano CH H3C CH3 n-butano solidifica a -138,3 ℃ e liquefa a -0,5 ℃; l'isobutano solidifica a -145 ℃ e liquefa a -4,5 ℃ CH3 CH 2 CH3 1 3 5 7 4-propil ottano Nome. .Nº di atomi di carbonio Metil Etil Propil Butil Pentil Esil 1 123456 4 5 6 2 Le ramificazioni abbassano il punto di ebollizione (che dipende dalle forze intermolecolari) di un composto perché diminuiscono la superficie di contatto => nel butano sono possibili interazioni lungo le catene VS nell'isobutano la struttura blocca la formazione di eventuali interazioni tra gli atomi di carbonio e quindi il punto di ebollizione è più basso (perché le molecole sono meno legate tra loro). RICORDA! quando si scrive il nome di un composto ramificato, bisogna dare al carbonio che lega la ramificazione, il numero più basso possibile.

ATTIVITA' OTTICA

Molte sostanze organiche hanno una proprietà che gli permette di ruotare il piano della luce polarizzata.

• luce ordinaria: è formata da onde elettromagnetiche che oscillano in tutte le direzioni (più raggi che oscillano in piani diversi)
• luce polarizzata nel piano: oscilla in un unico piano (un unico raggio che oscilla in un unico piano). Luce Luce non polarizzata polarizzata Sorgente luminosa Polarizzatore Tubo porta-campione di molecole organiche Analizzatore Osservatore 2 8 4 6 H3C" 1 3 2- metil propano CH3CH(CH3)CH3 H2 H3C CH3 cis All'aumentare del numero di atomi di carbonio, aumentano il numero di isomeri della molecola. 2-metil propene Iso-butene; polarimetro: strumento in grado di misurare il potere rotatorio di una soluzione, utilizzato specialmente in chimica per il riconoscimento di vari enantiomeri nei composti chiraliMARIA VITTORIA MATTIOLI 2023 Una molecola achirale è definita prochirale se essa può essere trasformata in una molecola chirale cambiando un atomo o un gruppo di atomi (ES. aldoesosi)

Rotazione specifica e chiralità

La rotazione specifica è la rotazione osservata (alfa, numero di gradi) per una specifica lunghezza della cella e una specifica concentrazione del campione. [a]]= Rotazione osservata N.B. La rotazione osservata dipende dal numero di molecole che il raggio incontra ed è proporzionale a cammino ottico (= lunghezza) e concentrazione Lunghezza x Concentrazione Questa proprietà di ruotare il piano della luce polarizzata dipende dalla chiralità = proprietà geometrica intrinseca di tutti gli oggetti che esistono in due forme distinte, simili ma NON sovrapponibili l'una con l'altra, in quanto immagini speculari l'una dell'altra (=> per capire se due oggetti sono chirali, basta sovrapporre le due immagini speculari dell'oggetto stesso e vedere che non sono sovrapponibili). In Chimica, la chiralità è una caratteristica di numerose coppie di composti organici le cui molecole presentano la medesima composizione ma una diversa disposizione dei costituenti -> N.B. due composti chirali possiedono la stessa formula bruta e diversa attività ottica (i legami sono identici, ma la disposizione tridimensionale cambia). Nelle interazioni biologiche le due molecole producono effetti anche profondamente diversi, caratteristica importante in farmacologia, perché possono esistere dei composti chirali che in una delle due forme producono effetti benefici (o nessun effetto) e nell'altra forma producono effetti dannosi. Si tratta di una forma di isomeria detta isomeria ottica. ES. molecola di metano (CH4):

• se si sostituisce un atomo di idrogeno con un altro elemento, si vede che la molecola e la sua immagine speculare sono sovrapponibili
• se si sostituiscono due atomi di idrogeno, si nota che anche in questo caso saranno sovrapponibili
• se si sotituiscono 3 atomi di idrogeno con 3 diversi elementi, la molecola e la sua immagine speculare risulteranno diverse => si comprende che la proprietà che molto spesso fa si che la molecola sia chiarale è la presenza di un centro asimmetrico = un atomo legato a quattro gruppi differenti (ES. l'atomo di carbonio centrale con 4 sostituenti diversi è un centro stereogenico o stereocentro) -> il diverso modo con cui i gruppi legati al carbonio tetraedrico si dispongono nello spazio è argomento di studio della Stereochimica.

Carboni asimmetrici

CARBONI ASSINHETRICI legami singoli + sostituenti diversi carboni asimmetrici di un emiacatale in forma ciclica: - scrivi la formula di struttura non ciclica - conta i carboni asimmetrici - se è in forma civica aggiungi + 1 La chiralità è una proprietà legata alla simmetria delle molecole: infatti, le molecole possono essere classificate in base a elementi di simmetria (centro, piano, assi ... ) -> RICORDA! molecole che possiedono piani di simmetria e/o centri di simmetria sono sovrapponibili alla propria immagine speculare e quindi sono molecole achirali (= sovrapponibile alla sua immagine speculare).

Enantiomeri

Enantiomeri Molecole che sono l'una l'immagine e speculare dell'altra e che non sono sovrapponibili sono dette enantiomeri => i due stereoisomeri di una determinata molecola sono quindi enantiomeri Proprietà degli enantiomeri: gli enantiomeri hanno stesso punto di ebollizione, punto di fusione, densità, indice di rifrazione MA hanno:

• differenti direzioni di rotazione della luce polarizzata
• diversi modi di interagire con le molecole chirali (recettori ed enzimi) Tautomeri: fenomeno per cui due (o più) isomeri di un composto entrano rapidamente in equilibrio fra loro, in soluzione, convertendosi l'uno nell'altro (ES. tautomeria cheto-enolica di aldeidi e chetoni)

ROTAZIONE DELLA LUCE POLARIZZATA

il potere rotatorio è importante per analizzare la purezza delle sostanze e se sono otticamente attive: infatti, quando un fascio di luce polarizzata attraversa un campione di molecole chirali e il piano di polarizzazione viene ruotato di un certo angolo, la molecola viene definita otticamente attiva.

• Un enantiomero che ruota a destra l'asse della luce polarizzata è detto destrogiro.
• Un enantiomero che ruota a sinistra (antiorario) l'asse della luce polarizzata è detto levogiro. Una miscela rameica è una miscela al 50% dei due enantiomeri (=> potere ottico nullo). Forme meso: composti per i quali non si ha una rotazione del piano della luce polarizzata pur essendo presenti centri chirali, in quanto la molecola possiede un piano di simmetria