Chimica Organica: Struttura del Carbonio e Gruppi Funzionali

CHIMICA ORGANICA

Si occupa di indagare la composizione e l'organizzazione della materia vivente, tutte le molecole organiche contengono, oltre al carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, seguiti poi da zolfo e fosforo.

La grande varietà di composti organici a cui dà luogo il carbonio dipende dalla sua particolare natura, che gli conferisce un'elevata versatilità:

• ha un valore intermedio di elettronegatività (2,5) = può liberarsi dei suoi quattro elettroni di valenza o acquisirne altre quattro
• Può concatenarsi e ramificarsi => le catene possono essere lineari, ramificate o cicliche

! I composti ramificati hanno punti di ebollizione inferiori e punti di fusione maggiori rispetto ai corrispondenti con struttura lineare

• Forma legami covalenti impiegando orbitali ibridi = è infatti in grado di promuovere un elettrone a un contenuto energetico più alto per poi rimescolare gli orbitali s e p dando origine ai cosiddetti orbitali ibridi.

Ibridazioni del Carbonio

Le ibridazioni possibili del carbonio sono 3:

• Sp: in cui i due orbitali ibridi sono disposti a 180° con geometria lineare (ha un legame triplo)
• Sp2: in cui i tre orbitali ibridi sono disposti planarmente a 120° con geometria trigonale (ha un legame doppio)
• Sp3: in cui i quattro orbitali ibridi sono disposti a 109,5° con geometria tetraedrica (ha solo legami singoli)

Legami Chimici

legami singoli detti "sigma" permettono la libera rotazione attorno all'asse congiungente gli atomi legami doppi e tripli detti "pi greco" bloccano la rotazione attorno all'asse di legame e riducono la distanza fra i due nuclei coinvolti, che presentano entrambi carica negativa = diminuisce la stabilità

ISOMERIA

ISOMERIA: gli isomeri sono composti che, pur presentando la stessa formula bruta, mostrano una formula di struttura diversa o una diversa disposizione degli atomi nello spazio. Esistono due tipi fondamentali di isomeria, isomeria di struttura e stereoisomeria.

Isomeria di Struttura

isomeria di struttura (costituzionale): gli atomi sono legati con un ordine differente

• isomeria di catena (cambiano le ramificazioni)
• isomeria di posizione (di legami o gruppi atomici)
• isomeria di gruppo (diverso gruppo funzionale legato all'isomero)

Stereoisomeria

stereoisomeria (spaziale): gli atomi sono legati nello stesso ordine ma con diversa orientazione spaziale

• isomeria conformazionale: gli isomeri sono interconvertibili per rotazione attorno a legami semplici
• isomeria configurazionale: gli isomeri non sono interconvertibili per rotazione attorno a legami semplici
• diastereoisomeria: i due isomeri non sono uno l'immagine speculare dell'altro
• enantiomeria: i due isomeri sono uno l'immagine speculare dell'altro

PROPRIETÀ FISICHE

PROPRIETÀ FISICHE: I legami sono in genere debolmente polari => si instaurano interazioni tra molecole piuttosto deboli, del tipo dipolo-dipolo. I punti di fusione e di ebollizione sono quindi generalmente bassi, la solubilità in acqua invece è determinata dalla polarità della struttura.

IDROCARBURI

Gli idrocarburi sono composti binari formati da carbonio e idrogeno

Idrocarburi Saturi

SATURI: sono costituiti da catene di atomi di carbonio uniti da legami semplici reazione tipica: sostituzione elettrofila

Idrocarburi Insaturi

INSATURI: presentano catene di atomi di carbonio contenente legami multipli reazione tipica: addizione elettrofila (ad eccezione del benzene, un idrocarburo aromatico insaturo che si comporta come un idrocarburo saturo)

Alcani

ALCANI: si tratta di una serie omologa di composti in cui ciascun termine differisce dal precedente semplicemente aggiungendo un CH2. Formula: C(n)H(2n+2) Da ricordare: metano, etano, propano e butano (gassosi) Dai 5 ai 15 C sono liquidi Dai 16 C in poi sono solidi

Alcheni

ALCHENI: presentano un legame doppio tra due atomi di carbonio (120° con geometria planare) Formula: C(n)H(2n) => come i cicloalcani = sono isomeri di struttura

Alchini

ALCHINI: presentano un legame triplo tra due atomi di carbonio (180° con geometria lineare) Formula: C(n)H(2n-2)

Cicloalcani

CICLOALCANI: a partire dal propano è possibile chiudere in un anello la catena di atomi di carbonio formando il corrispondente cicloalcano => questo comporta la perdita di due atomi di H Formula: C(n)H(2n) Struttura: i cicloalcani (ad eccezione del ciclopropano) non sono planari. Il cicloesano ad esempio assume due tipi di conformazioni: a sedia (+ stabile) e a barca (- stabile). Nella prima gli atomi di idrogeno si dispongono in due modi: in modo assiale (ossia paralleli all'asse della molecola) e in modo equatoriale (ossia a raggiera intorno al perimetro della molecola)

Cicloalcheni

CICLOALCHENI Formula: C(n)H(2n-2)

Cicloalchini

CICLOALCHINI Formula: C(n)H(2n-4)

Nomenclatura

nomenclatura catena più lunga => -ano sostituenti = - ile es: 2-metilbutano i sostituenti vengono elencati in ordine alfabetico ! non dimenticare di mettere di, tri .. se sono presenti più sostituenti uguali es: 2,5 dimentilottano

nomenclatura dopo aver individuato il numero di atomi di carbonio con la catena più lunga, bisogna partire con la nomenclatura in modo da attribuire il numero più basso possibile si doppi e tripli legami catena più lunga = - ene/ -ino sostituenti = - enil/ -inil

STRUTTURA DEL BENZENE

H La caratteristica dei composti aromatici è che contengono un sistema di elettroni p delocalizzato (= libero di girare su tutta la struttura). es. benzene: gli elettroni possiedono un orbitale p perpendicolare al piano dell'anello => Per ogni atomo di carbonio in quell orbitale p c'è un elettrone Tutti i legami del benzene sono una via di mezzo tra legame singolo e doppio quindi gli elettroni sono liberi di girare (condivisi) lungo tutta la struttura => questo aumenta la stabilità della struttura.

• Sistema di elettroni pi greco delocalizzati: indicati da un cerchio all'interno di un esagono I sistemi di elettroni pi greco delocalizzati seguono la regola di hückel: sono aromatici tutti i composti ciclici che possiedono un numero di elettroni pi greco pari a 4n + 2 e C sp2.

I GRUPPI FUNZIONALI

atomo o gruppo di atomi capaci di conferire una particolare reattività alla molecola di cui fanno parte

CLASSE DI COMPOSTI: molecole con uno stesso gruppo funzionale

Classe Formula generale Gruppo funzionale Esempio Nome (la parte caratteristica del nome è in rosso) alogenuri R-X alogenuro (-X) CH3-CI clorometano alcoli R-OH ossidrile (-OH) CH3-OH metanolo eteri R-O-R' etere (-0-) CH3-0-CH3 dimetiletere aldeidi R-CHO carbonile (-C-) 0 CH3-C. I etanale (acetaldeide) chetoni R-CO-R' carbonile (-C-) O CH3 c=0 propanone (acetone) CH3 acidi carbossilici R-COOH O CH3-C O OH acido etanoico (acido acetico) esteri R-COOR' estere (-COO-) O etanoato di metile (acetato di metile) .C- CH3 CH3 O ammidi R-CO-NH2 ammidico (-C-N-) II OH CH3-C NH2 etanammide (acetammide) ammine R-NH2 amminico (-NH2) CH3-NH2 metilammina carbossile -C. NOH

ALOGENODERIVATI

ALOGENODERIVATI: sostituzione di 1 o più atomi di idrogeno di un idrocarburo con altrettanti atomi di un alogeno. Sono prodotti di laboratorio che vengono sintetizzati a partire da alcani con reazioni di sostituzione radicalica. Sono inoltre importanti intermedi cioè servono per preparare altre classi di composti non ottenibili direttamente dagli idrocarburi. Si dividono in base a se l'atomo di carbonio legato all'alogeno è unito a una catena alchilica o a un anello aromatico in:

• alogenuri alchilici
• alogenuri arilici

Si distinguono anche in base a quanti gruppi R sono presenti sul carbonio che lega l'alogeno in:

• primari
• secondari
• terziari

Possono fare due diversi tipi di reazioni

• reazione di sostituzione dove un nucleofilo sostituisce l'alogeno
• reazione di eliminazione dove in presenza di una base l'alogeno e un H del carbonio adiacente vengono eliminati con formazione di un nuovo legame.

Entrambe le reazioni possono essere bimolecolari (avviene in un solo stadio) o monomolecolari (avviene in due stadi)

ALCOLI E FENOLI

ALCOLI E FENOLI: Sostituendo uno degli atomi di idrogeno di un idrocarburo con il gruppo ossidrile (-OH) si ottengono gli alcoli che possono essere primari, secondari e terziari (in base a quanti sostituenti R è legato l'atomo di carbonio escluso OH). I fenoli invece hanno l'ossidrile legato direttamente al carbonio dell'anello aromatico (gruppo arilico) = hanno caratteristiche chimiche diverse dagli alcoli. Anche gli eteri contengono un atomo di ossigeno ma a differenza di fenoli ed alcoli esso lega due gruppi arilici. Alcoli, fenoli ed eteri possono essere immaginati come derivati dall'acqua per sostituzione degli atomi di idrogeno con uno o due gruppi arilici = hanno la stessa geometria dell'H2O.

Alcoli Importanti

ALCOLI PIÙ IMPORTANTI:

• METANOLO -> CH3OH: alcool molto tossico per l'uomo, causa cecità e poi morte, è un reagente industriale e un combustibile (ma brucia senza fiamma => molto pericoloso). Possiamo produrlo attraverso la distillazione, quando distilliamo il vino gli alcoli evaporano secondo le loro temperature di ebollizione, il metanolo ha una temperatura di ebollizione inferiore rispetto all'etanolo, quindi la prima parte del distillato del vino è ricco di metanolo = bisogna scartare, la seconda parte si chiama corpo e contiene gli etanoli (quindi si tiene). Nella terza parte ci sono gli alcoli nuovamente tossici, quindi nel processo di distillazione bisogna tenere solo la parte centrale.
• ETANOLO -> CH3CH2-OH: è un combustibile È collegato al metabolismo perché è il prodotto della fermentazione alcolica
• 1,2 ETANDIOLO -> HOCH2CH2OH: viene usato come anticongelante perché ha un punto di congelamento e anche come liquido di raffreddamento
• 1,2,3 PROPANTIOLO -> HOCH2CHOHCH2OH: biologicamente si trova nei trigliceridi e nei fosfolipidi, industrialmente è un ottimo solvente, nell'industria cosmetica viene usato come idratante, nell'industria degli esplosivi per la produzione della nitroglicerina (diventa esplosiva attraverso l'agitazione). Viene inoltre usata nell'industria farmaceutica come farmaco per le cardiopatie ed è un liquido semitrasparente

Proprietà Fisiche Alcoli e Fenoli

PROPRIETÀ FISICHE

• Alcoli e fenoli hanno punti di ebollizione più alti di idrocarburi ed eteri poiché i legami a idrogeno al loro interno (possibili in quanto hanno un atomo elettronegativo ovvero l'ossigeno e un H carico positivamente) sono più robusti delle forze di London negli idrocarburi e delle forze dipolo-dipolo negli eteri
• All'aumentare del numero degli atomi di carbonio dal butanolo in poi la solubilità diminuisce perché prevale il carattere idrofobico della catena idrocarburica rispetto al carattere idrofilo del gruppo alcolico. Gli eteri più semplici (es dimetiletere) sono solubili in acqua e in alcol in quanto non possono associarsi tramite legami a idrogeno ma possono accettare legami a idrogeno da composti contenenti il gruppo -OH