Chimica organica

Didascalia alternativa:

di un atomo) è: 1s2 2s22p2 22 16 1₂ 11 +000 2p ри ру ре Gli elettroni spaiati sono due(quelli evidenziati, gli elettroni esterni con i quali gli elementi si legano) e per questo motivo il carbonio dovrebbe poter formare solamente due legami, o al limite tre se uno è dativo. Nella realtà dei fatti però, questo particolare elemento forma in natura QUATTRO LEGAMI COVALENTI, ciò avviene grazie all'ibridazione degli orbitali atomici. Gli orbitali ibridi sono orbitali atomici di tipo misto che derivano dall'incrocio, o ibridazione, di orbitali atomici puri, cioè di orbitali s, p, d of. Ibrido sp sp² sp Numero di orbitali ibridi 2 3 4 Forma della superficie limite lineare triangolare piana tetraedrica Disposizione reciproca 180° Le PRINCIPALI FONTI DI IDRO CAR BURI SONO 1 120° I composti del carbonio possono essere suddivisi in famiglie in base alle loro caratteristiche strutturali. Le proprietà chimiche dei composti organici dipendono da singoli atomi o da gruppi di atomi caratteristici, detti gruppi funzionali. Osserveremo due classi fondamentali di composti organici: gli idrocarburi e i loro derivati. 109,5° IDROCÀRBURI Composti costituiti da atomi di Carbonio e Idrogeno uniti da legami covalenti. Possono essere: saturi-> hanno solo legami singoli C-C insaturi-> hanno legami doppi o tripli carbonio-carbonio COMPOSTO DA METANO + PICCOLE QUANTITÀ DI ETANO, PROPANO, BUTANO saturi alcani Idrocarburi A LI QUI DO VI SCOSO COSTITUITO DA BENZINA IDROCARBURI = LORO RAFFINAZIONE = KEROSENE PETRO LATO PARAFFINA alcheni insaturi combustibili fossili L GAS NATURALE PETROLIO-CARBONE alchini aromatici DAL SUO HEIDROCARBURI CATRA AROMATICI BENZENE IDROCARBURI SATURI-ALCANI CnH₂n+2 Gli atomi di carbonio sono legati da legami singoli. Gli alcani sono una serie omologa: per capire questo concetto facciamo un esempio, il metano (CH4) presenta UN solo atomo di carbonio, passando all'alcano con due atomi di carbonio, ossia l'etano (C2H6) vediamo che abbiamo aggiunto un gruppo -CH2, e per passare a quelli seguenti continueremo sempre ad aggiungere questo gruppo. NOMENCLATURA DEGLI ALCANI: Tralasciando i primi quattro da imparare a memoria, gli altri hanno il prefisso dal quale si intuisce il numero di atomi di carbonio. BeLOPIÚ CI SONO ATORI UGUALI BASSO GLI ALCANI SONO APOLARI E LE INTERAZIONI TRA MOLECOLE SO NO MOLTO DE BOY Nome Formula molecolare CH₁ Formula condensata CH CH C₂H₂ CH,CH, CH,CH₂CH, propano CH butano CH₁0 CH,CH,CH,CH, pentano C₂H₁ CH,CH,CH,CH,CH, esano CH₁ CH,CH₂CH₂CH₂CH₂CH, eptano C₂H₁6 ottano CH metano etano nonano decano C₂H₂0 C₁0H₂2 chiusa Punto di ebollizione (°C) Punto di fusione (°C) -161 -183 -88 -45 -0,5 36 69 CH,CH,CH, CH,CH,CH,CH, 98 CH,CH₂CH₂CH,CH₂CH₂CH₂CH, 125 CH,CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH, 151 CH,CH,CH,CH,CH,CH,CH₂CH₂CH₂CH, 174 In base al numero di atomi di carbonio, gli alcani assumono degli stati diversi: 1-4 n= stato gassoso 5-16 stato liquido 17-20= stato ceroso CICLOALCANI-> Sono uguali agli alcani, però sono ciclici, hanno una struttura Cn Han H H Le formule di struttura si scrivono tramite poligoni, essi hanno tanti vertici quanti sono gli atomi di carbonio. Come nomenclare questi composti? ciclo+alcano di riferimento Tra questi il più importante e stabile è il cicloesano. La molecola può assumere diverse conformazioni o a sedia(minore energia, più stabile) o a barca (maggiore energia) H- H H H H H H La conformazione a sedia è più stabile. H H H- H₂H H HH H -172 -187 -138 -130 H -95 -90 -57 -54 -30 La conformazione a barca ha maggiore energia. L'ISOMERIA Si dicono isomeri due o più composti aventi la stessa formula chimica, ma diversa formula di struttura o diversa disposizione spaziale degli atomi. L'isomeria è un fenomeno molto comune ed è uno dei motivi per cui esiste un numero così elevato di composti organici. In generale, tanto maggiore e numero di atomi di carbonio di un composto, tanto maggiore diventa il numero del possibili isomeri. Il fenomeno per cui due o più composti che hanno la stessa formula molecolare presentano diversa struttura si chiama isomeria strutturale DI CATENA (STRUTTURA) i STESSO NUMERO DI C, DISPOSIZIONE DIPPERENTE H catena linewie 19 4 77 4-C-C-C-C-C-H T H H H H H 4- picchi ministerial: ISOMERIA COSTITUZIONALE (DI STRUTTURA) DI POSIZIONE STESSA CATENA MA DIVERSA POSIZIONE DI SOSTITUENTI O GRUPPI FUNZIONALI REAZIONE CHIMICA C5 H₁₂ H c-c-C-H It catene ramificata CH₂CL-CH₂ - CH₂ - CH₂2₂ CH₂CH₂CL-CH₂-CH₂ ^) REAZIONE CHIMICA C₁ HgCl DI GRUPPO FUNZIONALE/ DI FUNZIONE DIVERSA DISPOSIZIONE CHE IMPLICA DIVERSI GRUPPI PUNZIONALI H H 4-C-C-0-H HH H-C fo-C-HL ETERE A etanolo-> ALCOL REAZIONE CHIMICA •dimetiletere C₂H₂O Il fenomeno per cui due o più elementi che hanno la stessa formula molecolare presentano una diversa orientazione nello spazio si chiama stereoisomeria. Esiste l'isomeria geometrica e l'isomeria ottica ISOMERIA OTTICA > per comprendere questo tipo di isomeria facciamo prima riferimento al concetto di Dunque se due molecole sono l'una l'immagine speculare dell'altra e non sono sovrapponibili, costituiscono una coppia di isomeri ottici o enantiomeri. Chiralità-> Si definisce chirale una struttura o molecole che assomiglia ad una mano. La sua immagine speculare non è identica, non è sovrapponibile. Supponendo però di mettere le mie mani su un tavolo, poggio le mani o tutte e due palmo o tutte e due dorso. Una volta poggiate le traslo una sull'altra, non sono sovrapponibili. Avendo un atomo di carbonio legato a quattro gruppi atomici tutti diversi fra loro, quell'atomo di carbonio è un centro chirale. Affinché vi sia dunque isomeria ottica è necessario che vi sia un ATOMO CHIRALE O ASIMMETRICO, ovvero legato a quattro sostituenti diversi, e la molecola può così esistere in due forme diverse enantiomeriche. Gli enantiomeri: > Hanno identiche proprietà fisico-chimiche, ma reagiscono in modo diverso con altre molecole chirali e sono otticamente attivi cioè fanno ruotare il piano di un raggio di luce piano-polarizzata in versi opposti. Nella luce piano-polarizzata, le onde si propagano vibrando in un solo piano; quando la luce polarizzata passa attraverso una soluzione che contiene molecole otticamente attive, il piano di polarizzazione ruota di un certo angolo. Le soluzioni di due enantiomeri, alla stessa concentrazione, provocano rotazioni uguali, ma opposte. ENANTIOMERO + ruota il piano della luce polarizzata in senso orario ENANTIOMERO - ruota il piano della luce polarizzata in senso antiorario LA NOMENCLATURA DEI COMPOSTI ORGANICI All'inizio della chimica organica i composti venivano chiamati con un nome d'uso che in molti casi richiamava l'origine del composto (metanolo-alcol di legno) Ci fu l'esigenza nel 1892 da parte della IUPAC di stabilire una nomenclatura sistematica che seguisse delle regole: Per ricavare il nome sistematico dei composti organici, è necessario conoscere i grupp alchilici più comuni. >Togliendo un atomo di idrogeno da un alcano si ottiene un gruppo alchilico. Formula CH,- CH,CH₂- CH,CH,CH- propile CH,CHỊCH,CH, butile CH (CH),CH₂- CH,(CH) CH₂- Nome metile etile CH(CH) CH- CH,(CH) CH- CH (CH),CH₂- CH,(CH) CH- pentile esile eptile ottile nonile decile Formula CH, CH,CH- CH, CH,CHCH,- CH, CH,CH,CH- CH,C CH, Nome isopropile isobutile ser-butile (butile secondario) terz-butile (butile terziario) ALCANI-> CnHentz G. ALCHILICO-> CnH₂n+1 Regole per la nomenclatura degli alcani: 1. Individuare la catena continua di atomi di carbonio(che ci dà il nome di base della molecola, ci dice se è un esano, eptano ecc... COME SCEGLIERE LA CATENA? - Se vi sono due o più catene lunghe uguali si sceglie quella con più sostituenti (più gruppi alchilici) 2. Numerare gli atomi di carbonio a partire dall'estremità più vicina ad un sostituente 3. Dare il nome ad ogni gruppo alchilico e lo si fa precedere, separato da un trattino, dal numero assegnato al carbonio a cui il gruppo alchilico è legato; 4. Se la molecola contiene lo stesso sostituente in più posizioni, si fa precedere il nome del gruppo da un prefisso (di, tri, tetra- e così via) che ne specifica la quantità. I numeri corrispondenti alle posizioni dei gruppi alchilici vengono scritti prima del nome del sostituente, separati da una virgola e seguiti da un trattino (per esempio 2,3- dimetil). 5. Si assegna il nome all'alcano, elencando tutti i sostituenti in ordine alfabetico (clascuno preceduto dal proprio numero); per esempio, "et" precede "met" in 3-etil-4- metilottano. I prefissi di, tri- non entrano nell'ordine alfabetico (etil precede dimetil). Vedi esercizi pg 16-18 Il nome dei cicloalcani si ottiene aggiungendo il prefisso ciclo- al nome dell'alca-no corrispondente. Se ha sostituenti, la numerazione degli atomi di carbonio dell'a nello procede in senso orario o antiorario in modo che sia la più piccola possibile ·APOLARI CnHen Gli alcheni contengono un doppio legame fra atomi di carbonio adiacenti, ibridazione sp2 Cn M₂n-2 IDROCARBURI INSATURI-ALCHENI IDROCARBURI INSATURI-ALCHINI Gli alchini contengono un triplo legame, ibridazione sp Alcheni Formula etene CH₂=CH₂ CH₂CH=CH₂ propene CH₂CH₂CH=CH₂ 1-butene CH₂CH=CHCH 2-butene Nome IUPAC Alchini Formula Nome IUPAC CH=CH etino CH,C=CH propino CH,CH,C CH 1-butino CH₂C=CCH 2-butino NOMENCLATURA ALCHENI E ALCHINI Le uniche differenze con la nomenclatura degli alcani è sostanzialmente il suffisso, che invece di essere -ano è -ene (alcheni) o -ino (alchino). La presenza di doppi e tripli legami implica che la numerazione della catena di carbonio parta dall'estremità più vicina al doppio o triplo legame. Inoltre si numera la posizione del doppio o triplo legame mettendo come numero il più piccolo(vedi esempio), 15 3 CH₂ CH₂ CH=CH₂ 1-butene 532 CH₂ CH₂ CECH 1-butino ISOMERIA GEOMETRICA DEGLI ALCHENI In base a come sono posizionati i sostituenti rispetto al doppio legame costituiscono una coppia di isomeri geometrici CH H cis CH, H H CH trans -CH₂ H Nella formula a sinistra, i due gruppi CH, sono dalla stessa parte rispetto alla linea del doppio legame, mentre nella formula a destra si trovano da parti opposte L'isomero con i due sostituenti dalla stessa parte rispetto al doppio legame è detto cis-2- butene, l'altro è il trans-2-butene IL BENZENE FAMIGLIA DEGLI IDROCARBURI INSATURI AROMATICI Il benzene e tutte le sostanze con proprietà e struttura simili appartengono alla famiglia dei composti aromatici. È una molecola molto particolare e importante: 1825-> la molecola viene isolata per la prima volta da Faraday, determinata poi la sua formula molecolare C6H6 A Trovare una formula di struttura compatibile con le proprietà fu difficile: 1865-> Kekulé avanza l'ipotesi che la molecola formasse un anello esagonale con tre doppi legami CC Apparirebbe così come una molecola simile ad alcheni ed alchini. Ma le reazioni caratteristiche del benzene sono reazioni di sostituzione, in cui un atomo di idrogeno viene sostituito da un altro atomo o gruppo di atomi. Oggi possiamo spiegare le proprietà chimiche e fisiche del benzene e degli altri composti aromatici in due modi: secondo la teoria della risonanza, la molecola di benzene è un, ibrido di risonanza, delle due strutture di Kekulè quando c'è risonanza chimica avremo più strutture per una stessa molecola, nessuna delle quali rappresenta la vera molecola. La molecola reale è detta ibrido di risonanza che è appunto un ibrido delle varie forme secondo la teoria degli orbitali molecolari la struttura del benzene è invece rappresentata dalla struttura a esagono. B Il cerchio interno all'esagono indica che tutti i legami carbonio-carbonio sono tra loro equivalenti e hanno caratteristiche intermedie a quelle del legami semplici e doppi Per semplicità, nelle strutture a esagono non sono riportati gli atomi di idrogeno I DERIVATI DEGLI IDROCARBURI: I GRUPPI FUNZIONALI I composti che possono essere sintetizzati a partire dagli idrocarburi(alcani, alcheni, alchini) sono detti derivati degli idrocarburi. Ciò vuol dire che agli idrocarburi che abbiamo studiato vengono aggiunti degli atomi o gruppi atomici(AL POSTO DI UN IDROGENO), e a parità di gruppo atomico avremo delle molecole simili che costituiscono delle classi di composti. IDROCARBURO (RESIDUO ALITATICO) Gli atomi o i gruppi atomici che caratterizzano ciascuna classe di composti organici sono detti gruppi funzionali. R-₁ G₁ Gli alogenuri alchilici si utilizzano: -come solventi industriali -per creare tessuti impermeabili -come anestetici GRUPPO FUNZIONALC 1.GLI ALOGENURI ALCHILICI R-X Gli alcani reagiscono con gli alogeni (in presenza di luce ultravioletta) per produrre alogenuri alchilici. II gruppo funzionale di questi composti è -X, dove X rappresenta un alogeno, ossia un elemento del settimo gruppo della tavola periodica (Cloro, Bromo, lodio) Nomenclatura-> In base alle regole IUPAC, i nomi degli alogenuri alchilici si ricavano da quelli degli alcani. Considerando ciascun atomo di alogeno come un sosutuente e quindi aggiungendo il suo nome come prefisso a quello dell'alcano CH₂ A CLOROMETANO Da questi derivano i clorofluorocarburi (CFC) e gli idrofluorocarburi(HFC) 2.GLI ALCOLI R-OH Gli alcoli sono composti organici che contengono un gruppo ossidrile (-OH) legato in modo covalente a un atomo di carbonio. Sottolineiamo il legame covalente perché altrimenti potremmo confondere questa classe di composti con gli idrossidi metallici(NaOH), ma è bene sapere che hanno proprietà chimiche totalmente differenti. Gli alcoli sono classificati come primari, secondari o terziari: -PRIMARI, se l'atomo di carbonio a cui è legato -OH è legato ad un atomo di carbonio -SECONDARI se l'atomo di carbonio a cui è legato -OH è legato a due atomi di carbonio -TERZIARI se l'atomo di carbonio a cui è legato -OH è legato a tre atomi di carbonio H R-C-OH H alcol primario R₁ R-C-OH H alcol secondario R-C-OH alcol terziario Le strutture molecolari con più OH legati a un solo atomo di carbonio non sono stabili. Vi sono molecole che hanno più gruppi OH in una molecola legati ad atomi di carbonio differenti, generalmente vengono detti polialcoli e poi classificati in dioli(due gruppi OH) e trioli(tre gruppi OH) Nomenclatura-> Il nome IUPAC si ottiene applicando lo schema: 1. Si individua la più lunga catena di atomi di carbonio. 2. Si numerano gli atomi di carbonio della catena in modo che quello legato al gruppo - OH abbia il numero più piccoli possibile 3. Si individua il nome dell'alcano corrispondente e si sostituisce alla lettera finale "o" (metan-o-) con il suffisso -olo. Se esistono isomeri della molecola, si specifica la posizione del gruppo -OH anteponendo al suo nome il numero dell'atomo di carbonio a cui è legato OH. 4. Si assegna il nome a ciascun sostituente (catena laterale alchilica o altro gruppo funzionale) e si specifica la sua posizione con un numero; i nomi dei sostituenti precedono quello dell'alcol. 2.1 I FENOLI I fenoli sono derivati del benzene in cui uno o più gruppi -OH sono direttamente legati a un carbonio dell'anello aromatico. Hanno spesso nomi comuni; gli isomeri con due gruppi -OH sull'anello sono noti come catecolo, resorciolo e idrochinone. OH OH 1,2-diidrossibenzene (catecolo) OH OH 1,3-diidrossibenzene (resorcinolo) Xper capire quale sia la catena più corta conta gli atomi di carbonio vicino al gruppo -O- OH OH 1,4-diidrossibenzene (idrochinone) Il fenolo, è un solido di colore bianco molto diffuso in natura e alcuni sono responsabili degli aromi di alcune piante. 3.ETERI R-O-R La formula generale degli eteri è ROR' I gruppi Re R' possono essere uguali o diversi fra loro, e possono derivare da idrocarburi alifatici o aromatici. Nomenclatura-> I nomi comuni degli eteri si formano disponendo in ordine altabetico i nomi dei gruppi legati all'atomo di ossigeno, seguiti dalla parola etere. CH,0–CH, metil etere metil dimetil etere Per la nomenclatura IUPAC: 1. si identifica la più lunga catena continua di atomi di carbonio e si assegna il nome al corrispondente alcano; 2. Si forma il nome del sostituente alcossilico(RO-) sosutuendo -ossi al suflisso -ile del gruppo alchilico più corto (metile-metossi) 3. Infine si forma il nome dell'etere unendo il nome del sostituente alcossi al nome dell'alcano. CH,-O-CHÍCH, Questo è il sostituente alcossi; si modifica il nome in metossie si combina con etano per ottenere il nome IUPA dell'etere: metossietan Questa è la più lunga catena carbonio- carbonio, perciò il composto è un derivato dell'etano. Gli eteri sono utilizzati soprattutto come solventi in quanto scarsamente reattivi, o anche come anestetico (DIETILETERE) ISOMERIA ALCOLI-ETERI La formula molecolare dell'etanolo e del dimetil etere è la stessa: CH₂CH₂OH etanolo HH TI H-C-C-OH II HH CH,-O-CH, dimetil etere H H H-C-0-C-H I I H H Ma chiaramente hanno proprietà fisico-chimiche totalmente differenti, esemplare è la differenza tra i punti d'ebollizione, molto alto per l'alcol, molto basso per l'etere (infatti l'alcol forma legami ad idrogeno intermolecolari difficili da distruggere)