Chimica organica

Didascalia alternativa:

CH 3 2. Stereoisomeria - isomeria geometrica: tipica degli alcheni; il doppio legame impedisce la rotazione dei gruppi, quindi gli atomi C devono essere legati a gruppi diversi Gli isomen geom. hanno # polarità e solitamente uno e più stabile dell'altro. oppure CIS CH3 CH = CH - - TRANS H ce H се' H C=C ce - isomeria ottica: tipica degli alchini; un isomero è identico alla sua immagine speculare [chirali; 2 chirali = racemo] CH 3 ce H Tra la fine dell'800 e l'inizio del 900 non c'era distinzione tra chimica organica e inorganica, ma poi ci si è resi conto che gran parte degli esseri viventi hanno in comune CARBONIO, IDROGENO, OSSIGENO, AZOTO e ZOLFO. PROPRIETA FISICHE DEI COMPOSTI ORGANICI Nei composti organici i legami sono in genere debolmente polari e questo porta all'installazione di interazioni tra molecole deboli (dipolo - dipolo) i punti di fusione/ebollizione sono generalmente bassi, anche se aumentano all'allungarsi della catena carboniosa e all'aumentare della massa molecolare la solubilità è determinata dalla polarità della struttura; viene conferita da presenza di gruppi ionizzati o atomi fortemente elettronegativi (N, O, CI, F) REAZIONI CHIMICHE reazioni di ossidazione: atomo di C si lega a un atomo di O o aumenta il numero di legami con esso o diminuisce il numero di H - reazioni di riduzione: atomo di C forma nuovi legami con H - reazioni di sostituzione: sostituzione di atomi della molecola con atomi di un'altra A + BC -> B + AC Partecipano tipicamente gli alogeni e il gruppo ossidrile OH. Avviene la sostituzione solo se la catena carboniosa è satura. esempio: H I HC - Br I H + OH HO- H I C-H + Br H - reazioni di addizione: due molecole si combinano per formarne una sola, e permettono a una di raggiungere la stabilità Radicale - una qualsiasi specie chimica costituita da un atomo o gruppi di atomi che presenta un elettrone spaiato, che la rende instabile e quindi molto reattivo. IDROCARBURI - composti binari formati da CeH Idrocarburi saturi - costituiti da catene di atomi di C uniti soltanto da legami semplici. ALCANI Idrocarburi insaturi - costituiti da catene di atomi C contenenti legami multipli. almeno 2 C ibridari sp² almeno 2C ibridati sp ALCHENI ALCHINI alcani H I HIC-H 1 H CH4 : in 3D e un TETRAGONO C3H8: 3 SP³ H H H T I 1 H-C-C- C - H 1 1 1 H H H METANO CH₂ H₂C-CH₂ ciclopropano CnHent2 La catena lineare di carbonio ha, in realtà, un andamento a zig-zag: PROPANO H₂C-CH₂ H₂C-CH₂ ciclobutano H₂C CH₂ C₂H6 CH₂ H H₂C-CH₂ ciclopentano H C4 H ₁0 H C 1 HIC 1 H H₂C T H₂C, H H molecole fortemente apolari: si sciolgono solo in altre molecole apolari o idrocarburi - hanno densità minore di quella dell'acqua -> galleggiano A temperatura ambiente: - metano, etano, propano, butano -> gassosi - dal pentano a C₁5 H32-> liquidi > C₁6H34- solidi ciclo alcani A partire dal propano, è possibile chiudere ad anello la catena di atomi di carbonio. La chiusura a catena comporta la perdita di 2 atomi di H -> Cn H ₂n CH₂ CH₂ cicloesano CIH 1 H CH₂ T CH₂ energia di legame debole ETANO H HH H H H-C-C-C-C-H I H H H BUTANO , n > 2 ↓ ciclometano e ciclo etano PROPRIETA CHIMICO-FISICHE degli idrocarburi SATURI La temperatura di fusione/liquefazione ed ebollizione degli alcani a catena lineare aumentano con l'aumentare degli atomi di C. ALCANI Se la catena dell'idrocarburo è lineare, si a tempo e al nome n-... NOMENCLATURA 1. Individuare la catena più lunga di atomi di idrogeno e riconoscere i radicali [I radicali si trovano per allontanamento di un atomo di H dall'alcano corrispondente e il loro nome si ottiene sostituendo il suffisso -ano con -ile] CH3 T CH- I CH3 isopropile - CH3-CH₂-CH- T CH3 sec-butile 2. Numerare gli atomi della catena principale in modo da attribuire il numero più basso possibile agli atomi di carbonio legati ai radicali 3. Scrivere il nome seguendo le regole della punteggiatura: - seguire l'ordine alfabetico utilizzare il trattino per separare il numero di carbonio dal nome del radicale a cui è legato - utilizzare la virgola per separare i vari numeri REAZIONE DI COMBUSTIONE alcano + 0₂ - CO₂ + H₂O (+ energia) esempio: CH4 + 20₂ CO₂ + 2H₂O REAZIONE DI ALOGENAZIONE Gli alogeni in grado di combinarsi con gli alcani, sono il CLORO e il BROMO esempio: CH 4 + Ce ₂ CH₂ Ce + Hce CH3 T CH₂-C- H CH3 ter-butile Serie, 36- dimetil ennano H I esempio: I I H H-C-H+Cl-Cl → H-C-Cl + H-Cl H I ·C₂- gruppo merilico gruppo ecilico Il petrolio è una miscela eterogenea di sostanze organiche (solide, liquide, gassose), per lo più, idrocarburi. La composizione del petrolio deriva dalle lente trasformazioni subite nelle ere geologiche. Una volta estratto, il petrolio viene portato nelle raffinerie, dove viene separato nei suoi derivati principali: benzina, nafta, cherosene, gasolio, bitumi,... Per separare i componenti dal miscuglio, si utilizza il metodo della distillazione frazionata, secondo cicli successivi di evaporazione-condensazione. La prima componente ad essere raccolta, è quella solida degli asfalti; l'ultima, quella gassosa del metano. alcheni CnH₂n Idrocarburi insaturi che presentano un doppio legame tra atomi di C che hanno ibridazione sp² C₂H4: ETENE/ETILENE C3H6 PROPENE C4H8 : BUTENE alchini CnH2n-2 Idrocarburi insaturi che presentano un triplo legame tra atomi di C che hanno ibridazione sp ETINO/ACETILENE A partire dal butano/butino gli alcheni/alchini presentano il fenomeno dell'isomeria di posizione. Gli alcheni possono anche dare origine a stereoisomeri cis- e trans-. C₂ H₂ : C3 H4: C4 H6: BUTINO suffisso -ene suffisso -ino NOMENCLATURA ALCHENI/ ALCHINI Le regole per assegnare il nome a un idrocarburo insaturo sono le seguenti. 1. Individuare la catena di atomi di carbonio più lunga che, possibilmente, con- tenga tutte le insaturazioni presenti. 2. Numerarla in modo da attribuire il numero più basso possibile ai doppi e ai tripli legami (i doppi risultano prioritari). Nel numerare la catena è più impor- tante la posizione del doppio legame che quella dei sostituenti. 3. Nominare la catena principale indicando il numero di atomi di carbonio e so- stituendo -ano con -ene o -ino; il nome deve essere preceduto dal numero più basso del carbonio tra i due coinvolti nel legame doppio o triplo. 4. Se sono presenti delle ramificazioni, si procede come per gli alcani. REAZIONE DI COMBUSTIONE C₂ H4 +02H₂O + CO₂ REAZIONE DI ADDIZIONE PROPINO C₂H4 + ce₂ : H H I I ce- c- c- ce C₂H4+H₂ C₂H6 ETANO instabile, tende a diventare l'alcano corrispondente l'ibridazione passa da sp² a sp³ → H H radicali insaturi importanti: CH₂=CH- vinile Quando nella catena ci sono due o più legami multipli, ai suffissi -ene e -ino si antenne il prefisso di-, tri-,... Il nome di una ramificazione in cui compare un'insaturazione termina in -enil o -inil a seconda che si tratti di un doppio o triplo legame. CH₂=CH-CH₂- allile CH3 C raggiunge stabilita CH₂=C- isopropenile IDROCARBURI AROMATICI Benzene - CH, molecola chiusa con 3 doppi legami alternati, altamente insatura; si comporta come un composto saturo e dà reazioni di sostituzione. La sua struttura è esagonale planare, ma sono possibili due diverse disposizioni. Per questo, secondo la teoria della risonanza, il benzene è un ibrido tra due forme limite: H H La nube elettronica racchiude i sei elettroni condivisi dai sei atomi di carbonio dell'anello benzenico. H C H H- Il primo sostituente (Y) viene sempre disposto sul carbonio-1. H H - orto 6 benzene DERIVATI DEL BENZENE Quando due degli atomi di H dell'anello aromatico sono sostituiti, si formano isomeri diversi in base alla posizione che assumono: meta 5 La teoria degli orbitali molecolari ammette l'esistenza di una sola struttura del benzene: i 6 orbitali atomici psi sommano in un unico orbitale, andando a creare due nuvole elettroniche all'interno delle quali i 6 elettroni possono spostarsi liberamente. H H Y 4 para H H 12 orto -H 3 meta H H toluene mecie benzene PROPRIETA CHIMICO- FISICHE Molecola apolare, ma se si sostituisce un qualsiasi atomo di H con un radicale, può diventare solubile. Il benzene è una molecola tossica, non prodotta in natura; è un potentissimo cancerogeno che può anche modificare il DNA, spostando le basi azotate. Si può produrre dalla combustione di legna e derivati, tabacco,... (dinamite) CH3 CH₂=CH H H CH3 stirene La struttura vera è una sola, però, intermedia tra le due. H H CH3 CH₁, CH3 CH o-xilene (1,2-dimetilbenzene) cumene poliestirene H H = CH3 TRINITRO TOLUENE naftalene CH3 m-xilene (1,3-dimetilbenzene) antracene CH3 CH3 p-xilene (1,4-dimetilbenzene) ALOGENODERIVATI Alogenoderivati - si ottengono per sostituzione di uno o più atomi di H di un idrocarburo con altrettanti atomi di alogeno. Si possono ottenere composti con differenti caratteristiche, addizionando o sostituendo dei radicali all'idrogeno. Per esempio, la molecola diventa polare (solubile) o apolare (non solubile) in base all'elettronegatività dei radicali. Le categorie di alogenoderivati più conosciute sono: - i pesticidi come il DDT, usato in agricoltura ma noto per la sua tossicità - i clorofluorocarburi (CFC), che hanno effetti collaterali sull'ozono - il polivinilcloruro (PVC), la cui combustione rilascia una serie di composti tossici come il cloruro di vinile, la diossina e l'acido cloridrico ALCOLI Si ottengono sostituendo uno degli atomi di H di un idrocarburo con il gruppo ossidrile -OH. Si distinguono in: In base alla presenza di eventuali radicali. METANOLO O ALCOL METILICO: H I H-C- OH I H ETANOLO O ALCOL ETILICO : H I H-C- C - OH R-CH₂-OH Secondo la nomenclatura, il nome di un alcol si ricava sostituendo l'ultima vocale del corrispondente idrocarburo, con il suffisso -olo. H alcol primario Si sceglie come struttura di base la catena più lunga di atomi di carbonio che contiene il gruppo -OH. La numerazione della catena deve essere tale da attribuire il numero più basso possibile al carbonio che lega l'ossidrile. H H Se su uno stesso scheletro molecolare sono inseriti due, tre o più gruppi alcolici, il suffisso diventa -diolo, -triolo,... H I PROPANOLO : R₁ R" H H 1 CH-OH H-C-C- C - OH I I 1 H H H alcol secondario R' R'-C-OH T R" BUTANOLO : alcol terziario H I H 1 H 1 H-C- C - C - C - OH I I 1 H H H H H Metanolo - sostanza altamente tossica [ne bastano 30ml per provocare la morte di un uomo]. Etanolo costituente essenziale delle bevande alcoliche. Glicol etilenico (1,2 etandiolo) - utilizzato come liquido di raffreddamento dei motori perchè abbassa la temperatura di congelamento dell'acqua. Glicerina - cosmesi; nitroglicerina come esplosivo. FENOLI Fenoli - hanno l'ossidrile legato direttamente al carbonio dell'anello aromatico; per questo, hanno caratteristiche chimiche diverse dagli alcoli. Secondo la nomenclatura, i fenoli sono denominati impiegando il termine -fenolo; il gruppo -OH è chiamato -idrossi. OH O OH δ OH fenolo pirocatecolo idrochinone (idrossibenzene) (2-idrossifenolo) (3-idrossifenolo) (4-idrossifenolo) Secondo la nomenclatura, si premettono alla parola etere i nomi, in ordine alfabetico, dei due raggruppamenti legati all'ossigeno. H-O-H acqua OH CH3-0-H alcol metilico (metanolo) OH di idrossi, ortofenolo Timolo (disinfettante presente nei collutori) e paracetamolo sono derivati del fenolo. OH carica parziale parziale di EN=2.10 H ETERI R-O-R Eteri - contengono un atomo di ossigeno ma, a differenza di alcoli e fenoli, lega due gruppi alchilici o arilici. EN = 2.55 OH resorcina O-H Alcoli, fenoli e eteri possono essere immaginati come derivati dell'acqua per sostituzione di atomi di idrogeno con uno o due gruppi alchilici. OH OH di C PROPRIETA CHIMICO-FISICHE DI FENOLI E ALCOLI - a parità di massa molecolare, gli alcoli e i fenoli hanno punti di ebollizione più elevati degli idrocarburi CH3CH₂-O-CH3 etilmetiletere all'aumentare degli atomi di carbonio, la solubilità diminuisce (il metanolo è solubile, ma dal butanolo in poi, si hanno molecole non solubili) CH₁ paracresolo (4-metilfenolo) .. CH3-0-CH3 + OH dimetiletere In base all'uomo a cui deve legarsi, assume una carica parziale positiva o negativa. audo metanoico: EN = 3.44 - In questo caso: nei confronti dell'ossigeno nei confronti dell'idrogeno ACIDITA Gli alcoli sono acidi molto deboli, mentre i fenoli sono più acidi degli alcoli. REAZIONI DI ALCOLI E FENOLI Gli alcoli non si comportano soltanto da acidi deboli. A causa della maggiore elettronegatività dell' atomo di ossigeno, il carbonio che lega il gruppo OH è parzialmente positivo. REAZIONE DI ALOGENAZIONE REAZIONE DI DISIDRATAZIONE acido propilico HHH HC-C-C- OH HHH REAZIONE DI COMBUSTIONE H H H H I 1 H-C-C-C-C - OH I I I I H H H H H₂SO4 T° H + 60₂ catena carbonile H R H R acido debole ↑ alcol + acido forte REAZIONE DI OSSIDAZIONE Gli alcoli primari si ossidano in acidi carbossilici: Quelli secondari sono invece ossidati a chetoni. propene H I ALDEIDI E CHETONI all'inizio della al centro della catena J alchene corrispondente C = C-C-H T H I C=O 5 H2O + 4 CO2 → sale + acqua Il nome delle aldeidi deriva da quello dell'alcano corrispondente sostituendo alla -o finale, il suffisso -ale; nei chetoni, il suffisso è -one. Se il gruppo è legato a un anello, si aggiunge il suffisso -carbaldeide al nome dell'anello. + acqua H 1 H-C-C-... I I H H H-CHO + H₂O metanale (formaldeide) H I Aldeidi e chetoni hanno in comune la presenza del carbonile, ma il numero di radicali cambia. Cè ibridato sp ² Sono entrambi solubili in acqua, ma con l'allungarsi della catena carboniosa, perdono la solubilità. Aldeidi e chetoni sono presenti in natura come odori e sapori: cannella, menta, formaldeide (o formalina, tossica e cancerogena), acetaldeide (colle viniliche) e acetone. OH CH,—CHO etanale (acetaldeide) CHO benzencarbaldeide (benzaldeide) REAZIONE DI OSSIDAZIONE aldeidi degenerano in acidi carbossilici; chetoni non si ossidano REAZIONE DI RIDUZIONE aldeidi si riducono in alcol primari; chetoni si riducono in alcol secondari ACIDI CARBOSSILICI || gruppo carbossilico è la "fusione del gruppo carbonile e del gruppo ossidrile. H-C O H-COOH acido metanoico (acido formico) puo essere visto come aldeide OH CH3COOH acido etanoico (acido acetico) REAZIONI DI CONDENSAZIONE ACIDO CARBOSSILICO + ACIDO FORTE NOMENCLATURA Il nome degli acidi carbossilici derivano da quello dell'alcano corrispondente a cui si sostituisce alla -o finale, il suffisso -oico e si premette poi il termine acido. La numerazione della catena inizia dal carbonio che lega l'ossidrile. ACIDO CARBOSSILICO + ACIDO CARBOSSILICO ACIDO CARBOSSILICO+ ALCOL с Perchè CH3COOH è debole? Tende a neutralizzarsi da solo: tra due molecole si formano legami a idrogeno (molto forti) che sono difficili da sciogliere se non si aumenta la temperatura. ACIDO CARBOSSILICO + NH 3 O PROPRIETA CHIMICO-FISICHE - solo i primi acidi carbossilici sono solubili in acqua - acidi grassi: diffusi in natura e caratterizzati da una lunga catena carboniosa non ramificata costituita da un numero pari di atomi di carbonio carbonile acidi carbossilici -> acidi deboli L'acidità varia a seconda della presenza dei gruppi presenti nella molecola, come gli alogenuri (influenzano pH e polarità). O-H ossidrile ESTERE AMMIDE CH3CH₂COOH acido propanoico (acido propionico) CH3-C ALOGENURO ACILICO ANIDRIDE 0 = 0 = affinita con i chetoni: O R-C Ö: HCOOH CH3-CHCI-CH₂COOH acido 3-clorobutanoico (acido ß-clorobutirrico) O-H CH₂COOH CH₂CH₂COOH CH3-CH=CH-CH=CH-COOH CH₂(CH₂),CH=CH(CH₂),COOH R-COR' CH₂CH₂CH₂COOH R-C-NH₂ /1 O dimero dell'acido acetico OH 0=J chetone con ReR' 'R' H-O O || R- C - x C-CH3 acido metanoico (acido formico) acido etanoico (acido acetico) acido propanoico (acido propionico) acido butanoico (acido butirrico) acido trans, trans-2,4- esadienoico (ac. sorbico) acido cis-ottadecenoico (acido oleico) O R-CO-C-R SAPONI acido carbossilico + base forte ->sale + acqua Il sale di un acido grasso è il sapone, dato da una reazione di alogenazione: -}- .. Sali di sodio/potassio degli acidi grassi a catena lunga CARATTERISTICHE O ..-C + NaOH/KOH он ac. carb, a catena lunga base forte --... - C 20 - ONa SAPONE - solubili in acqua, dove liberano Na* (polare) e il resto della catena carboniosa (apolare) Quando il sapone si dissocia, gli ioni carbossilato si riuniscono in aggregati sferici (micelle) contentini grasso azione detergente + H₂O SITUAZIONE NON IDEALE : Nell'acqua che scioglie il sapone, è spesso presente il calcare, cioè atomi bivalenti di calcio Ca²+. Lo ione calcio cattura 2 ioni negativi coo del sapone, quindi è necessario aumentare la quantità di sapone per "neutralizzare" l'azione del calcio e, allo stesso tempo, utilizzare l'azione detergente. Dolcificatore dell' acqua → H₂O con CaCO3 le dolcificatore cactura Ca²+ e rilascia Na+, quindi, non a sono più loni Ca ²+ che catturano quelli del sapone, che ha solo azione detergente. Osmotizzatore dell'acqua toglie i sali " ESTERI Quando un acido carbossilico e un alcol vengono riscaldati insieme, si ha la formazione di un estere e acqua (esterificazione). - eccesso di alcol favorisce la formazione dell'estere - aggiunta di acqua favorisce la reazione inversa R-C OH + H÷0¬R' acido alcol H+, calore O || R-C-OR' + H₂O estere acqua AMMINE [utilizzate in ambito biochimico e nei farmaci] Derivano dall'ammoniaca, NH3, per sostituzione dei suoi atomi di idrogeno con 1, 2 o 3 gruppi R, che possono essere uguali o # tra loro. R-NH₂ ammina primaria .. R-NH-R' metilammina ammina secondaria R-N-R' R" ammina terziaria NOMENCLATURA Si indicano in ordine alfabetico i nomi dei gruppi organici legati all'azoto e si aggiunge la desinenza -ammina, se i gruppi sono uguali si usano i prefissi di-, tri-,... CH–NH, C₂H5-NH-C₂H5 Un amminoacido può essere visto come ammina: dietilammina .. CH3-N-CH3 GRUPPO AMMINICO -NH₂ azoto ibridato sp³ C₂H5 etildimetilammina H H In base a meccanismi di polimerizzazione: - polimeri di addizione: i monomeri si aggiungono per addizione es: polietilene N R 11 -c-c I H O PROPRIETA CHIMICO-FISICHE Caratteristica chimica principale, è la basicità, determinata dalla disponibilità del doppietto elettronico libero sull'atomo di azoto. Le ammine sono basi deboli e sono fortemente influenzate dagli sbalzi di temperatura. OH POLIMERI DI SINTESI Il polimero indica una molecola di massa molecolare elevata costituita da unità strutturali, uguali o diverse, che si ripetono concatenandosi. [gomma: polimero naturale che deriva dalla linfa di una pianta soggetta a un processo di vulcanizzazione] Il monomero è una molecola a basso peso molecolare caratterizzata dalla presenza di gruppi funzionali o legami, in grado di legarsi con altre molecole. Affinchè parta la polimerizzazione dell'etilene, serve un iniziatore (In). In questo caso, C passa da ibridazione sp² a sp³ quindi si otterranno polimeri a bassa intensità (le catene che si formano vanno in più direzioni). I catalizzatori di Ziegler-Natta hanno permesso la polarizzazione ad alta intesità. polimeri di condensazione: A + B -> AB + acqua es: PET (polietilentereftalato), TWC (polimetilcloruro), nylon [I materiali plastici hanno caratteristiche chimico-fisiche uniche. Possono avere: forti/ deboli caratteristiche meccaniche oppure forti/deboli caratteristiche elettriche] R