Chimica organica

Didascalia alternativa:

o eventuali gruppi atomici diversi dall'H 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 1 C = C H - ce ce' - isomeria ottica: tipica degli alchini; un isomero è identico alla sua immagine speculare [chirali; 2 chirali = racemo] CH 3 ce 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 н-С I H Br + OH Но H 1 с 1 H H + Br - 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. Sp3 Idrocarburi insaturi - costituiti da catene di atomi C contenenti legami multipli. almeno 2 C ibridati sp² almeno 2C ibridati sp ALCANI ALCHENI ALCH - INI alcani CH₂ : in 3D e un TETRAGONO C3H8: HIC-H 1 H H H I H HICI н-с -c- CH₂ H₂C-CH₂ ciclopropano Н H H I T H CnH2n+2 METANO La catena lineare di carbonio ha, in realtà, un andamento a zig-zag: H PROPANO H₂C- -CH₂ T H₂C-CH₂ ciclobutano H₂C CH₂ C₂H6: CH₂ H H₂C-CH₂ ciclopentano H H H C4 H ₁0 H₂C H₂C HIC 1 H H H H A temperatura ambiente: - metano, etano, propano, butano -> gassosi - dal pentano a C₁5 H32-> liquidi - - ≥ C₁6H34—> solidi H CH₂ cicloesano - CH₂ I CH₂ H с T I H H I - I energia di legame debole H HIC-H - molecole fortemente apolari: si sciolgono solo in altre molecole apolari o idrocarburi - hanno densità minore di quella dell'acqua -> galleggiano ETANO •C-C-C 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 n > 2 CH₂ ↓ ciclometano e cicloetano H H HICIH н н H I - C - H - H BUTANO 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 | CH- | CH3 isopropile CH3-CH₂-CH- | CH3 REAZIONE DI COMBUSTIONE alcano + Ог sec-butile CO₂ + H₂O (+ energia) esempio: CH4 + 20₂ CO₂ + 2H₂O 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 Serie, 3.0 REAZIONE DI ALOGENAZIONE Gli alogeni in grado di combinarsi con gli alcani, sono il CLORO e il BROMO esempio: CH4 + Ce ₂ СН3 се + нсе CH3-C- H CH3 CH3 1 ter-butile 1 dimetil ennano esempio: I - C 2 I I I I - C. 1 I | -c- 1 H H-C-H+Cl-Cl → H-C-Cl + H-Cl T H #far H - I I -C8- gruppo merilico I C₂ - I Co-¢- gruppo erilico 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 синги Idrocarburi insaturi che presentano un doppio legame tra atomi di C che hanno ibridazione sp² ETENE / ETILENE C₂H4 C3H6 C4H8 : : PROPENE : BUTENE 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. 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-. 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. suffisso -ene suffisso -ino NOMENCLATURA ALCHENI/ ALCHINI 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 C₂H4 + 0₂ → H2O + CO2 се alchini Cn H 2n-2 Idrocarburi insaturi che presentano un triplo legame tra atomi di C che hanno ibridazione sp REAZIONE DI ADDIZIONE C₂ H₂ : 2 ETINO/ACETILENE C3 H4 C4 H 6: H HIつ! : HIJIH PROPINO ć - ce BUTINO Quando nella catena ci sono due o più legami multipli, ai suffissi -ene e -ino si antenne il prefisso di-, tri-,... н 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. C₂H4 + H₂ → C₂H6 ETANO 5 instabile, tende a diventare l'alcano corrispondence l'ibridazione passa da sp² a sp³ C raggiunge stabilità C₂H4 + ce₂ : radicali insaturi importanti: CH₂=CH- vinile CH₂=CH-CH₂- allile CH3 CH₂=C- isopropenile IDROCARBURI AROMATICI Benzene - H, 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 H XX-XX C H H H H La nube elettronica racchiude i sei elettroni π condivisi dai sei atomi di carbonio dell'anello benzenico. H H Il primo sostituente (Y) viene sempre disposto sul carbonio-1. 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 benzene H orto 6 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 4 para H H H 2 orto H 3 meta H toluene metie benzene H H PROPRIETA CHIMICO-FISICHE Molecola apolare, ma se si sostituisce un qualsiasi atomo di H con un radicale, può diventare solubile. 6 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 5 H H CH3 stirene 2 C 3 La struttura vera è una sola, però, intermedia tra le due. C. H C * il C. H CH3 o-xilene (1,2-dimetilbenzene) C H CH3 CH3 CH cumene poliestirene H TRINITRO TOLUENE naftalene CH3 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 C он | H ETANOLO H 1 HIS-H н Secondo la nomenclatura, il nome di un alcol si ricava sostituendo l'ultima vocale del corrispondente idrocarburo, con il suffisso -olo. 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. Se su uno stesso scheletro molecolare sono inseriti due, tre o più gruppi alcolici, il suffisso diventa -diolo, -triolo,... с O I ALCOL ETILICO: HIP-H н R-CH₂-OH OH alcol primario R₁₂ PROPANOLO : R" CH-OH alcol secondario BUTANOLO: H H H H I 1 1 н-с с C - OH H - C 1 I H H HIつ! H с R' R'-C-OH R" H 1 с alcol terziario H | с I 1 1 H H H - он 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 OH di idrossi, ortofenolo Timolo (disinfettante presente nei collutori) e paracetamolo sono derivati del fenolo. ETERI R-O-R Eteri - contengono un atomo di ossigeno ma, a differenza di alcoli e fenoli, lega due gruppi alchilici o arilici. Secondo la nomenclatura, si premettono alla parola etere i nomi, in ordine alfabetico, dei due raggruppamenti legati all'ossigeno. H-O-H acqua OH OH OH OH & & ģ OH OH idrochinone CH3 paracresolo pirocatecolo resorcina fenolo (idrossibenzene) (2-idrossifenolo) (3-idrossifenolo) (4-idrossifenolo) (4-metilfenolo) CH3-O-H alcol metilico (metanolo) OH Alcoli, fenoli e eteri possono essere immaginati come derivati dell'acqua per sostituzione di atomi di idrogeno con uno o due gruppi alchilici. EN=2.10 H - C EN = 2.55 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 - all'aumentare degli atomi di carbonio, la solubilità diminuisce (il metanolo è solubile, ma dal butanolo in poi, si hanno molecole non solubili) carica parziale di C O CH3-O-CH3 In base all'uomo a cui deve legarsi, assume una carica parziale positiva o negativa. acido metanoico : O EN = 3.44 dimetiletere H OH CH3CH₂-O-CH3 etilmetiletere + 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 нн H I 1 | H-C-C- -C OH HIGIH REAZIONE DI COMBUSTIONE - с н ннн R HIつIH H с H|つIH - H I с I H H C=O - H₂SO4 T° OH catena + 60₂ acido debole ↑ alcol + acido forte ALDEIDI E CHETONI all'inizio della carbonile propene H REAZIONE DI OSSIDAZIONE Gli alcoli primari si ossidano in acidi carbossilici: Quelli secondari sono invece ossidati a chetoni. alchene corrispondente = C- C=0 HIC-H с al centro della catena 5 H2O +4 CO2 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. | H → sale + acqua I + H–CHO + H₂O н acqua HIP-H metanale (formaldeide) HICI - с с Aldeidi e chetoni hanno in comune la presenza del carbonile, ma il numero di radicali cambia. C è 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. 20 он CH3–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 Il gruppo carbossilico è la "fusione del gruppo carbonile e del gruppo ossidrile. NOMENCLATURA H-COOH acido metanoico (acido formico) puo' essere visto come aldeide H OH 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. CH3COOH acido etanoico (acido acetico) 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. REAZIONI DI CONDENSAZIONE ACIDO CARBOSSILICO + ACIDO FORTE 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 ACIDO CARBOSSILICO + ACIDO CARBOSSILICO ACIDO CARBOSSILICO + ALCOL carbonile - acidi carbossilici —> acidi deboli L'acidità varia a seconda della presenza dei gruppi presenti nella molecola, come gli alogenuri (influenzano pH e polarità). ACIDO CARBOSSILICO + NH3 O-H ossidrile CH3CH₂COOH acido propanoico (acido propionico) ESTERE AMMIDE CH3-C ALOGENURO ACILICO ANIDRIDE 0=J affinita con i chetoni: chetone con ReR O CH₁ CHCI-CH₂COOH acido 3-clorobutanoico (acido ß-clorobutirrico) 11 R O 11 R-C-OR 0: HCOOH CH3-CH=CH-CH=CH-COOH O-H CH3(CH₂)7CH=CH(CH₂)7COOH CH3COOH CH3CH₂COOH dimero dell'acido acetico CH3CH₂CH₂COOH R-C-NH₂ OH R' R 0=U 1 ·H—Ö C-CH3 - X 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) .- i -.-i-. R- ·R SAPONI acido carbossilico + base forte -> sale + acqua Il sale di un acido grasso è il sapone, dato da una reazione di alogenazione: -- - C CARATTERISTICHE Sali di sodio/potassio degli acidi grassi a catena lunga O OH ac. carb. a catena lunga + NaOH/KOH base forte --... ONa SAPONE + H₂O - 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 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 Nat, quindi, non a sono più loni (a 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 O-R' acido alcol H+, calore i 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 .. metilammina R-NH-R' ammina secondaria R-N-R' R" ammina terziaria dietilammina GRUPPO AMMINICO azoto ibridato sp3² 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 CH3—N—CH3 C₂H5 etildimetilammina -NH₂ - Un amminoacido può essere visto come ammina: H **-4-2 H OH 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. 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. In base a meccanismi di polimerizzazione: polimeri di addizione: i monomeri si aggiungono per addizione es: polietilene 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