Appunti DI Chimica Organica 2016 2 PDF

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nf CHIMICA ORGANICA La chimica moderna nasce nel XVII secolo. Nel 1806 – Berselieu introduce il termine “chimica organica” e fa una distinzione tra composti organici composti del mondo vivente e non possono essere riprodotti in laboratorio e composti inorganici composti del mondo non vivente 1829 – ...

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nf CHIMICA ORGANICA

La chimica moderna nasce nel XVII secolo. Nel 1806 – Berselieu introduce il termine “chimica organica” e fa una distinzione tra

composti organici

composti del mondo vivente e non possono essere riprodotti in laboratorio

e

composti inorganici

composti del mondo non vivente

1829 – Wohler produce in laboratorio una molecola organica a partire da un composto inorganico. NH4CNO urea Questa molecola è prodotta in laboratorio dall’uomo, ciò dimostra che non può essere ritenuta valida la tesi di Berselieu, che affermava che le molecole organiche, ossia quelle prodotte dal mondo vivente, non potevano essere riprodotte in laboratorio. In seguito a questo vengono date nuove definizioni di composto organico e composto inorganico: Composto organico – composto che contiene sempre il carbonio legato ad altri carboni e ad altri elementi. Un’eccezione è il metano (CH4) che ha un solo carbonio ma è ugualmente un composto organico Composto inorganico – composti dei vari elementi che non contengono carbonio; fanno eccezioni alcuni compostii che pur contenendo il C sono classificati come composti inorganici: CO ; CO2 ; H2CO3 ; HCN; CaCO3 I composti organici sono: 1- Idrocarburi 2- Derivati del petrolio (plastiche farmaci,detersivi, smalti, detergenti, vernici gomme, resine, solventi. ecc.) 3- Molecole biologiche o biomolecole (si trovano solo nei viventi : carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici)

Il carbonio è un elemento molto interessante, le cui caratteristiche hanno permesso la formazione di molecole organiche e, quindi, della vita stessa. I composi organici, sono molto numerosi (oggi sono più di 20 milioni di composti) e ciò è dovuto proprio alla configurazione elettronica del carbonio 1s2 2s2 2p4 , che lo rendono uno degli elementi più versatili tra gli elementi chimici: -

-

Il C può formare 4 legami covalenti forti e stabili, per questo si dice TETRAVALENTE, poichè può fare tutte e tre i tipi di ibridazione sp3 sp2 sp; Il C può formare legami singoli (-C-), doppi (C=C) e tripli (C≡C) Il C può ha una forte tendenza a formare CONCATENAZIONI, cioè lunghe catene mediante legami covalenti con altri atomi di carbonio. le catene possono essere: - aperte → lineari

-C-C-C-C-

-aperte → ramificate -C-C-C-CC

-

-

- chiuse lineari

C / \ C C \ / C

- chiuse ramificate

CH3 | /\ \/

Il C ha un valore medio di elettronegatività, per cui può formare forti legami covalenti poco polari; Il C può formare ISOMERI, cioè composti che hanno la stessa formula molecolare, ma che differiscono per il modo in cui gli atomi sono legati tra loro o per come sono disposti nello spazio.

Tutte queste caratteristiche permettono al C di formare un numero elevato di composti organica.

LE FORMULE IN CHIMICA ORGANICA Le formule che si usano nella chimica organica sono:  FORMULA MOLECOLARE o BRUTA che indica quali e quanti atomi sono presenti nella molecola  FORMULA DI STRUTTURA che indica quali e quanti atomi sono presenti nella molecola, come sono legati tra di loro il tipo di legame e la disposizione nello spazio.  FORMULA CONTRATTA o CONDENSATA in cui gli atomi di C sono separati da un trattino, per indicare i legami, mentre gli idrogeni legati allo stesso C sono associati intorno a ciascun carbonio.  FORMULA PIU’CONTRATTA o CONDENSATA che indica quanti atomi di C sono presenti nelle molecola attraverso segmenti orientati (/ ), in cui ogni vertice rappresenta un C legato a idrogeni; ai vertici liberi c’e sempre un –CH3 , ai vertici interni c’è sempre un –CH2 . Composto Metano

Etano

Formula molecolare CH4

C2H6

Propano

C3H8

Butano

C4H10

Formula di Formula condensata struttura H | CH4 H-C-H | H H H | | H-C- C-H CH3–CH3 | | H H HHH | | | CH3–CH2 –CH3 H-C-C-C-H | | | HHH HH H H | | | | H–C–C–C–C–H CH3–CH2 –CH2–CH3 | | | | HH H H

Formula più condensata

CLASSIFICAZIONE DEI CARBONI In chimica organica i carboni vengono classificati in base al numero di altri atomi di carbonio a cui sono legati Il carbonio può essere primario, secondario, terziario, quaternario a seconda se è legato ad uno, due, tre o quattro atomi di C. Perciò indica il numero di atomi di C a cui è legato un altro atomo di C. IDROCARBURI Gli idrocarburi sono composti fossili in quanto contengono H e C (petrolio, carbone, gas naturali) Le caratteristiche generali degli idrocarburi sono: composti covalenti in cui il C forma quattro legami covalenti che possono essere singoli, doppi o tripli. Se sono presenti solo legami singoli allora il composto è SATURO (poco reattivo, molto stabile). Se sono presenti legami doppi o tripli allora il composto è INSATURO (molto reattivo, poco stabile). sono infiammabili perché possono reagire con l’O a temperatura ambiente possono essere: solidi (catrame), liquidi (petrolio grezzo), gassosi (metano propano..) hanno basse temperature di fusione o di ebollizione, perché i legami intermolecolari sono deboli e si spezzano più facilmente con meno calore hanno un ruolo fondamentale nella società attuale perché sono utilizzati come combustibili e come fonte di energia non rinnovabile; hanno un ruolo importante anche nelle applicazioni industriali.

CLASSIFICAZIONE DEGLI IDROCARBURI

IDROCARBURI si IDROCARBURI ALIFATICI hanno catene: aperte: lineari o ramificate chiuse: lineari o ramificate si dividono in

contengono solo CeH

dividono in IDROCARBURI AROMATICI contengono l’anello del benzene

si

dividono in

1) SATURI - ALCANI CnH2n+2 - CICLOALCANI CnH2n

1- BENZENE E DERIVATI

2) INSATURI - ALCHENI CnH2n - ALCHINI CnH2n-2

2- COMPOSTI AROMATICI POLINUCLEATI o CONDENSATI

ALCANI

Formula generale: CnH2n+2

sono idrocarburi alifatici saturi a catena aperta lineare o ramificata sono saturi perché i carboni fanno solo legami singoli di tipo δ, dovuti all’ibridazione sp³ dei Carboni. la molecola ha una geometria tetraedrica - formula generale: CnH2n+2 sono i composti con il più alto numero di H sono molto stabili e poco reattivi, perché formano legami covalenti di tipo δ non essendoci doppi legami, la molecola è libera di ruotare intorno al legame tra due C. Questa caratteristica permetterà la formazione di isomeri. Sono insolubili in acqua, anzi sono idrofobi, cioè respingono l’acqua NOMENCLATURA IUPAC: il nome è dato da un prefisso numerico che indica il numero di atomi di C, e seguito dal suffisso -ano -

Funzioni degli alcani La principale funzione degli alcani è quella di fornire energia, mediante una reazione di combustione; il metano CH4, è il più semplice degli alcani ed è il combustibile meno inquinante, perché ha pochissime impurezze e, quando brucia, produce solo acqua e diossido di carbonio. Gli alcani possono essere. 1) a catena lineare 2) a catena ramificata ALCANI A CATENA LINEARE

Sono costituiti da una sola catena di atomi di carbonio. Nomenclatura IUPAC degli alcani a catena lineare : Il nome si ottiene aggiungendo ad un prefisso che indica il numero di atomi di carbonio un suffisso ano prefisso numerico + ano I primi quattro alcani fanno eccezione perché hanno un prefisso diverso ( met-; et-; prop-; but-). Questa anomalia vale per tutta la nomenclatura organica. Gli alcani costituiscono una serie omologa cioè composti con caratteristiche chimiche simile, ma differiscono nelle caratteristiche fisiche, ad esempio la temperatura di ebollizione; significa anche che ciascun composto si differenzia da quello successivo per un gruppo “-CH2”.

LE FORMULE PER RAPPRESENTARE GLI ALCANI Nome

Formula molecolare

metano

CH4

etano

C2H6

propano

C3H8

butano

C4H10

pentano

C5H12

esano

C6H14

eptano

C7H16

ottano

C8H18

nonano

C9H20

Formula di struttura H | H-C-H | H H H | | H-C-C-H | | H H HHH | | | H-C-C-C-H | | | HHH HHHH | | | | H-C-C-C-C-H | | | | HH HH

decano

Formula condensata CH4

CH3–CH3

CH3–CH2– CH3

CH3–CH2–CH2–CH3

C10H22

ALCANI A CATENA RAMIFICATA

Gli alcani a catena ramificata sono costituiti da una catena principale e da una o più catene laterali, chiamate radicali alchilici ( o gruppi alchilici); si ottengono sostituendo uno o più H della catena principale, con dei radicali alchilici,; i radicali alchilici si considerano perciò come dei sostituenti. Nella catena sono presenti carboni terziari e quaternari. Un RADICALE ALCHILICO deriva da un alcano che ha perso un H, perciò non è più una molecola intera, ma è un frammento. E’ molto reattivo, perché cerca sempre di riprendere elettrone che ha perduto per raggiungere l’ottetto.

NOMENCLATURA IUPAC DEI RADICALI ALCHILICI

Il nome di un radicale alchilico deriva da quello del corrispondente alcano sostituendo il suffisso –ano con il suffisso -ile. RADICALE ALCHILICO

NOME DEL RADICALE

CH4 → CH3–

metile

CH3-CH3 → CH3– CH2 –

etile

CH3 –CH2 –CH3 → CH3- CH2– CH2 –

propile / npropile

CH3–CH2 –CH3 → CH3– CH–CH3 |

isopropile

CH3–CH2 –CH3 – CH3 → CH3–CH2 –CH3 – CH2 –

butile / o nbutile

CH3–CH2 –CH3 – CH3 → CH3–CH2 –CH3 – CH3 |

secbutile

REGOLE PER ASSEGNARE IL NOME AD UN ALCANO A CATENA RAMIFICATA

 scegliere come catena principale la catena idrocarburica più lunga, che può essere lineare o ramificata, e assegnare il nome al corrispondente alcano;  numerare la catena a partire dall’estremità che permette di assegnare alle ramificazioni i numeri più bassi possibili;  individuare i radicali alchilici;  scrivere il nome dei radicali alchilici (ramificazioni) preceduti dal numero che indica i C a cui sono legati lungo la catena;  se sono presenti più radicali dello stesso tipo, si aggiunge il prefisso di, tri, tetra, penta ecc. per indicare la quantità dei radicali alchilici presenti;  se sono presenti radicali alchilici diversi vanno indicati in ordine alfabetico;( es. prima etil e poi metil )  se in uno stesso C sono legati due radicali, il numero di quel carbonio va ripetuto due volte.  I numeri si separano con le virgole, mentre i numeri dalle lettere si separano con un trattino. Quindi per ogni radicale, va indicata individualmente la sua posizione, con il numero del carbonio a cui è legato. Es.

CH2 – CH3 5 4 |3 2 1 CH3– CH2– C– CH– CH3 | | CH3 CH3

3-etil-2,3-dimetilpentano

CH3 5 4 |3 2 1 CH3– CH2– C– CH– CH3 | | CH3 CH3

2,3,3-trimetilpentano

CICLOALCANI -

-

-

Formula generale: CnH2n

sono idrocarburi alifatici saturi a catena chiusa (in forma ciclica che può essere lineare o ramificata sono saturi perché ci sono solo legami covalenti singoli di tipo δ dovuti all’ibridazione sp³ dei C Formula generale: CnH2n hanno due H in meno. rispetto agli alcani, a causa della chiusura dell’anello NOMENCLATURA IUPAC: il nome è dato dal prefisso “ciclo” seguito dal nome dell’alcano corrispondente.

I cicloalcani si possono rappresentare anche con dei poligoni regolari dove ad ogni vertice corrisponde un CH2. Il più piccolo dei cicloalcani contiene tre atomi di C ed il ciclopropano. C3H6 ciclopropano

C4H8 ciclobutano

C5 H10 ciclopentano CICLOALCANI A CATENA RAMIFICATA

I cicloalcani a catena ramificata si ottengono sostituendo uno o più H con dei radicali alchilici. NOMENCLATURA IUPAC: segue le stesse regole degli alcani ramificati. L’anello (o catena ciclica) rappresenta la catena principale più lunga che dà il nome al cicloalacano; Si numera la catena ciclica in modo da assegnare il numero più basso ai radicali alchilici Si indica la posizione dei radicali alchilici, preceduti dal numero del carbonio a cui sono legati,; si usano i prefissi di,,tri,tetra per i radicali alchilici uguali.

CH3 CH3 1,2-dimetilciclopentano

CH3

CH2 – CH3

1-etil-2-metilciclopentano

Il cicloesano ha notevole importanza industriale, perché costituisce il punto di partenza per la preparazione del nylon. ALCHENI (Formula generale: CnH2n ) Sono idrocarburi alifatici insaturi a catena aperta, lineare o ramificata Sono insaturi perché contengono almeno un doppio legame di cui uno δ e un altro π che è dovuto all’ibridazione sp² dei 2 Carboni impiegati nel doppio legame; gli altri carboni fanno ibridazione sp3 Formula generale: CnH2n ( vale solo quando c’è un solo doppio legame) nella catena ci possono essere più doppi legami sono molto più reattivi degli alcani perché il doppio legame tende a rompersi in seguito alla reazione di addizione la molecola è rigida, perché il doppio legame impedisce ai due carboni di ruotare intorno all’asse di legame. ALCHENI A CATENA LINEARE Gli alcheni a catena lineare sono caratterizzati da una sola catena di atomi di carbonio e da un doppio legame. I due carboni impiegati nel doppio legame fa ibridazione sp²; e il doppio legame è l’insieme di sigma e di un pi-greco. NOMENCLATURA IUPAC:

Il nome si ottiene sostituendo il suffisso -ano dell’alcano corrispondente con –ene è dato cioè, da un prefisso numerico che indica il numero di atomi di C, e seguito dal suffisso –ene prefisso numerico + ene A partire da quattro atomi di carbonio è necessario indicare la posizione del doppio legame: si numera la catena a partire dall’ estremità più vicina al doppio legame; si indica solo il primo carbonio implicato nel doppio legame. Il numero minimo di atomi di carbonio presenti nella molecola è 2 e l’idrocarburo più semplice è l’etene o etilene C2H4 etene

C2H4

propene

C3H6

CH2 = CH– CH3

butene

C4H8

CH2 = CH- CH2 – CH3

1-butene

CH3 - CH= CH- CH3

2-butene

pentene

C5H10

CH2 = CH2

CH2 = CH- CH2- CH2 – CH3

1-pentene

1

2

3

4

5

CH3 - CH= CH- CH2 – CH3

2-pentene

A partire dal butene gli alcheni presentano il fenomeno dell’isomeria di posizione del doppio legame lungo la catena. Esso, infatti, nel butene a catena lineare si può trovare tra il carbonio 1 e 2 oppure tra il carbonio 2 e 3. Gli alcheni danno origine anche all’isomeria cis-trans ALCHENI A CATENA RAMIFICATA Gli alcheni a catena ramificata sono costituiti da una catena principale e da una o più catene laterali, si ottengono sostituendo uno o più H con dei radicali alchilici. Nomenclatura IUPAC  scegliere come catena principale quella più lunga contenente il doppio legame (non è detto che sia la più lunga)  numerare la catena a partire dall’estremità che permette di assegnare al doppio legame il numero più basso  indicare il nome e la posizione degli eventuali radicali alchilici prima del doppio legame  la posizione del doppio legame è indicata dal primo C del doppio legame

es.

CH3 – C= CH– CH3 | CH3

2-metil-2-butene

ALCHENI CON Più DOPPI LEGAMI Gli alcheni possono avere: - due doppi legami e in tal caso si parla di dieni, - tre doppi legami in tal caso si parla di trieni il suffisso -ene in questi composti verrà sostituito con: -adiene se sono presenti due doppi legami; -atriene se sono presenti tre doppi legami; -atetraene se sono presenti quattro doppi legami. Si indica la posizione, anche in questi alcheni, dei vari doppi legami presenti lungo la catena 1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

Esempio: CH2 = CH – CH = CH –CH3

1,3 - pentadiene 6

7

CH2 = CH – CH = CH– CH= CH–CH3

1,3,5- eptatriene

RADICALI ALCHILICI DEGLI ALCHENE Anche gli alcheni possono dare radicali alchilici perdendo un idrogeno. NOMENCLATURA IUPAC: il nome è dato da un prefisso numerico che indica il

numero di atomi di C presenti, e seguito dal suffisso -enile che va a sostituire -ene. *eccezioni CH2 = CH2 - H

→

CH2 = CH – CH3 - H

CH2 = CH – → CH2 = CH – CH2 –

vinile allile

Funzioni degli alcheni Gli alcheni sono più reattivi degli alcani, per la presenza del doppio legame pi-greco che tende a rompersi più facilmente del legame sigma; questi composti, in particolare l’etene, perciò, costituiscono le materie prime più importanti dell’industria petrolchimica e dell’industria chimica in generale. In particolare danno origine anche a reazioni di polimerizzazione per ottenere polimeri sintetici come, la plastica utilizzata per fabbricare contenitori, pellicole e involucri. Altri alcheni svolgono importanti funzioni biologiche: limonene, geraniolo sono aromi prodotti da alcune piante ( limone e geranio ) carotene e licopene conferiscono colore alle carote e ai pomodori; il carotene viene poi trasformato nel fegato in vitamina A ( responsabile del meccanismo della visione feromoni sono sostanze chimiche con cui gli insetti comunicano.

ALCHINI -

-

Formula generale: CnH2n-2

idrocarburi alifatici insaturi a catena aperta lineare o ramificata sono insaturi perché contengono almeno un triplo legame di cui uno δ e due π che è dovuto all’ibridazione sp dei 2 carboni impiegati nel triplo legame (gli atri carboni sono ibridati sp3 ) la molecola in corrispondenza del triplo legame è lineare Formula generale: CnH2n-2 sono i composti con il minor numero di H sono poco stabili e molto reattivi per la presenza del triplo legame, formato da un legame di tipo sigma e da due legami di tipo pi-greco.

ALCHINI A CATENA LINEARE Gli alchini a catena lineare sono caratterizzati da una sola catena di atomi di carbonio è uno o più tripli legami. NOMENCLATURA IUPAC: Il nome si ottiene sostituendo il suffisso -ano dell’alcano corrispondente con –ino; il nome è dato cioè, da un prefisso numerico che indica il numero di atomi di C, e seguito dal suffisso –ino prefisso numerico + ino A partire da quattro atomi di carbonio è necessario indicare la posizione del triplo legame : si numera la catena a partire dall’ estremità più vicina al triplo legame; si indica solo il primo carbonio implicato nel triplo legame. Il numero minimo di atomi di carbonio presenti nella molecola degli alchini è 2 e l’idrocarburo più semplice è: C2H2

H-C≡C-H

l’ etino o acetilene

Nell’acetilene o etino, che è l’alchino più semplice, ma anche in quelli più complessi, gli atomi del triplo legame e i loro atomi adiacenti si trovano su una linea retta, con angoli di 180°. Il triplo legame negli alchini consiste in un legame sigma e due pi- greco.

ALCHINI A CATENA RAMIFICATA Gli alchini a catena ramificata sono costituiti da una catena principale e da una o più catene laterali, si ottengono sostituendo uno o più H con dei radicali alchilici. REGOLE PER ASSEGNARE IL NOME AD UN ALCHINO

 scegliere la catena più lunga contenente il triplo legame (non è detto che sia la più lunga)  numerare la catena a partire dall’estremità che permette di assegnare al triplo legame il numero più basso  indicare il nome e la posizione degli eventuali radicali alchilici prima del triplo legame  la posizione del triplo legame è indicata dal primo C del triplo legame

etino

C2H2

H–C≡C–H

propino

C3H4

H–C≡C–CH3

1-butino 2-butino

C4H6 C4H6