Chimica organica pdf PDF

Preview

Summary

chimica organica...

Description

Chimica organica Chimica organica = studio della struttura, proprietà, composizione e preparazione dei composti contenenti carbonio, principalmente insieme ai non metalli (H, B, N, O, Si, P, S, F, Cl, Br, I). La chimica che invece si occupa dei composti del carbonio con i metalli, tra i quali Li, Ti, Cu, Pd, Sn, si chiama chimica organo metallica. Il numero di composti contenenti carbonio è molto più grande del numero dei composti contenenti tutti gli altri elementi del sistema periodico. La ragioni di questo unico e versatile comportamento del carbonio è legata alle sue proprietà: • la tetravalenza, ovvero la capacità di formare quattro legami covalenti condividendo gli elettroni si valenza;

•

C

la possibilità di realizzare con altri atomi di carbonio catene più o meno lunghe, le quali possono essere:

•

- lineari, - ramificate, - ad anello. C

C

C

C

C

C

catena lineare

C

C

C

C

C

C

C

C

catena ramificata

C

C C

C catena ciclica

C

In base alla possibilità di ramificazione sono conosciuti milioni di composti organici. La grande varietà di composti organici rende il carbonio un elemento fondamentale per l’esistenza della vita. Le complesse funzioni biologiche richieste a un organismo necessitano di strutture molecolari altrettanto complesse, che solo il carbonio è in grado di realizzare. Idrocarburi Gli idrocarburi sono i composti organici più semplici, contengono solo atomi di carbonio C e idrogeno H. Tipi di idrocarburi in base al tipo di legame covalente H H che si instaura nelle catene di carbonio. H •

Alcani = all’interno della catena di carbonio vi è la presenza solo di legami singoli.

CnH(2n+2) => desinenza -ano

H C

H

C

H

H

H C

C

H

H

C

H

H

•

Alcheni = all’interno della catena di carbonio vi è la presenza di almeno un doppio legame

H

CnH2n => desinenza -ene

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H •

Alchini = all’interno della catena di carbonio vi è la presenza di almeno un triplo legame

H

C

C

CnH(2n-2) => desinenza -ino

C

H

H

NB = non vi possono essere catene cicliche con triplo legame Formule condensate Formula condensata = formula chimica in cui si usa un modo alternativo di indicare la struttura delle molecole. Il suo scopo non è quello di evidenziare la posizione spaziale degli atomi, ma di descrivere la struttura della molecola attraverso i gruppi che la costituiscono. • Sono possibili vari gradi di condensazione.

Alcano lineare

H H

H H

C H

C

H

H

H C

C

H

H

CH3CH2CH2CH2CH3

CH3(CH2)3CH3

C

H

H

•

Con gli alcheni e gli alchini bisogna sempre indicare la presenza di legami doppi e tripli.

Alchene lineare

H

Alchino lineare

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

CH3

H

CH2

C

H

H

C

C

C

H

H

H

CH2

C

C

CH3

H

CH3CH2CH

•

CH2

HC

CCH3

CH

CCH3

Anche strutture complicate e ramificate possono essere scritte con formule condensate.

- I gruppi che appartengono alle catene ramificate vanno sempre inseriti tra parentesi.

Alcano ramificato CH3

CH3

CH

CH

CH2

CH2

CH3

CH3

CH3CH(CH3)CH(CH2CH3)CH2CH3

- Gruppi uguali legati allo stesso atomo di carbonio si scrivono una volta sola, raccolti tra parentesi, con un indice che indica quanti gruppi uguali sono legati allo stesso C. Alcano ramificato H

H

H H

C

C H

H

C

H

H C

C

H

H H

H

CH3

CH3

C

CH3

CH3

C(CH3)4

Nel caso compaiano dei doppietti elettronici solitari, ovvero coppie di elettroni contenuti in uno stesso orbitale non impegnati in un legame, questi non vanno inseriti. CH3

Alcol

(CH3)2CHOH CH3

:O:

•

CH

:O:

Chetone CH3

C

H

CH3COCH3 CH3

(CH3)2CO

Rappresentazione a linee Questa rappresentazione è minima ma non ambigua, molto semplice, ma è necessario conoscere bene le convenzioni per poter scrivere e leggere correttamente le molecole. • I legami C—C si indicano con un segmento, e gli atomi di carbonio non sono mostrati, in quanto si assume che siano all’intersezione di due o più linee e al termine di ogni linea. • La valenza di ciascun atomo tetravalente di carbonio C va saturata con degli atomi di idrogeno H, i quali a loro volta non vengono mostrati: per ciascun carbonio vanno sottintesi tanti atomi di idrogeno quante sono le valenze da saturare. • Per alcheni e alchini è presente la doppia e la tripla linea per rappresentare il doppio e triplo legame tra gli atomi di carbonio. • Tutti gli atomi diversi da Ce H, detti eteroatomi, sono indicati esplicitamente. • Nel caso compaiano dei doppietti elettronici solitari, non vengono mostrati.

Su questo punto convergono 2 legami C—C: il carbonio è quindi legato ad altri 2 atomi H per poter completare la sua valenza CH3CH2CH2CH2CH3

Su questo punto convergono 1 legame C —C: il carbonio è quindi legato ad altri 3 atomi H per poter completare la sua valenza

CH3

CH3

C

CH3

CH3

CH3CH CH3CH2CH

HC

CHCH3

CH2

CCH3

Su questo punto convergono 3 legami C—C: il carbonio è quindi legato a 1 solo atomo H per poter completare la sua valenza

CH3C

CCH2CH3

Strutture con eteroatomi N

O

Su questi punti non vi sono atomi di carbonio o idrogeno, quindi sono indicati altri eteroatomi O

Cl Strutture a poligono

CH2 CH2

CH2

CH2

CH2 CH2

N H CH3 N nicotina colesterolo

HO

O CH3

N

N O

CH3

N CH3

N

NH2

CH3O CH3O OCH3

caffeina

fluoresceina

Le catene idrocarburiche non sono davvero ‘lineari’, in quanto avendo una geometria sp3 occupano uno spazio tridimensionale, nel quale i legami sono ripiegati. Questo rende possibile rappresentare lo stesso composto attraverso notazioni a linee che sono diverse fra loro, ma in realtà rappresentano la stessa molecola.

Anche se queste catene idrocarburiche hanno orientazioni differenti le une dalle altre, rappresentano la medesima molecola

Classificazione idrocarburi Idrocarburi

Alifatici

Aromatici

Ciclici

Aciclici

Monociclici

Saturi

Insaturi

Saturi

Cicloalcani

Cicloalcheni

Alcani

Alcheni

Alchini

CnH(2n+2)

CnH2n

CnH(2n-2)

NB = Non esistono cicloalchini

Policiclici

Insaturi

Una classificazione generale dei composti organici si fonda sulla natura degli atomi che li costituiscono, suddividendoli in: • idrocarburi = composti organici contenenti slo carbonio C e idrogeno H; • eterocomposti = composti organici contenenti anche atomi diversi, gli eteroatomi, oltre a C e H, in particolare ossigeno O, azoto N, zolfo S e fosforo P.

A loro volta gli idrocarburi hanno una propria classificazione. • Aromatici = composti organici ciclici che presentano almeno un anello di tipo benzenico, con più doppi legami che costituiscono una nuvola di elettroni π delocalizzata. • Alifatici = composti ulteriormente classificati in base a: la forma della molecola

Aciclici = composti organici a catena aperta, lineare o ramificata;

tipo di legame tra gli atomi C

Ciclici = composti organici a catena chiusa in uno o più anelli (monociclici e policiclici).

Saturi = contengono solo legami singoli

Insaturi = contengono doppi o tripli legami

Cicloalcani Cicloalcani Alcani Alcheni Alchini

I primi quattro termini degli idrocarburi hanno nomi convenzionali, mentre i termini successivi vengono designati mediante un prefisso che indica il numero di atomi di carbonio, seguito dalla desinenza caratteristica della famiglia di idrocarburi: • -ano per gli alcani; • -ene per gli alcheni; • -ino per gli alchini. Radice N° atomi C

Esempio alcano

met-

met-

metano CH4

es-

6

esano CH3(CH2)4CH3 => C6H14

et-

2

etano CH3CH3 => C2H6

ept-

7

eptano CH3(CH2)5CH3 => C7H16

prop-

3

propano CH3CH2CH3 => C3H8

ot-

8

ottano CH3(CH2)6CH3 => C8H18

but-

4

butano CH3CH2CH2CH3 => C4H10

non-

9

nonano CH3(CH2)7CH3 => C9H20

pent-

5

pentano CH3CH2CH2CH2CH3 => C5H12

dec-

10

decano CH3(CH2)8CH3 => C10H22

CH3

CH3

formula molecolare

H

:O:

C2H6O

:O:

Isomeri costituzionali Isomeri costituzionali = molecole che hanno la medesima formula molecolare, ma struttura differente; ciò significa che il numero e il tipo di atomi che li compongono sono gli stessi, ma essi sono legati in modo diverso tra loro. • Gli isomeri costituzionali non possono essere convertiti gli uni negli altri senza rompere e riformare i legami. • Tutte le proprietà fisiche degli isomeri costituzionali sono differenti: punto di fusione, punto di ebollizione, densità, solubilità, ecc. CH2

CH3

isomeri costituzionali

Idrocarburi Per quanto riguarda gli idrocarburi alifatici, per i primi tre alcani, metano etano e propano, non è possibile identificare isomeri poiché non vi sono alternative alla concatenazione degli atomi. CH4

C2H6

C3H8

• Dal momento in cui la catena idrocarburica presenta un numero di atomi C uguale o superiore a 4, sono possibili strutture differenti, e quindi isomeri costituzionali. Man mano che aumentano gli atomi di carbonio nella catena, aumentano anche gli isomeri costituzionali possibili.

•

C4H10 => 2 isomeri

•

• C4

•

Composti con la medesima formula molecolare possono essere disposti sia in una struttura lineare che in una struttura ramificata

C3 + C1

C5H12 => 3 isomeri

• • C5

•

• • C4 + C1

C3 + 2(C1)

•

•

C6H14 => 5 isomeri C6

•

•

• C5 + C1

•

•

•

C4 + 2(C1)

Esano => 5 isomeri Eptano => 9 isomeri Ottano => 18 isomeri Nonano => 35 isomeri Decano => 75 isomeri Eicosano => 366.319 isomeri Triacontano => 4.111.846.763

A determinare l’isomero non è la forma, ma la sequenza atomo-atomo.

Queste quattro molecole si ramificano tutte al Carbonio 2, sono tutte lo stesso isomero

•

Nomenclatura Il problema è dare il nome a composti che hanno tutti la stessa formula. Ad esempio, l’eptano ha 9 isomeri costituzionali, e ognuno di essi necessita di un nome unico. Nomenclatura IUPAC ALCANI - Trova la catena di di carbonio più lunga e dalle un nome - Numera la catena iniziando dall’estremità più vicina alla prima ramificazione - Da' a ogni sostituente (?) un numero in base alla posizione della catena principale - Da’ a ogni sostituente un nome in base al numero di atomi di C. Quando il gruppo è un gruppo sostituente, quindi quando si passa dalla catena principale a quella laterale, il suffisso -ano viene sostituito con -ile. - Assembla il nome. Identificare la catena più lunga all’interno della struttura => la catena si può considerare sia in modo lineare, quindi contando i carboni orizzontalmente uno dietro l’altro, sia considerare quelle che sono le “ramificazioni”, anche se scegliamo noi cosa considerare ramificazioni e cosa catena principale in base al numero di atomi di C legati tra loro in modo consecutivo. I gruppi legati alla catena principali sono detti sostituenti. Come già detto, g li alani quando diventano sostituenti perdono il suffisso -ano e lo sostituiscono con -ile Numero + sostituente + catena base + suffisso numero: posizione del sostituente nella catena Sostituente: nome Catena base: numero di C nella molecola Suffisso: -ile Esempio CH3 — CH2— CH — CH3 | CH3 Trova la catena più lunga Numera dall’estremità pi vicina alla ramificazione => il primo carbonio a partire da destra 4 3 2 1 CH3 — CH2— CH — CH3 | CH3 La ramificazione è a livello del C2 => scrivo il numero del sostituente e il nome => 2-metil Nome della catena alifatica in base al numero di C => butano => 2-metilbutano 1 2 3 CH3 — CH2 — CH — CH3 | CH2 — CH3

L’ibridazione del carbonio è di tipo sp3, quindi la geometria che ci si aspetta è tetragonale, e gli angoli associati ad essa sono di 109°. Tutta la catena lineare degli alcani è caratterizzata da carboni che hanno un’ibridazione sp3 e quindi la cui distribuzione nello spazio dei legami con altri C o H è una distribuzione di tipo tetraedico....