CHIMICA ORGANICA

PON C1 di SCIENZE Esperto prof. C. Formica

Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it,

wikipedia.it, unibs.it, unisi.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org, ncbi.gov

Atomo di carbonio

Z=6; configurazione: 1s 2 2s2 2p2

Nuclidi: 12C, 13C, 14C, 15C, 16C.

12C è il più abbondante

14C è il più “famoso”: si usa per la radiodatazione

fossili di migliaia di anni (t1/2 = 5730 anni)

2

IBRIDAZIONE ORBITALI

3

Configurazione del carbonio

1s2 2s22p2 di questi solo 2s22s2 , cioè i 4 elettroni di

valenza, sono indispensabili per comprendere i legami

del C

2s2 2p2

2s2 2p2

Dallo stato fondamentale (a sinistra), per eccitazione energetica

(promozione) , uno degli elettroni 2s trasloca verso uno degli orbitali

2p . In questo modo si passa allo stato eccitato (destra), con i 4

elettroni distribuiti uno per ogni orbitale 2s, 2px, 2py, 2pz. Il

risultato è la formazione di orbitali IBRIDI, (funzioni algebriche

degli orbitali di partenza 2s e 2p che hanno energie abbastanza

simili) con disposizione spaziale differente dagli orbitali iniziali.

Stato fondamentale Stato eccitato

Orbitali ibridi

4

sp3: 3 orbitali 2p + 1 orbitale 2s (somma esponenti

1+3= 4). Questa ibridazione produce la formazione

di 4 legami σ , es. negli ALCANI

sp: 1 orbitale 2p + un 2s (1+1=2). Non ibridati 2

orbitali 2p. Questa ibridazione produce la

formazione di 2 legami σ e 2π, con formazione di un

TRIPLO legame, come negli ALCHINI e nell’N2

sp2: 2 orbitali 2p + 1 orb. 2s (2+1=3) mentre il 4°

orb. 2p non è ibridato. Questa ibridazione produce

la formazione di 3 legami σ e 1 π, quindi si forma 1

doppio legame, come negli ALCHENI e nell’O2

Le ibridazioni possibili tra s e p sono 3:

5

nuovi legami derivanti dall’ibridazione:

σ: elettroni distribuiti simmetricamente lungo l’asse di legame

π: elettroni distribuiti da parti opposte rispetto all’asse di legame,

perpendicolare al piano dell’asse

σ - 1/4 caratteri del 2s, ¾ del 2p

a)CH4, CH3-CH3 ecc. i 4 sp3 del C si combinano con 1s dell’H

b)CH2 = CH2 : 2 sp2 del C con 1s di H, 1 sp2 di C-C (+ 1 legame π)

c) CH ≡CH: 1 sp di C con 1s di H, 1 sp di C con sp dell’altro C (+ 2

legami π )

CO2 : sp di C con 2p di O (+ 2 legami π)

IBRIDAZIONE ORBITALI - schema riassuntivo

6

Legami

Geometria

dei legami

Angoli di

legame* Esempi

s p3

l’orbitale s si

ibrida con tutti i

3 orbitali p

4 σ

Tetraedrica 109,5° CH4

CH3-CH3

s p2

l’orbitale s si

ibrida con 2

orbitali p

3σ + 1π

Triangolare

planare

120° CH2=CH2

s p

l’orbitale s si

ibrida con 1 solo

orbitale p

2σ + 2π

Lineare 180°

CH≡CH

*Per confronto si rammentano gli altri angoli di legame:

H2O=104° NH3 = 107,3°

IBRIDAZIONE ORBITALI – altri esempi

7

ibridazione molecola Nome IUPAC (nome tradizionale)

s p3

NH3

NH4+

H2O

Triidruro di azoto (ammoniaca)

Catione ammonio

Acqua

s p2

BF3

BH3

SO3

Trifluoruro di boro

Triidruro di boro

Triossido di zolfo (anidride solforica)

s p

CO2

BeF2

Diossido di carbonio (anidride carbonica)

Difluoruro di berillio

ISOMERI

8

Esempi

Atomi di C e

H legati in

modo diverso

ISOMERI DI

STRUTTURA o di

CATENA

2-metil propano e N-butano;

N-pentano, 2-dimetilpropano, 2-metilbutano

Sono presenti

altri atomi,

oltre a C e H

ISOMERI DI

POSIZIONE

Propanolo e isopropanolo;

ISOMERI

GEOMETRICI Sono presenti doppi legami

legami simili

STEREOISOMERI

diversa orientazione

spaziale degli atomi

CONVERTIBILI per rotazione intorno a un legame:

ROTAMERI

(NON CONVERTIBILI per rotazione: doppi legami nella

molecola. CONFIGURAZIONALI

Es. isomeri CIS e TRANS (es.dicloruro di etilene)

L’atomo di C può essere: Primario CH3 –CH3 legato a un solo carbonio

Secondario CH3-CH2–CH2-CH3 legato a 2 carboni

Terziario CH2-CH -(CH3)CH2-CH3 legato a 3 carboni

Quaternario (CH3)3–C-CH2CH3 legato a 4 carboni

In parentesi i carboni delle catene laterali

Proprietà fisiche e geometriche degli idrocarburi

SATURI: ALCANI INSATURI: ALCHENI, DIENI, ALCHINI

Meno idrogeno contengono, più sono insaturi

Il punto di ebollizione aumenta all’aumentare della massa molecolare.

Le catene lineari hanno punti di ebollizione superiori a quelli delle catene ramificate (le

forze di London sono più deboli), ma hanno punti di fusione inferiori alle ramificate.

Alcani CnH2n+2 e cicloalcani CnH2n sono apolari e fungono da solventi per le sostanze

apolari, come per esempio i grassi e sono insolubili in acqua, non formando legami a

idrogeno.

Gli alcheni CnH2n sono idrocarburi che presentano almeno un doppio legame nella

molecola, ibridazione sp2, geometria planare e angoli di legame di 120°.

Gli alchini CnH2n-2 sono idrocarburi con almeno un triplo legame nella molecola,

ibridazione sp, geometria lineare e angoli di legame di 180°.

Alcheni e alchini danno reazioni di addizione elettrofila al doppio e triplo legame, poiché

accettano doppietti elettronici.

Le reazioni in cui c’è un donatore di doppietti sono dette nucleofile.

Punto di ebollizione idrocarburi

Radicali alchilici degli idrocarburi

Si formano quando l’idrocarburo cede un idrogeno per sostituirlo con: -OH, -Cl, .F, -

COOH ecc.

Radicali degli alcani:

Metano CH4 metile -CH3

Etano CH3 CH3 etile –CH2-CH3

Propano CH3 CH2 CH3 propile –CH2-CH2 -CH3

Butano CH3 (CH2)2 CH3 butile –CH2 (CH2)2 CH3

Radicali degli alcheni:

Dall’etene CH2=CH2 vinile CH2=CH-

Dal propene CH2=CH-CH3 allile CH2=CH-CH2-

Scheletro carbonioso

CnH2n+2 Butano angolo di legame 109,5° Le moioecole

possono assumere varie conformazioni inrorno al legame sigma

ciclopropano ciclobutano

CnH2n sono apolari e fungono da solventi per le sostanze apolari, come per esempio i

grassi e sono insolubili in acqua, non formando legami a idrogeno.

Gli alcheni CnH2n sono idrocarburi che presentano almeno un doppio legame nella

molecola, ibridazione sp2, geometria planare e angoli di legame di 120°.

Gli alchini CnH2n-2 sono idrocarburi con almeno un triplo legame nella molecola,

ibridazione sp, geometria lineare e angoli di legame di 180°.

.

3/23/2014 14

Composti aromatici

risonanza del

benzene C6H6

Il fenomeno dello spostamento dei doppi

legami si chiama DELOCALIZZAZIONE.

Il risultato finale viene rappresentato con un

cerchio al centro.

A causa della delocalizzazione degli elettroni

del benzene, una nuvola elettronica si

estende sopra e sotto il piano degli atomi di

carbonio

3/23/2014 15

Composti aromatici

.

FENOLO mostra

proprietà debolmente

acide

ACIDO BENZOICO

OH FENILAMMINA

(Anilina) mostra

proprietà debolmente

basiche

BENZOCLORURO :

si ottiene mediante

ALCHILAZIONE

(reazione di

sostituzione)

COOH

NH2

Cl

Il benzene può avere dei gruppi sostituenti laterali .

FENOLI: OH

ACIDI: COOH

AMMINE: NH2

ALOGENURI: Cl, F, Br, I

La nomenclatura degli idrocarburi alifatici C3

16

Classe di

composti

Formula di

struttura

nome IUPAC desinenza formula bruta o

molecolare

ALCANI CH3-CH2-CH3 propano -ano C3H8

ALCHENI CH3-CH=CH2 propene .ene C3H6

ALCHINI CH3-C≡CH propino .ino C3H4

CICLOALCANI

formula ciclica

CH2-CH2-CH2

∆ ciclopropano .ano C3H6

C3: composti organici con 3 atomi di carbonio

prof. Ciro Formica

La nomenclatura degli idrocarburi C6

17

Classe di

composti

Formula di struttura nome IUPAC desinenza formula bruta

o molecolare

ALCANI CH3-(CH2)4- CH3 esano -ano C6H14

ALCHENI CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH3 esene -ene C6H12

ALCHINI CH3-C≡C-CH2-CH2-CH3

esino -ino C6H10

CICLOALCANI

Formula ciclica

CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2

cicloesano -ano C6H12

IDROCARBURI

AROMATICI

CH=CH-CH=CH-CH=CH

benzene -ene C6H6

C6: composti organici con 6 atomi di carbonio

prof. Ciro Formica

La nomenclatura dei composti organici C3 dotati di gruppi funzionali

18

Classe di

composti

formula (esempio

composti a 3 atomi

di carbonio)

nome IUPAC nome

tradizionale

gruppo

funzionale

desinenza formula

bruta

(molecolare

ALCOLI CH3-CH2-CH2-OH propanolo alcol

propilico

-OH

ossidrile

-olo C3H8O

ACIDI

CARBOSSILI

CI

CH3-CH2-COOH acido

propanoico

acido

propionico

-COOH

carbossile

.oico C3H6O2

ALDEIDI CH3-CH2-CHO

propanale aldeide

propionica

-CHO

carbonile

.ale C3H6O

CHETONI CH3-CO-CH3 propanone dimetilcheto

ne (acetone)

-CO-

carbonile

.one C3H6O

AMMINE CH3-CH2-CH2-NH2 propan-

ammina

Amminopro

pano/propila

mmina

-NH2

amminico

-ammina C3H9N

prof. Ciro Formica

COMPOSTI DOTATI DI GRUPPI FUNZIONALI

19

Gli alcoli possono essere:

- primari, secondari e terziari a seconda del carbonio cui è legato l’OH

-monovalenti, bivalenti e trivalenti se posseggono rispettivamente 1, 2 o 3 OH

Le ammine possono essere: primarie, secondarie e terziarie a seconda del carbonio cui è legato

l’OH

Gruppo

funzionale

Formula e

nomenclatura

Nome IUPAC e

tradizionale

Formula generale Propr. chimiche

ALCOLI -OH CH3CH2OH

Etanolo

(alcol etilico)

R-OH neutro

ACIDI

ORGANICI

-COOH CH37COOH

Ac. Etanoico

(ac. acetico)

R-COOH Acido debole

AMMINE

ALIFATICHE

-NH2

CH3-NH2

Metal-ammina R-NH2

Base debole

ALDEIDI -CHO

CH3CHO Etanale

(acetaldeide)

R-CHO

-

CHETONI -C=O CH3-CO-CH3

Propanone

(acetone)

R-C=O -

ESTERI -COO- CH3-COO-CH3

Etanoato di

etile

R-COO-R -

AMMIDI -CO- NH2

CH3-CO-NH3

Etammide

(acetammide)

R-CO-NH3

-

ETERI -O-

CH3-O-CH3

dimetiletere R-O-R’

Proprietà fisiche dei composti dotati di gruppi funzionali

A parità di massa molecolare, gli alcoli e i fenoli hanno punti di ebollizione

più alti rispetto agli idrocarburi e agli eteri.

La solubilità degli alcoli decresce all’aumentare del numero di atomi di

carbonio perché:

-prevale il carattere idrofobico della catena rispetto al carattere idrofilo

dell’ossidrile,

Si formano legami a idrogeno che rendono abbastanza solubili metanolo,

etanolo e propanolo in acqua

Le ammine primarie e secondarie formano legami a idrogeno

intermolecolari, pertanto i loro punti di ebollizione sono più alti di quelli

degli alcani a uguale massa molecolare.

I punti di ebollizione delle aldeidi e dei chetoni sono più alti di quelli degli

idrocarburi a uguale massa molecolare, ma minori a quelli degli alcoli

corrispondenti.

Proprietà chimiche dei composti dotati di gruppi funzionali

Gli alcoli :

-sono acidi molto deboli

-si disidratano in presenza di acidi molto forti

-danno reazioni con rottura del legame C—O,

-danno reazioni di ossidazione:

•alcoli primari: si ossidano ad aldeidi e poi ad acidi carbossilici

•secondari: si ossidano a chetoni

I fenoli sono circa un milione di volte di più acidi degli alcoli

Le ammine sono basi deboli

ACIDI ORGANICI (CARBOSSILICI)

22

Esempi

ACIDI

ORGANICI

1 carbossile

COOH

HCOOH

CH3COOH

CH3CH2COOH

ACIDO METANOICO

(formico)

AC. ETANOICO (acetico)

AC. PROPANOICO

(propionico) ecc.

metil propano

2 o più

carbossili

COOH

COOH-COOH

COOH –CH-OH-CH2COOH

COOH -CH3CH-COOH-COOH

ACIDO OSSALICO

AC. MALICO

AC. CITRICO(ciclo di

Krebs) ecc.

ac. formico ac. acetico ac. benzoico

Gli acidi carbossilici sono polari, liberano H+ e hanno punti di ebollizione elevati

Reazioni tipiche degli acidi carbossilici

24

Esempi

Prodotto

finale

Acido+

Base

forte Sale CH3-COOH + NaOH CH3-COO-Na

Acetato di

sodio

Acido

alifatico+ alcol

Estere

alifatico CH3-COOH + CH3CH2-OH CH3-COO-CH2CH3

Acetato di

etile

Acido

aromatico + alcol

Estere

aromatico C6H5-COOH + CH3CH2-OH C6H5-COO-CH2CH3

Benzoato di

etile

Acido +

ammin

a Ammide CH3-COOH + CH3NH2

CH3-CO-NH2 +

CH3OH

etanammide

Viene eliminata una molecola d’acqua H2O come nelle condensazioni

3/23/2014 25

ACIDI GRASSI SATURIFormula e nomenclatura Atomi CCH3(CH2)10COOH n-Dodecanoico

Laurico12

CH3(CH2)12COOH n-TetradecanoicoMiristico

14

CH3(CH2)14COOH n-Esadecanoico Palmitico

16

CH3(CH2)16COOH n-Ottadecanoico Stearico

18

CH3(CH2)18COOH n-Eicosanoico Arachidico

20

CH3(CH2)22COOH n-Tetracosanoico Lignocerico

24

ACIDI GRASSI INSATURI

Formula e nomenclatura Atomi CCH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH Palmitoleico 16

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH Oleico 18

CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH Linoleico 18

CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH Linolenico 18

CH3(CH2)4(CH=CHCH2)3CH=CH(CH2)3COOH Arachidonico 20