Cos è la chimica organica

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1 Cos è la chimica organica La prima definizione di chimica organica si deve al chimico svedese Jacob Berzelius nel 1807: la chimica organica è la scienza che studia i comportamenti chimici e fisici dei composti elaborati dagli organismi viventi Allora si credeva che i composti organici fossero del tutto speciali, in particolare si riteneva che potessero essere prodotti solo dagli organismi viventi e non fosse possibile la loro sintesi in laboratorio. Cos è la chimica organica Nel 1828 il chimico tedesco Friedrich Wöhler riuscì per primo a sintetizzare un composto organico (l urea) e da allora i composti organici persero la loro aura di sostanze particolari. Oggi la definizione più corretta di chimica organica è: la scienza che si occupa delle caratteristiche chimiche e fisiche dei composti del carbonio 1

2 I composti organici Per ragioni storiche, tuttavia, non tutti i composti del carbonio rientrano nella chimica organica. Fanno eccezione: l anidride carbonica (biossido di carbonio) il monossido di carbonio l acido carbonico ed i suoi derivati (carbonati e bicarbonati) l acido cianidrico ed i suoi derivati (cianuri) i carburi (composti binari del carbonio con metalli) I composti organici I composti organici attualmente conosciuti sono milioni e continuamente ne vengono scoperti di nuovi. Essi vengono suddivisi in tre grandi raggruppamenti: Perché il carbonio è in grado di formare un così gran numero di composti? Il motivo sta nella sua particolare configurazione elettronica che fa sì che l atomo acquisti alcuni aspetti particolari: 1. la possibilità di ibridazione 2. il particolare numero di ossidazione 3. il valore di elettronegatività 4. il peculiare raggio atomico 5. la capacità di concatenazione 2

3 ha 6 elettroni: 2 nel primo livello energetico e 4 nel secondo, di questi ultimi due stanno nell orbitale 2s e due nell orbitale 2p (1s 2 2s 2 2p 2 ) Nel carbonio ibridato uno degli elettroni del 2s passa nel 2p (1s 2 2s 1 2p 3 ) promozione I tre elettroni 2p si dispongono in orbitali diversi (regola di Hund): 2p x1 2p y1 2p z 1 Si hanno così quattro orbitali incompleti: il 2s e i tre 2p Successivamente l orbitale 2s si fonde con uno o più orbitali 2p formando orbitali di tipo sp (una via di mezzo tra gli s e i p) ibridazione L ibridazione può essere di tre tipi differenti: 1. ibridazione di tipo sp 3 è quella tra un orbitale s e tre orbitali p, si formano quattro nuovi orbitali ibridi detti sp 2. ibridazione di tipo sp 2 tra un orbitale s e due orbitali p, si formano tre nuovi orbitali ibridi sp e rimane un orbitale p normale 3. ibridazione di tipo sp è quella tra un orbitale s e un orbitale p, si formano due nupvi orbitali ibridi sp e rimangono due p normali Ibridazione sp 3 I 4 nuovi orbitali sp si dispongono secondo i vertici di un tetraedro, con un angolo di circa 109. Nell ibridazione sp 3 il carbonio forma 4 legami di tipo σ perfettamente equivalenti tra loro. 3

4 Ibridazione sp 2 I 3 nuovi orbitali si dispongono secondo i vertici di un triangolo equilatero, a 120 tra loro. Nell ibridazione sp 2 il carbonio forma 3 legami equivalenti tra loro (legami σ) e, con l orbitale p non ibridato, un legame π con un altro atomo di carbonio nello stesso stato di ibridazione. Uno dei legami σ e il legame π formano un doppio legame. Ibridazione sp I 2 nuovi orbitali si dispongono secondo una linea, a 180 l uno dall altro. Nell ibridazione sp il carbonio forma 2 legami equivalenti tra loro (legami σ) e, con i due orbitali p non ibridati, due legami π con un altro atomo di carbonio nello stesso stato di ibridazione. Uno dei legami σ e i due legami π formano un triplo legame. video: l ibridazione del carbonio dal sito del libro di testo Il numero di ossidazione del carbonio assume tutti i valori compresi tra +4 e 4. Ciò permette all atomo di formare un numero praticamente infinito di composti. Inoltre, nella stessa molecola, il carbonio può assumere valori diversi, per cui si deve attribuire il n. o. a tutti gli atomi di carbonio singolarmente. 4

5 Per il calcolo del n. o. di un atomo di carbonio, si deve tenere conto dei seguenti criteri: 1. in ogni legame con altri atomi di carbonio il n. o. è zero perché gli elettroni di legame sono equamente condivisi; 2. nel legame con l idrogeno o con i metalli il n. o. del carbonio è 1 (il carbonio è più elettronegativo); 3. nel legame con non metalli il n. o. del carbonio è +1 (il carbonio è meno elettronegativo). ha un valore medio di elettronegatività (2,5) per cui non ha tendenza a perdere o ad acquistare elettroni, ma unicamente a condividerli. Si formano così legami covalenti poco polari e quindi forti e stabili. Inoltre la formazione di legami multipli (doppi o tripli) conferisce al carbonio la caratteristica di formare molecole costituite dagli stessi atomi ma disposti in modo diverso nello spazio e quindi con differenti proprietà fisiche e chimiche (isomeri). Il raggio atomico (77 pm) è molto piccolo e lo scarso ingombro facilita la formazione di legami stabili. L assenza di coppie elettroniche libere nel livello energetico esterno e il piccolo raggio atomico consentono al carbonio una grande tendenza alla concatenazione. Le catene che si formano possono essere aperte (lineari o ramificate) o chiuse. 5

6 Le formule A causa delle particolarità del carbonio, i composti organici non possono essere rappresentati con le consuete formule chimiche. Per essi si adottano altre simbologie rappresentate da: formule di Lewis evidenziano tutti i legami tra gli atomi della molecola Le formule formule razionali mettono in evidenza solo i legami tra atomi di carbonio Le formule formule condensate evidenziano solo alcuni atomi e i gruppi atomici che costituiscono la molecola 6

7 Le formule formule topologiche evidenziano solo la catena carboniosa mediante l uso di segmenti Le formule Gruppi funzionali La reattività di un composto organico è determinata dalla presenza nella molecola di un legame multiplo, di un atomo molto elettronegativo (ossigeno, alogeni ) o di uno specifico gruppo atomico che attira o respinge elettroni. Il componente molecolare da cui dipende la reattività prende il nome di gruppo funzionale. Composti con lo stesso gruppo funzionale, avendo proprietà e comportamento chimico simile, vengono riuniti in una stessa classe. 7

8 Gruppi funzionali Proprietà dei composti organici Quando si studiano i diversi composti organici è necessario riferirsi alle loro proprietà chimiche e fisiche. Le proprietà fisiche sono quelle che dipendono dalla struttura e dalla composizione della molecola, le proprietà chimiche dipendono invece dalla capacità della molecola di reagire con altre. Naturalmente ogni diverso composto ha proprietà differenti, tuttavia ci sono alcuni punti in comune per tutti. Proprietà fisiche Lo stato fisico di un composto a temperatura ambiente dipende principalmente dalla forza e dal numero dei legami che si possono stabilire tra le molecole del composto. Se i legami intermolecolari sono pochi e/o deboli il composto è allo stato aeriforme; se invece sono più forti e/o più numerosi, il composto è liquido o solido. A parità di legami intermolecolari, inoltre, lo stato fisico dipende anche dalla massa molecolare: all aumentare di questa, lo stato fisico tende verso gli stati più condensati. 8

9 Proprietà fisiche La solubilità in acqua dei composti organici dipende dalla presenza di gruppi idrofili e idrofobi. Se prevalgono i gruppi idrofili, i composti sono solubili in acqua. Sono gruppi idrofili OH, NH 2, COOH. Se prevalgono i gruppi idrofobi i composti sono insolubili in acqua. Sono gruppi idrofobi CH 3, (CH 2 ) n, C 6 H 5. Proprietà fisiche Se un composto contiene gruppi idrofili e idrofobici più o meno nella stessa quantità, esso viene definito anfipatico o anfifilico. I composti anfipatici in soluzione acquosa tendono a formare micelle, doppi strati e liposomi. Importanti composti anfipatici, con un rilevante ruolo biologico, sono i fosfolipidi e il surfattante. La presenza di un atomo con elettronegatività molto diversa dal carbonio o di un gruppo atomico che attira o respinge elettroni influenza la reattività delle molecole organiche. La differenza di elettronegatività porta a una polarizzazione del legame e ciò comporta uno spostamento di elettroni anche su tutti i legami. La trasmissione della polarizzazione lungo la catena carboniosa si chiama effetto induttivo L effetto induttivo può essere di tipo attrattivo o repulsivo. 9

10 Un atomo X, fortemente elettronegativo, attira verso di sé gli elettroni di legame. Esso assume quindi una parziale carica negativa (δ ) e il carbonio a cui è legato una parziale carica positiva (δ + ). Ciò provoca uno spostamento di elettroni dagli atomi adiacenti, indebolendo il legame C C e aumentando di conseguenza la reattività della molecola. Questo effetto induttivo è di tipo attrattivo Si dicono sostituenti elettron-attrattori gli atomi più elettronegativi del carbonio (alogeni e ossigeno), i gruppi atomici con carica positiva (gruppo nitro) e gli atomi di carbonio con legami multipli. Un atomo Y meno elettronegativo del carbonio determina un allontanamento degli elettroni. In questo caso Y diventa δ + e il carbonio a cui è legato δ. Anche qui si ha uno spostamento di elettroni dagli atomi adiacenti che indebolisce il legame C C. Questo effetto induttivo è di tipo repulsivo 10

11 Si dicono sostituenti elettron-donatori gli atomi molto meno elettronegativi del carbonio (metalli), i gruppi atomici in cui il carbonio è legato a molti atomi di idrogeno (gruppi alchilici) e gli atomi con cariche negative (O, S ). Nel corso di una qualunque reazione i legami dei reagenti devono rompersi per poterne formare di nuovi. Così accade anche per i composti organici. Un aspetto essenziale di una reazione organica è la rottura del legame covalente tra gli atomi di carbonio, che si può realizzare secondo due modalità: omolitica ed eterolitica. Nella rottura omolitica o radicalica ciascun atomo di carbonio trattiene uno dei due elettroni condivisi. Si ha così la formazione di radicali o radicali liberi: atomi o gruppi atomici aventi un elettrone spaiato. La rottura omolitica può essere provocata dal calore (termolisi) o dalla radiazione ultravioletta (fotolisi). I radicali liberi (H, Cl, CH 3 ) sono fortemente instabili, per cui tendono a reagire con altri radicali o con molecole per ricostituire legami covalenti. 11

12 Nella rottura eterolitica o polare l atomo più elettronegativo trattiene entrambi gli elettroni prima condivisi. Si formano così carbanioni e i carbocationi. Il carbanione è un anione la cui carica negativa è localizzata su un atomo di carbonio. Il carbocatione è un catione la cui carica positiva è localizzata su un atomo di carbonio. Le reazioni eterolitiche, le più frequenti tra i composti organici, coinvolgono sempre specie chimiche povere di elettroni (elettrofili) e specie chimiche ricche di elettroni (nucleofili). Gli elettrofili sono specie chimiche con una parziale o totale carica positiva oppure con l ottetto incompleto Gli elettrofili tendono a reagire con specie chimiche ricche di elettroni (nucleofili). I nucleofili sono specie chimiche con una parziale o totale carica negativa oppure con un doppietto elettronico disponibile 12