La chimica organica. La chimica organica è la chimica dei composti del carbonio.

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1 La chimica organica La chimica organica è la chimica dei composti del carbonio. Gli Idrocarburi sono composti organici contenenti solo carbonio (C) e idrogeno (H). Ci sono composti organici che contengono anche altri atomi (eteroatomi) oltre a C e H (per esempio, ossigeno (O), azoto (N), zolfo (S) e fosforo (P)).

2 La chimica organica In generale, un composto organico è un qualsiasi composto del carbonio che, almeno in origine, è sintetizzato da un essere vivente. I composti organici contengono soprattutto atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto; altri elementi presenti in tracce sono zolfo, magnesio e fosforo.

3 La chimica organica I composti organici possono formare lunghe catene grazie alla capacità del carbonio di dare luogo a quattro legami (in base al simbolo di Lewis). A seconda che le coppie di elettroni condivisi siano una, due o tre, si possono formare:

4 Carbonio sp 3 : alcani e cicloalcani Gli idrocarburi sono composti binari formati soltanto da atomi di carbonio e idrogeno Gli idrocarburi vengono classificati, secondo la nomenclatura tradizionali, in: idrocarburi saturi quando sono costituiti da catene lineari, ramificate o cicliche e solo legami singoli (idrocarburi alifatici); idrocarburi insaturi quando presentano una particolare struttura ciclica e una serie di doppi legami (tra questi ci sono gli idrocarburi aromatici).

5 Carbonio sp 3 : alcani e cicloalcani Il metano (CH 4 ) è l esemplificazione della classe dei composti degli idrocarburi saturi. La molecola di metano presenta una geometria tetraedrica con angoli di legame di

6 Carbonio sp 3 : alcani e cicloalcani Gli alcani sono idrocarburi alifatici con formula C n H 2n+2. La forma di rappresentazione più semplice utilizza le formule condensate.

7 Carbonio sp 3 : alcani e cicloalcani I cicloalcani sono idrocarburi alifatici che, a partire dal propano, possono chiudere la catena di atomi di carbonio con la perdita di due atomi di idrogeno. La formula generale dei cicloalcani è C n H 2n.

8 A. L orbitale 2s e i tre orbitali 2p di C si mescolano per formare quattro orbitali ibridi sp 3. I quattro elettroni di valenza dell atomo di carbonio riempiono a metà gli orbitali ibridi sp 3. B. Nel metano, i quattro orbitali sp 3 di C sono orientati verso i vertici di un tetraedro e si sovrappongono agli orbitali 1s di quattro atomi di H. Ciascun orbitale sp 3 si riempie per aggiunta di un elettrone proveniente da H (rappresentati come punti).

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10 FIGURA 12-6 Legami e struttura in CH4

11 Carbonio sp 3 : alcani e cicloalcani La formula degli alcani lineari è: C n H 2n+2

12 Carbonio sp 3 : alcani e cicloalcani

13 Alcani C 2 H 6 C 3 H 8

14 Come faccio a prevedere la struttura di un composto organico? Si scrive la struttura di Lewis per la specie che interessa Si contano le coppie di elettroni (sia di legame che di non legame o solitarie) attorno all atomo di C (legami multipli contano quanto uno singolo!) Le coppie si dispongono alla massima distanza possibile per minimizzare la repulsione elettronica La disposizione di tali coppie porterà alla geometria della molecola Perciò la struttura dei composti organici è determinata dal numero di coppie elettroniche di legame intorno all atomo di C Coppie elettroniche Orientazione geometrica Ibridazione Esempio 2 Lineare (angoli di 180 ) sp Alchini 3 Trigonale planare o triangolare (angoli di 120 ) sp 2 Alcheni, benzene e composti aromatici, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri 4 Tetraedrica (angoli di 109 ) sp 3 Alcani, alcoli, eteri, ammine, solfuri

15 Isomeria Si definiscono isomeri due o più molecole aventi stessa formula molecolare ma differente formula di struttura Formula molecolare: C 5 H 12 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH CH 2 CH 3 pentano CH 3 2-metilbutano

16 Isomeria Si dicono isomeri i composti che hanno medesima formula, ma che differiscono per: il modo in cui gli atomi si legano tra loro (isomeri di struttura).

17 All aumentare del numero di atomi di carbonio, aumenta il numero dei possibili isomeri. Isomeria

18 Nomenclatura

19 Nomenclatura Gli alcani, caratterizzati da legami semplici C-C (saturazione), presentano desinenza ano I loro nomi, ricavati unendo radice+desinenza, saranno: metano, etano, propano, butano, pentano etc. I residui che si formano togliendo un idrogeno (indicati genericamente con R), conservano la stessa radice, ma cambiano la desinenza da ano in ile e saranno pertanto metile, etile, propile, butile, pentile etc

20 Nomenclatura

21 Nomenclatura Il nome degli idrocarburi termina con il suffisso -ano, se nella catena carboniosa non vi sono doppi o tripli legami o gruppi funzionali I nomi dei residui si usano quando si presentano catene ramificate L alcano prende il nome dalla catena lineare più lunga, preceduto dai nomi dei residui che costituiscono le catene laterali (a loro volta preceduti dal numero d ordine dell atomo di carbonio della catena principale al quale il residuo è legato) La catena principale deve essere numerata in modo da dare il numero più basso possibile alle catene laterali

22 Nomenclatura L indicazione della nomenclatura IUPAC è quella di attribuire un numero a ogni atomo di carbonio della catena, in modo da potere stabilire a quale atomo di questa catena è legato il gruppo funzionale o una diramazione della catena.

23 Nomenclatura Si inizia la numerazione dalla estremità della catena che consente di fare ricorso ai numeri più piccoli.

24 Nomenclatura Nominare la catena più lunga C C C C C C C C Esan

25 Nomenclatura Individuare gruppi funzionali e sostituenti C C C C C C C C Dimetilesano

26 Nomenclatura Numerare correttamente la catena C C C C 1 C C 6 C 5 C 2,4-Dimetilesano

27 Proprietà fisiche dei composti organici

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29 Proprietà fisiche dei composti organici Un composto organico è solubile in acqua, se contiene gruppi ionici, come COO, NH 3+, S, o gruppi polari capaci di formare legami con l acqua, come OH, NH 2, =NH, =CO I gruppi che si legano bene all acqua sono chiamati idrofili I gruppi che non determinano solubilità in acqua sono detti idrofobici o lipofili Gruppi idrofobici sono, per esempio, CH 3, (CH 2 ) n CH 3, C 6 H 5

30 Proprietà fisiche dei composti organici Un composto organico privo di gruppi idrofili è insolubile in acqua. Se, invece, contiene contemporaneamente gruppi idrofili e idrofobici, la sua solubilità in acqua dipende dal prevalere del carattere idrofilo o idrofobico dei diversi gruppi.

31 I saponi gruppo polare catena non-polare La parte polare del sapone è idrofila e interagisce con l acqua La parte non-polare è idrofoba e interagisce con olio e grasso

32 I saponi Fase acquosa Grasso Pelle

33 I saponi

34 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini Gli alcheni sono idrocarburi che presentano almeno un doppio legame nella molecola, hanno geometria planare e angoli di legame di 120 Gli alchini sono idrocarburi con almeno un triplo legame nella molecola, e hanno geometria lineare e angoli di legame di 180

35 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini La formula generale degli alcheni è C n H 2n. La nomenclatura degli alcheni è simile a quella degli alcani, con il suffisso -ene La formula generale degli alchini è C n H 2n-2. La nomenclatura degli alchini segue quella degli alcani, con il suffisso -ino

36 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini FIGURA Legami sigma (σ) e pi greco (π) in C 2 H 4

37 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini

38 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini Nome tradizionale: Etilene Nome IUPAC: Etene Nome tradizionale: Propilene Nome IUPAC: Propene

39 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini FIGURA Legami sigma (σ) e pi greco (π) in C 2 H 2

40 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini Nome tradizionale: Acetilene Nome IUPAC: Etino

41 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini Orbitali di legame nell etilene e nell acetilene

42 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini Per attribuire il nome ad alcheni e alchini, gli atomi di carbonio della catena vanno numerati in modo da indicare la posizione dei doppi legami o dei tripli legami e degli eventuali radicali presenti

43 Propene 1-Butene 2-Butene 2-Metil-1-pentene 2-Metil-2-pentene 3-Etil-2-esene

44 Carbonio sp 2 e sp: alcheni e alchini Per attribuire il nome ad alcheni e alchini, gli atomi di carbonio della catena vanno numerati in modo da indicare la posizione dei doppi legami o dei tripli legami e degli eventuali radicali presenti

45 Propino 1-Butino 2-Butino 4-Metil-2-pentino 4,4-Dimetil-1-pentino

46 Carbonio sp 2 : idrocarburi aromatici Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene, C 6 H 6 Il benzene viene rappresentato come ibrido di risonanza di due forme limite che differiscono per la posizione dei doppi legami.

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48 FIGURA Legami nel benzene, C 6 H 6, col metodo del legame di valenza

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51 Carbonio sp 2 : idrocarburi aromatici La nomenclatura dei composti aromatici segue sia la IUPAC... sia la tradizionale

52 Carbonio sp 2 : idrocarburi aromatici Quando il benzene è presente come ramificazione assume il nome di fenile: Difenilammina

53 Carbonio sp 2 : idrocarburi aromatici Quando sull anello aromatico sono presenti due gruppi, le posizioni reciproche si indicano nella nomenclatura tradizionale con i prefissi orto-, meta- e para Questi indicano le posizioni 2, 3 e 4 di un sostituente rispetto a un primo gruppo presente sul benzene.

54 Carbonio sp 2 : idrocarburi aromatici Per esempio:

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56 I gruppi funzionali Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo di atomi che determina le proprietà chimiche di un composto organico, permettendone la classificazione.

57 I gruppi funzionali

58 I gruppi funzionali

59 I gruppi funzionali

60 I gruppi funzionali

61 Gli alogenuri alchilici e arilici Gli alogenuri alchilici e gli alogenuri arilici possono essere considerati derivati dalla sostituzione di un atomo di idrogeno, rispettivamente, di un alcano a catena aperta o di un idrocarburo aromatico, con un atomo di un alogeno Alogenuri alchilici Alogenuri arilici 1,2-Diclorobenzene

62 Gli alogenuri alchilici e arilici Sono importanti alogenuri: il cloroformio CHCl 3, il tetracloruro di carbonio CCl 4, il Freon CF 2 Cl 2, il DDT e la diossina

63 Alcoli, fenoli ed eteri Gli alcoli derivano dagli idrocarburi per sostituzione di un idrogeno con un gruppo ossidrile ( OH) che ne diventa il gruppo funzionale La formula generale degli alcoli è R OH

64 Alcoli, fenoli ed eteri Gli alcoli si classificano in primari, secondari e terziari a seconda che l atomo di carbonio a cui è legato l ossidrile sia unito rispettivamente a uno, due o tre atomi di carbonio

65 Alcoli, fenoli ed eteri Secondo la nomenclatura IUPAC, il nome dell alcol deriva da quello dell idrocarburo corrispondente a cui si aggiunge la desinenza -olo Se presentano due o tre gruppi ossidrili, gli alcoli prendono il nome di dioli e trioli

66 Alcoli, fenoli ed eteri La solubilità degli alcoli decresce all aumentare del numero di atomi di carbonio: la buona solubilità di metanolo, etanolo e propanolo in acqua è dovuta alla formazione di legami a idrogeno

67 Alcoli, fenoli ed eteri A parità di massa molecolare, gli alcoli e i fenoli hanno punti di ebollizione più alti rispetto agli idrocarburi e agli eteri

68 Alcoli, fenoli ed eteri Il gruppo OH può formare legami idrogeno: gli alcoli a corta catena sono solubili in acqua, se aumenta il numero degli atomi di carbonio la solubilità diminuisce Gli alcoli a basso PM sono liquidi, quelli a lunga catena solidi

69 Alcoli, fenoli ed eteri Il metanolo (CH 3 OH) è una sostanza altamente tossica: 30 ml provocano la morte di un essere umano adulto L etanolo (CH 3 CH 2 OH) è il costituente di tutte le bevande alcoliche. Si ottiene per fermentazione degli zuccheri da parte di microorganismi Viene adoperato come combustibile al posto della benzina e trova impiego nell industria dei solventi, dei profumi e dei cosmetici

70 Alcoli, fenoli ed eteri Il glicol etilenico è un diolo che viene impiegato come liquido anticongelante grazie all alto punto di ebollizione e alla totale solubilità in acqua Il glicol etilenico è usato per la sintesi di numerosi composti tra cui il PET, la resina con cui si producono le bottiglie «di plastica»

71 Alcoli, fenoli ed eteri Il glicerolo, più noto come glicerina, è un triolo Trova impiego nell industria dei cosmetici e delle vernici Il derivato nitrato del glicerolo, la nitroglicerina, è un potente esplosivo

72 Alcoli, fenoli ed eteri Il fenolo è il capostipite degli alcoli aromatici a cui dà il nome (fenoli).

73 Alcoli, fenoli ed eteri Gli eteri sono caratterizzati da un atomo di ossigeno che lega due gruppi alchilici Hanno formula generale degli eteri è R O R La nomenclatura degli eteri si basa sul nome, in ordine alfabetico, delle catene alchiliche presenti nella molecola, a cui segue il nome etere

74 Tioli Il gruppo funzionale dei tioli o tioalcoli è il gruppo sulfidrilico o tiolico SH in cui l atomo di zolfo sostituisce quello di ossigeno Hanno formula generale R SH

75 Aldeidi e chetoni Le aldeidi hanno gruppo funzionale CHO I chetoni hanno gruppo funzionale CO Sono detti anche composti carbonilici (il carbobile è il gruppo C=O)

76 Aldeidi e chetoni FIGURA Legami e struttura della molecola H 2 CO - L Esempio 12-3 illustrato

77 L ibridazione è sp 2 Aldeidi e chetoni

78 Aldeidi e chetoni La nomenclatura utilizza il nome dell alcano corrispondente a cui si aggiunge il suffisso -ale per le aldeidi il suffisso -one per i chetoni H R Aldeidi: l atomo di carbonio è legato ad almeno un atomo di idrogeno Chetoni: l atomo di carbonio è legato ad altri due atomi di carbonio

79 Aldeidi e chetoni

80 Aldeidi e chetoni L acetone è un liquido volatile, di odore grato, infiammabile e molto solubile in acqua È un ottimo solvente per molti composti organici, per vernici, lacche e celluloide

81 Acidi carbossilici e derivati Gli acidi carbossilici sono caratterizzati dal gruppo funzionale COOH, chiamato gruppo carbossile La nomenclatura degli acidi carbossilici prevede l aggiunta del suffisso -oico al nome dell alcano corrispondente Alla nomenclatura IUPAC ne è affiancata una corrente tutt ora in uso

82 Acidi carbossilici e derivati FIGURA Legami e struttura della molecola H 2 CO - L Esempio 12-3 illustrato HCOOH

83 Acidi carbossilici e derivati L acido formico HCOOH è stato chiamato così perché isolato per la prima volta dalle formiche L azione irritante delle punture di molti insetti e delle ortiche è dovuta appunto all acido formico L acido acetico CH 3 COOH è stato isolato per la prima volta dall aceto, di cui costituisce dal 5 al 7% Acido formico e acido acetico sono solubili in acqua in tutte le proporzioni

84 Acidi carbossilici e derivati L acido propionico CH 3 CH 2 COOH si forma nella maturazione dei formaggi Uno dei componenti caratteristici del burro è un derivato dell acido butirrico CH 3 CH 2 CH 2 COOH L acido benzoico C 6 H 5 COOH è il più semplice acido carbossilico aromatico Un suo importante derivato è l acido acetilsalicilico, l aspirina

85 Acidi carbossilici e derivati Sono detti acidi grassi saturi gli acidi carbossilici alifatici insolubili in acqua a causa della lunga catena carboniosa Gli acidi grassi naturali contengono un numero pari di atomi di carbonio Sono acidi grassi saturi:

86 Acidi carbossilici e derivati Sono acidi grassi insaturi:

87 Acidi carbossilici e derivati

88 Acidi carbossilici e derivati A partire dagli acidi carbossilici, con reagenti adeguati, si ottengono diversi derivati, tutti caratterizzati dalla presenza del gruppo RCO (gruppo acilico)

89 Acidi carbossilici e derivati Gli esteri si ottengono per reazione fra un acido carbossilico e alcol ad alta temperatura

90 Acidi carbossilici e derivati Esteri naturali ad alto peso molecolare sono le cere, i grassi e gli oli Le cere sono esteri di un acido carbossilico e di un alcol entrambi a lunga catena

91 Acidi carbossilici e derivati I grassi (solidi e saturi) e gli oli (liquidi e insaturi) sono esteri del glicerolo (trigliceridi) con acidi carbossilici a lunga catena sia saturi sia insaturi

92 Acidi carbossilici e derivati I grassi e gli oli riscaldati con una soluzione acquosa di NaOH (o di KOH) danno luogo ad un idrolisi alcalina I saponi sono i sali di sodio (o di potassio) degli acidi grassi a lunga catena

93 Acidi carbossilici e derivati Le ammidi sono derivati degli acidi carbossilici molto diffuse in natura (per esempio nelle proteine). La nomenclatura delle ammidi prevede la sostituzione del suffisso -ammide al nome dell acido corrispondente

94 Ammine Le ammine derivano dall ammoniaca (NH 3 ) per sostituzione di uno, due o tutti gli atomi di idrogeno con altrettanti gruppi alchilici Il gruppo funzionale delle ammine è il gruppo amminico

95 Ammine La nomenclatura delle ammine prevede che si indichino i nome dei gruppi alchilici legati all azoto con la desinenza -ammina

96 Ammine Le ammine sono derivati organici dell ammoniaca NH 3 Se sostituiamo uno, due o tutti e tre gli atomi di idrogeno dell ammoniaca con uno, due o tre radicali, abbiamo rispettivamente le ammine primarie, secondarie e terziarie:

97 Gruppi Funzionali Alcani Alcheni Alchini Areni Alogenuri alchilici

98 Gruppi Funzionali Alcoli Etere Ammine Tioli Solfuri

99 Gruppi Funzionali Composti carbonilici Aldeidi Chetoni Acidi Esteri

100 Esercizi Dare il nome alle seguenti molecole organiche: CH 3 H 2 C CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH CH CH 2 CH 2 CH 2 H 2 C H 2 C CH CH CH 3 CH CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH C Br Br CH 3 CH 3 OH CH 2 CH 3 CH 3 O CH 2 C CH CH C H 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 C CH 3 CH 3 H 2 C O CH 2 C OH CH 3 H 3 C CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 O CH 3 Br Br H 3 C

101 Esercizi Determinare la geometria e l ibridazione degli atomi di C (e di N, O e S) con l'asterisco: O* CH 3 H 2 *C C*H 2 C* C*H 3 H 3 C CH 2 C*H CH C* C* CH 3 CH 2 C*H 3 O CH 3 *CH 2 C* OH H 3 *C *CH 2 S* CH 3 H 2 *C C *H C*H 2 O*H * * N* *CH 3 CH 3

102 Esercizi Scrivere la struttura dei seguenti composti: 4-metil-2-eptanolo 4,4-dimetilpentene 2-bromo-3-cloro-4-iodopentanolo 3,5-dibromo-4-cloroesene 1,3-diclorobenzene meta-dietilbenzene Acido 2-metilpentanoico 2-esanone 3-etilpentanale etil-butil etere 2,2-dimetil-4-ottino Trietilammina

103 Esercizi Scrivere la formula di un alcano, di un alchene e di un alcol e assegnare a ciascun composto il proprio nome Scrivere la formula di un aldeide, di un acido carbossilico e di un estere e assegnare a ciascun composto il proprio nome Scrivere la formula di un composto aromatico, di un etere e di un chetone e assegnare a ciascun composto il proprio nome

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