Introduzione alla chimica organica

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1 Introduzione alla chimica organica Generalità sui composti organici atene carboniose Formule di struttura Isomeria lassi di composti organici Nomenclatura I OMPOSTI ORGANII Il carbonio è l elemento centrale attorno al quale la chimica della vita si è sviluppata La spiegazione va ricercata nella STRUTTURA ATOMIA DEL ARBONIO Tale struttura lo rende capace di formare una varietà maggiore di composti che non qualunque altro elemento. Il arbonio forma legami - per dare lunghe catene carboniose (SELETRO ARBONIOSO). Può formare legami -, -N, -O, -S e legami con gli alogeni dando vita a numerosi classi di composti organici.

2 omposti organici saturi ed insaturi OMPOSTI SATURI composti organici il cui scheletro carbonioso contiene solo LEGAMI SINGOLI OMPOSTI INSATURI composti organici in cui è presente un DOPPIO o un TRIPLO LEGAME. OMPOSTI POLIINSATURI composti organici in cui sono presenti due o più legami DOPPI o TRIPLI. atene carboniose L atomo di carbonio in una catena carboniosa si dice: Primario, se è legato ad un altro atomo di Secondario se è legato a due altri atomi di Terziario, se è legato a tre altri atomi di Quaternario, se è legato a quattro altri atomi di

3 atene carboniose Lineari: costituite da atomi di carbonio primari e secondari Ramificate: costituite anche da atomi terziari e quaternari Aperte: almeno due atomi di carbonio primari icliche: nessun atomo di primario; solo atomi secondari e terziari atene carboniose catena lineare catene ramificate = atomo di carbonio primario =atomo di carbonio secondario = atomo di carbonio terziario = atomo di carbonio quaternario

4 atene cicliche iclica: solo atomi secondari e terziari atene cicliche Omocicliche: catene formate solo da atomi di carbonio Eterocicliche: catene formate da atomi di carbonio ed atomi di altri elementi (N, S, O)

5 Tipi di formule Formula bruta: indica il tipo di atomi che costituiscono la molecola e in che rapporto stanno tra loro Formula di struttura: definisce quali e quanti atomi costituiscono la molecola e come sono legati (concatenati) Formula tridimensionale: rappresentazione spaziale degli atomi in una molecola (es. modello a sfere e aste, rappresentazione a cuneo ecc.) Formula razionale o condensata: gli atomi di idrogeno sono raggruppati intorno all atomo di carbonio cui sono legati Formula condensata semplificata: rispetto alla precedente, gli atomi di e di sono sottintesi Formula contratta: gruppi simili vengono raggruppati in un unica sequenza. Tipi di formule Tabella 2.1 libro rosso

6 3 8 O formula bruta Formule del propanolo Formule di struttura Formula condensata Modello tridimensionale (a sfere e aste) 3 ( 2 ) 2 O Formula condensata semplificata Formula contratta formule..come visto per il propanolo, le formule razionali (o condensate) possono essere ulteriormente semplificate

7 Formule tridimensionali (rappresentazione a cuneo) I composti sono rappresentati mediante figure geometriche piane. In realtà, la maggior parte delle molecole organiche non è piana!! E possibile usare rappresentazioni bidimensionali che contengono informazioni tridimensionali. Un esempio è dato dalle rappresentazioni a cuneo. esempio di molecola con 4 legami distribuiti intorno ad un centrale in modo tetraedrico I legami nel piano del foglio sono rappresentati da una linea continua Legami orientati al di sopra del piano Legami orientati al di sotto del piano Altre formule tridimensionali. Es. Rappresentazione a cuneo, a cavalletto e proiezione di Newman per la molecola di etano

8 Si definiscono ISOMERI i composti chimici che presentano identica formula bruta (e quindi medesima massa molecolare), ma diverse caratteristiche chimiche e/o fisiche. atena ostituzionale Posizione Funzione Isomeria ONFORMAZIONALE Stereoisomeria Diastereoisomeria ONFIGURAZIONALE Enantiomeria Gli isomeri costituzionali differiscono per l ordine con cui sono legati i loro atomi (concatenamento) e presentano pertanto diversa formula di struttura FORMULA BRUTA 2 6 O Esempio di isomeri costituzionali (di funzione)

9 ISOMERI OSTITUZIONALI ISOMERIA DI ATENA Diversa concatenazione degli atomi di carbonio n-butano Isobutano (2- metilpropano) ISOMERIA DI POSIZIONE Diversa posizione del medesimo gruppo funzionale 1-propanolo O 2-propanolo 3 3 O ISOMERIA DI GRUPPO FUNZIONALE Diverso gruppo funzionale Etanolo 3 2 O Etere dimetilico 3 O 3 TAUTOMERIA (isomeri di funzione) Due isomeri (di funzione) che possono trasformarsi reversibilmente l uno nell altro. Es. Tautomeria cheto-enolica Equilibrio cheto-enolico: 3 2 O O OO Ac. piruvico OO Ac. enol-piruvico

10 STEREOISOMERIA Descrive gli isomeri che differiscono per la disposizione degli atomi nello spazio L'ISOMERIA ONFORMAZIONALE è una forma di isomeria spaziale (stereoisomeria) in cui gli isomeri sono convertibili l uno nell altro senza rompere legami, ma attraverso rotazioni attorno al legame semplice -. Non sono fisicamente separabili L'ISOMERIA ONFIGURAZIONALE è una forma di isomeria spaziale in cui gli isomeri possono essere trasformati l uno nell altro solo rompendo legami chimici e scambiando di posizione i gruppi legati ad un atomo di carbonio. Sono fisicamente separabili Stereoisomeria conformazionale Es. icloesano

11 STEREOISOMERIA ONFIGURAZIONALE ENANTIOMERIA o isomeria ottica ENANTIOMERI: STEREOISOMERI ONFIGURAZIONALI E SONO L UNO L IMMAGINE SPEULARE NON SOVRAPPONIBILE DELL ALTRO DIASTEREOISOMERIA DIASTEREOISOMERI: TUTTI GLI STEREOISOMERI ONFIGURAZIONALI E NON SONO ENANTIOMERI (Es: isomeri cis-trans) Gli enantiomeri hanno proprietà fisiche identiche (p. ebollizione, p. fusione, solubilità etc), ad eccezione dell attività ottica e proprietà chimiche identiche, con l esclusione della interazione con altri reattivi otticamente attivi (chirali). LA IRALITA E UNA ONDIZIONE NEESSARIA PER LA PRESENZA DI ENANTIOMERI MOLEOLE IRALI: non sono sovrapponibili alle loro immagini speculari (non possiedono piani o centri di simmetria) Br l F l F Br Il clorobromofluorometano è una molecola chirale: le due strutture sono immagini speculari non sovrapponibili (enantiomeri). F l F F l F Il clorodifluorometano è una molecola achirale: le due strutture sono immagini speculari ma non sono enantiomeri perché sovrapponibili

12 STEREOISOMERIA ONFIGURAZIONALE Un asimmetrico, cioè legato a quattro atomi o gruppi diversi è un ENTRO IRALE anche denominato STEREOENTRO. X W Y Una molecola con uno stereocentro è chirale. Z Una molecola con due o più centri stereogenici può essere o può non essere chirale ENANTIOMERI Isomeri ottici dell acido lattico. Il centro di asimmetria è rappresentato dal carbonio asimmetrico. Un antipode ottico risulta l immagine speculare dell altro.

13 Es. di diastereoisomeria: Isomeria cis-trans is: i due gruppi uguali sono dalla stessa parte rispetto al piano che passa per i due carboni legati dal doppio legame. Trans: i due gruppi uguali sono da parti opposte rispetto allo stesso piano. Gli stereoisomeri cis-trans hanno proprietà fisiche diverse N.B.: L isomeria geometrica non esiste se anche solo uno dei 2 impegnati nel doppio legame è legato a gruppi o atomi uguali. l Non c è isomeria! Stereoisomeria cis-2-butene trans-2-butene

14 lassificazione delle sostanze organiche Alifatici omposti organici Aromatici Eterociclici Aciclici Aliciclici iclici lassificazione delle sostanze organiche omposti alifatici: composti aciclici, a catena aperta e composti ciclici affini (aliciclici) omposti aromatici: composti ciclici con particolari proprietà. omposti eterociclici: composti ciclici con atomi diversi dal carbonio nell anello.

15 LASSI DI OMPOSTI ORGANII I composti organici sono suddivisi in classi a seconda dei tipi di atomi che li costituiscono e del tipo di struttura e a seconda del gruppo funzionale, che rappresenta spesso il centro della reattività chimica. Spesso la parte della molecola che non reagisce viene indicata con la lettera R (radicale) Es. R-O, R-O-R, R-N 2 PRINIPALI GRUPPI FUNZIONALI

16 REGOLE DI NOMENLATURA ORGANIA A seconda del numero di atomi di carbonio che costituiscono la catena principale di un composto organico, si usano i seguenti prefissi seguiti poi dalle desinenze che indicano la classe a cui appartengono IDROARBURI omposti organici che contengono carbonio e idrogeno ALIFATII AROMATII Saturi Insaturi (benzene, naftalina ecc.) ALANI ( n 2n+2 ) ALENI ALINI DIENI (e polieni) ( n 2n ) ( n 2n-2 ) ( n 2n-2 )

17 Nomenclatura IUPA 1. Il nome base di un idrocarburo ramificato è dato dalla catena lineare carboniosa più lunga possibile 2. Gli atomi di carbonio della catena sono numerati in ordine crescente di modo che la numerazione parta dall estremità della catena normale più vicina ad una catena laterale. 3. La posizione della catena laterale è individuata dal numero del carbonio della catena normale da cui si ramifica Nomenclatura IUPA 4. Quando un atomo di carbonio porta diversi sostituenti, si ripete il numero del carbonio sostituito tante volte quanti sono i sostituenti. 5. Quando due o più sostituenti sono identici, si usa il prefisso di-,tri-, tetra-, ecc. 6. Se vengono individuate nel composto due catene normali della stessa lunghezza, la catena normale che dà luogo al maggior numero di sostituenti definisce il nome base dell idrocarburo.

18 Nomenclatura dei radicali I sostituenti (ramificazioni) di un idrocarburo sono radicali (alchilici o arilici) I radicali sono le strutture che derivano da idrocarburi in seguito a rimozione di un atomo di idrogeno. I radicali alchilici (R-) derivano da idrocarburi alifatici o aliciclici. I radicali arilici (Ar-) derivano da idrocarburi aromatici. Il nome dei radicali alchilici si ottiene sostituendo il suffisso ano con ile (es: metile, etile, propile, butile etc..).

19 9 REGOLE DI NOMENLATURA ORGANIA Individuare la catena carboniosa più lunga Assegnare ai gruppi sostituenti il numero più piccolo ,3,4-trimetil-nonano ( ) Diverse modalità di rappresentare la stessa catena carboniosa

20 Nomenclatura

21 IDROARBURI ALIFATII SATURI INSATURI ALANI ILOALANI ALENI ILOALENI ALINI ILOALINI

22 ALANI Alcani o paraffine: tutte le valenze degli atomi di sono saturate da legami con altri o atomi di. I NOMI BASE SI OTTENGONO DAL PREFISSO E INDIA IL NUMERO DI DELLA ATENA PIU LUNGA SEGUITO DAL SUFFISSO ANO: Atomi prefisso nome formula 1 Met- Metano 4 2 Et- Etano Prop- Propano But- Butano Pent- Pentano Es- Esano Ept- Eptano Ott- Ottano Non- Nonano Dec- Decano ESEMPIO L idrocarburo la cui formula è riportata sotto non si chiama trimetiletano ma dimetilpropano. 1. La catena carboniosa più lunga ha tre atomi di carbonio 2. A questa catena sono legati due metili 3. Non è necessario specificare che i due metili sono legati al carbonio dimetilpropano

23 ALOGENURI ALILII La radice del nome è quella della catena idrocarburica più lunga che contiene l alogeno. La posizione dell alogeno è indicata dal numero dell atomo di a cui è legato. In alternativa, il nome deriva dal nome comune del gruppo alchilico l lorometano (cloruro di metile) l l l Diclorometano l l Triclorometano (cloroformio) preceduto dall alogeno (-uro) l l l l Tetraclorometano (tetracloruro di carbonio) Br 1-bromopropano (bromuro di propile) l l F l triclorofluorometano (freon 11) l l F F diclorodifluorometano (freon 12) l F l diclorofluorometano (freon 21)

24 F l F Br F 1-cloro-1-bromo-2,2,2-trifluoroetano (alotano) l l l l tricloroetene (trielina) cloroetano (cloruro di etile) Nomenclatura degli idrocarburi aliciclici Il nome degli idrocarburi aliciclici si ottiene numerando il ciclo in senso orario, oppure antiorario, in modo da trovare il gruppo di valori numerici più bassi per indicare la posizione dei radicali alchilici.

25 La numerazione deve partire dall atomo di carbonio del ciclo cui è legato il metile e procedere in senso orario così da assegnare i valori numerici più bassi ai sostituenti. (a) (b) La numerazione può partire (a) dall atomo di carbonio in alto, recante il gruppo metilico come sostituente, e procedere in senso orario oppure (b) può iniziare dal carbonio in basso a destra, recante l etile, e procedere in senso antiorario. In generale, se si hanno 2 sostituenti in posizioni equivalenti, si assegna il numero più basso a quello che viene prima in ordine alfabetico. Il nome esatto è quindi 1-etil-2,3- dimetilciclopentano

26 2, 3, 4, 5 tetrametil-3-cicloesilesano Quando la catena laterale di un idrocarburo aliciclico è notevolmente complessa, la struttura ciclica può essere considerata a sua volta come sostituente. IDROARBURI INSATURI ALENI ( n 2n ) ALINI ( n 2n-2 ) DIENI ( n 2n-2 ) ALENI e ILOALENI: Etene o etilene 2-pentene iclopentene

27 Nomenclatura degli idrocarburi insaturi Gli idrocarburi contenenti un doppio legame tra atomi di carbonio sono detti alcheni Il nome dei composti a catena lineare viene costruito aggiungendo al prefisso, che specifica il numero di atomi di carbonio, il suffisso ene La posizione del doppio legame è individuata numerando la catena carboniosa a partire dall estremità che consente di assegnare il valore numerico più basso al primo degli atomi di carbonio impegnati nel doppio legame. Alcheni pentene pentene metil-1-butene 2-metil-2-butene 3 3-metil-1-butene

28 Alcheni cis-3-metil-2-pentene 2,3-dimetil-2-esene trans-3-metil-2-pentene Principali alcheni

29 ALENI ONTENENTI DUE O PIU DOPPI LEGAMI Se nella catena sono presenti due o più doppi legami, il loro nome si forma premettendo al suffisso ene, le particelle di-, tri-,tetra-, ecc ,3-butadiene 1,4-pentadiene 1,2-butadiene metil-1,3-butadiene

30 ciclopropano cicloesano 2 2 ciclopentano ciclobutano cicloesano È presente un doppio legame fra i carboni 1 e 2 dell anello. Il nome corretto è : cicloesene

31 Alchini Idrocarburi contenenti legami tripli. Il nome si forma aggiungendo il suffisso ino al prefisso specificante il numero di atomi di carbonio della catena più lunga. Il primo termine della serie, l etino ( è noto come acetilene. ), Principali alchini

32 GLI IDROARBURI AROMATII Il termine aromaticità è adoperato per descrivere il carattere di un poliene ciclico, completamente coniugato, planare che è più stabile del suo analogo a catena aperta. Il più semplice degli idrocarburi aromatici è il benzene: 6 6. Forme limite di risonanza del benzene ALTRI IDROARBURI AROMATII 3 Antracene Fenantrene 2 3 Metilbenzene (toluene) Etilbenzene

33 Principali idrocarburi aromatici OMPOSTI ORGANII ON GRUPPI FUNZIONALI in cui sono presenti eteroatomi 1. Saturi 2. Insaturi -Alcoli, tioli, eteri e tioeteri - Ammine - Aldeidi e chetoni - Acidi carbossilici - Derivati degli ac. carbossilici

34 Nomenclatura composti organici contenenti gruppi funzionali con eteroatomi Regole IUPA Scelta della catena di carboni più lunga che contiene il gruppo funzionale Numerazione della catena in modo da attribuire al carbonio recante il gruppo funzionale il numero più basso possibile Esaminiamo prima la nomenclatura dei seguenti composti organici: R-O R-O-R R-S R-S-R R-N 2 ALOLI ETERI TIOLI TIOETERI AMMINE ALOLI E TIOLI Si aggiunge la desinenza olo o tiolo rispettivamente al prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena più lunga contenente il gruppo funzionale 3 O metanolo ESEMPI 3 S metantiolo O propanolo S propantiolo O 2-metil-butanolo S 2-metil-butantiolo

35 ETERI E TIOETERI Si indicano i radicali (metile, propile, butile etc) seguiti da etere o tioetere 3 O 3 dimetiletere 3 S 3 dimetiltioetere O dipropiletere S dipropiltioetere AMMINE Si aggiunge la desinenza ammina al prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena carboniosa più lunga contenente il gruppo funzionale. Le ammine si definiscono primarie, secondarie e terziarie a seconda del numero di gruppi R legati all atomo di N. Per le ammine secondarie e terziarie, i residui legati all azoto si indicano preceduti dalla lettera N. N 2 metanammina 2 5 N 3 3 N,N-dimetil-etanammina N 2 2-propanammina

36 Nomenclatura composti organici contenenti gruppi funzionali QUELLI ONTENENTI IL GRUPPO ARBONILIO =O Aldeidi: R-O hetoni: R 1 -O-R 2 Si aggiunge la desinenza ale al prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena principale O propanale Si aggiunge la desinenza one al prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena principale O 2-metilpropanale 2-propanone o propanone O O 3-metil-2-butanone Acidi carbossilici e suoi derivati Il nome di un acido carbossilico è dato dal nome della catena carboniosa più lunga che contiene il gruppo carbossilico a cui si aggiunge il suffisso oico, preceduto dalla parola acido O O

37 DERIVATI DEGLI AIDI ALOGENURO AILIO Il nome si forma facendo seguire a quello dell alogenuro il nome dell acido carbossilico corrispondente con la desinenza oico cambiata in ile. Es:LORURO DI METANOILE ANIDRIDI I nomi si ottengono dall acido da cui derivano; basta sostituire il termine anidride a quello di acido. Es: ANIDRIDE ETANOIA ESTERI Si ottengono per reazione di un acido con un alcol. Sono stati denominati come Sali alchilici degli acidi carbossilici. Es: PROPIONATO DI ETILE AMMIDI I nomi si ottengono dall acido da cui derivano, sostituendo al suffisso oico, il suffiso ammide:es: PENTANAMMIDE ORDINE DI PREEDENZA NELLA NOMENLATURA DI ALUNI GRUPPI FUNZIONALI PRIORITA RESENTE