Fondamenti di chimica organica

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1 Fondamenti di chimica organica on il termine chimica GANIA si intende la chimica del carbonio, e di tutti i composti che lo contengono; gli idrocarburi sono i composti organici più semplici, vi sono comunque moltissimi altri composti che si ottengono dalla reazione del carbonio con alcuni altri elementi Elementi presenti negli organismi viventi Elemento Elettronegatività Valore Differenza dal N tipico di legami ssigeno Idrogeno arbonio Zolfo loro Azoto Fosforo e 5 adicali: Il radicale si ottiene togliendo un idrogeno ad un idrocarburo e il nome del radicale è la radice del nome (ricavata dal numero di atomi di ) + il suffisso ile Di solito sono indicati o - Metile Etile Propile Butile

2 Gruppi funzionali: sono quei gruppi di atomi che sostituiscono un in un idrocarburo, ovvero sono attaccati ad un radicale idrocarburico + + Gruppo Funzionale GF

3 ALLI, FENLI, ETEI e TILI sostituendo un con un - sostituendo il 2 con un - ' Acqua Alcol Etere Alcoli Se è un composto aromatico abbiamo i fenoli Se viene sostituito da S si hanno i tioli Ar Fenoli (Ar) S Tioli Alcol Primari Alcol Secondario Alcol Terziario

4 Il gruppo funzionale degli alcoli (-) influenza moltissimo le proprietà fisiche di questi composti a partire dalla temperatura di ebollizione; Il gruppo può formare legami idrogeno intermolecolari. Legame idrogeno Acqua Legame idrogeno Alcol Solubilità degli alcoli in acqua Il legame idrogeno si forma ogni qual volta un idrogeno è legato ad un atomo molto elettronegativo e questo succede sia nell acqua che nell alcol, questo spiega l elevata solubilità di questi composti organici in acqua.

5 Nomenclatura degli alcoli Quando in un idrocarburo è presente un gruppo la vocale finale dell alcano, dell alchene e dell alchino viene sostituito da olo. La numerazione dei carboni viene fatta in modo che il gruppo abbia il numero più basso possibile. Se un alchene o un alchino contengono un gruppo si usano i seguenti nomi: posizione del gruppo - posizione del gruppo - -ene olo -ino olo posizione del doppio legame posizione del triplo legame Esempi: Metanolo esin-2-olo icloesanolo 3 Br propanolo (alcol isopropilico) 2-Metil-2-butanolo 5-Bromo-3-esin-2-olo

6 eazioni chimiche degli alcoli omportamento come base e acido di Lewis Disidratazione degli alcoli 2 S 4 + Si noti che l - e l - che vengono persisi trovano su atomi di carbonio adiacenti Esempi 2 S S S Questa reazione non avviene Si forma l alchene più sostituito < < = < < <

7 Formazione degli alogenuri alchilici + X X + 2 Esempio Br 3 Br + 2 omposti poliossidrilici (alcoli polifunzionali) Molti composti contengono più di un gruppo. Questi composti vengono chiamati allo stesso modo degli alcoli normali tranne che ad ogni viene assegnato un numero per indicare la posizione e prefissi di-,tri-, e così via per indicare ilnumero di 2 2 1,2-etandiolo Glicol etilenico (Il componente principale degli anticongelanti) 2 2 1,2,3-propantriolo Glicerolo o Glicerina (serve a dare ad alcuni saponi una sensazione di morbideza)

8 Fenoli I fenoli si distinguono dagli alcoli solo per la presenza del gruppo funzionario ( ) nell anello benzenico. Il Fenolo viene usato come composto progenitore degli altri composti (come abbiamo visto per il toluene) eazione: Sostituzione elettrofila aromatica del fenolo Fenolo IUPA Benzenolo Acido fenico E + E E Esempi: N 2 N 3 2 S N 2 S 3 2 S 4 ΔE S 3

9 Eteri Gli eteri sono composti schematicamente simili all acqua in cui entrambi gli idrogeni sono sostituiti con gruppi Alchilici ed Arilici (, Ar) Gli eteri assomigliano a idrocarburi polari; Non contenendo idrogeni legati all ossigeno quindi non si hanno legami idrogeno tra molecole di eteri. Bassi Punti di ebollizione Sono ottimi solventi per gli idrocarburi e hanno deboli legami idrogeno con gli alcoli e l acqua. ' e ' '

10 Nomenclatura degli eteri Vi è una nomenclatura sistematica secondo la IUPA ma questi composti vengono comunemente chiamati menzionando i due gruppi, che siano alchilici o arilici, facendo seguire poi il termine etere di-meti etere metil-etil etere di-etil etere Fenil n-propil etere Epossidi (eteri ciclici) 2 2 epossido di etilene Tetraidrofurano Diossolano

11 Gruppo arbonilico Il gruppo carbonilico e i suoi composti: δ + δ ALDEIDI E ETNI δ + δ - Legame dipolare La presenza dell ossigeno impartisce a queste molecole una buona polarità; Ar ' Ar Ar Ar' Aldeidi hetoni Non ci sono legami idrogeno intermolecolare anche se possono dare legami idrogeno con altre molecole come l acqua o gli alcoli.

12 Per le Aldeidi Nomenclatura dei composti carbonilici La nomenclatura segue le stesse regole viste per gli alcoli ad eccezione del fatto che alla suffisso olo (che indica appunto un alcol) è sostituito dal suffisso ale. La struttura delle aldeidi è tale che il gruppo carbonilico si trova in posizione terminale (carbonio 1), tutti gli altri gruppi sostituenti sono numerati a partire da questa posizione Bromo-5-metil esanale 3 Br Per i hetoni Valgono le stesse regole di nomenclatura; in questo caso il suffisso è one. Quando è presente, il gruppo carbonilico ha priorità su tutti gli altri gruppi funzionari, il gruppo prenderàilnome di idrossi. 1-Bromo-5-metil-3-eptanone Br

13 eazione dei composti carbonilici eazioni di addizione del gruppo carbonilico: la chimica del doppio legame. E + E Il doppio legame si presta all addizione di un elettrofilo E + e di un nucleofilo Nu - (-N, -, -, -) Nu - Nu N (E-Nu) 3 3 N ianidrine l 3 + l 3 Idrati (E-Nu) + 2 Pt (E-Nu) Alcoli

14 Le aldeidi ei chetoni derivano principalmente dalle reazioni di ossidazione degli alcoli - 2 Alcol primario Aldeide - 2 ' ' Alcol secondario hetone " Nessuna reazione [] è un agente ossidante: KMn 4, K 2 r 2 7 o r 3 ' Alcol terziario

15 Acidi arbossilici e loro derivati Il gruppo funzionale degli acidi carbossilici è il una contrazione delle parole carbonile ed ossidrile Il gruppo carbonilico ha due differenti modi di formare legami idrogeno dando dei dimeri e possono dare addirittura tre legami idrogeno con molecole di acqua Aumentando il numero di atomi di carbonio si ha però una drastica diminuzione della solubilità

16 Nomenclatura degli acidi carbossilici La priorità è data al gruppo carbossilico ed al carbonio carbossilico, in ogni schema di numerazione, è assegnata la posizione 1. La i finale degli acani, alcheni e alchini e sostituita dalla desinenza oico, preceduta dal termine acido; gli altri sostituenti della catena sono chiamati e numerati come detto in precedenza. Br 3 3 Br Br Acido 2-Bromo propanoico Acido 2-2-dibromo propanoico Acido 2-metil 2-butenoico Acido 3-oxo pentanoico

17 Preparazione degli acidi carbossilici mediante ossidazione [] [] Alcol primario Aldeide Acido carbossilico [] è un agente ossidante: KMn 4, K 2 r 2 7 o r 3 Esempio: Acidificazione del vino 3 [] 3 [] 3 Alcol etilico Aldeide Acetica Acido acetico [] [] [] 2 Alcol metilico Aldeide formica Acido formico

18 eazioni degli Acidi carbossilici ome dice il nome di questi composti sono degli acidi, quindi perdono facilmente un protone e formano anioni stabilizzati; nel caso degli anioni carbossilati gioca un ruolo importante la risonanza presente in tali ioni. _ - + _ ome acidi sono comunque più deboli dell l o N 3 o dell 2 S 4

19 Acidi Grassi Gli acidi grassi hanno tipicamente catene contenenti da 10 a 24 atomi di carbonio e si dividono in acidi grassi saturi e insaturi. Gli acidi grassi hanno un gruppo di testa polare ma il grosso gruppo alchilico li rende insolubili in acqua. Acidi grassi saturi Acido caprinico 3 ( 2 ) 8 Acido laurico 3 ( 2 ) 10 Acido miristico 3 ( 2 ) 12 Acido palmitico 3 ( 2 ) 14 Acido stearico 3 ( 2 ) 16 Acido arachidonico 3 ( 2 ) 18

20 acidi grassi insaturi Acido palmitoleico 3 ( 2 ) 5 ( 2 ) 7 Acido oleico 3 ( 2 ) 7 ( 2 ) 7 Acido linoleico 3 ( 2 ) 4 2 ( 2 ) 7 Acido linolenico ( 2 ) 7

21 eazioni degli acidi grassi insaturi Idratazione: L idratazione introduce un gruppo ossidrilico nella catena, ciò è importante nelle reazioni metaboliche nelle quali gli acidi grassi vengono demoliti per la produzione di energia ( 2 ) n + 2 ( 2 ) n Acido grasso insaturo Acido grasso idrossilato Idrogenazione: converte l acido grasso insaturo in acido grasso saturo l idrogenazione converte gli oli vegetali in grassi solidi (margarine) ( 2 ) n + 2 ( 2 ) n Acido grasso insaturo Acido grasso saturo

22 ESTEI Gli esteri sono tra i più comuni derivati degli acidi organici. Un estere ha la seguente formula di struttura: ' Gli esteri vengono sintetizzati facendo reagire un alcol con un acido carbossilico + ' Acido catalizzatore + 2 ' Acido carbossilico Alcol Estere Esempi Acido catalizzatore Acido catalizzatore 3

23 Nomenclatura degli esteri ' Appartiene all'acido Appartiene all'alcol I nomi si formano con il nome del gruppo alchilico dell alcol (metil, etil ecc ) seguito dal nome dell acido al quale alla desinenza oico viene sostituita con -oato Metil etanoato o metilacetato Isopropil benzoato Etil butanato

24 Gli esteri a basso peso molecolare hanno odore gradevole, fruttato; gli altri invece sono inodori. Esteri naturali di elevato peso molecolare sono i grassi e le cere. Le quali sono formate da grassi superiori e da alcoli monovalenti a catena lunga. Esteri inorganici + S 3 S P 3 P N 2 N I fosfati e gli esteri fosfati sono utilizzati come detergenti, mentre gli esteri dei nitrati sono esplosivi 2 N 2 Nitroglicerina N 2 2 N 2

25 Gli esteri della frutta sono gli esteri più piccoli, in cui sia l'acido che l'alcol hanno una catena di meno di 10 atomi + ' ' Primo gruppo laterale (acido) Secondo gruppo laterale ' (alcol) dore fruttato metile metile propile etile isobutile isopentile ottile etile rum lampone banana arancia ananas Le cere hanno catene di carbonio, sia nell'acido che nell'alcol, più lunghe di 10 atomi (a volte più di 30): a volte sono di pari lunghezza. Alcuni classificano le cere nel gruppo dei lipidi semplici, insieme agli oli naturali e ai grassi palmitato di cetile (nel bianco di balena) palmitato di miricile (cera d api)

26 eazioni degli esteri Idrolisi basica (saponificazione) di un estere ' ' Estere Sale dell'acido Alcol o Fenolo Esempi:

27 Saponificazione 2 (2)n (2)n 3 (2)n Na Meccanismo di funzionamento dei saponi +- 3 Na (2)n 3

28 I carboidrati I carboidrati sono dei poliidrossi aldeidi o dei poliidrossi chetoni ed i loro derivati 2 Aldeide hetone Diidrossi aldeide (un carboidrato) Il nome carboidrati deriva dalle osservazioni iniziali che alcuni membri di questa classe di composti hanno una formula bruta che può essere rappresentata come n ( 2 ) n n ( 2 ) n 2 S 4 come disidratante n + n 2 Le unità fondamentali sono dette saccaridi (zucchero). Si hanno: i monosaccaridi: unità strutturali di base che costituiscono i carboidrati più semplici. oligosaccaridi: sono carboidrati che contengono due o più monosaccaridi (polisaccaridi)

29 Il nome di numerosi carboidrati contiene il suffisso osio o -oso Gliceraldeide Trioso, aldoso, aldotrioso Eritrosio Tetrosio, aldoso, aldotetroso ibosio Pentoso, aldoso, aldopentoso Glucosio Esoso, aldoso, aldoesoso Fruttosio Esoso, chetoso, chetoesoso

30 eazioni di idrolisi L idrolisi degli oligosaccaridi o dei polisaccaridi porta alla formazione di monosaccaridi Glucosio + 2 monosaccaride + diluito nessuna reazione Saccarosio + 2 disaccaride + diluito Glucosio + Fruttosio monosaccaridi ribosio

31 glucosio fruttosio

32 2 2 glucosio fruttosio saccarosio 2

33 2 2 2 ellulosa 2 n cellulosa Amido (I) n amido (II)

34 AMMINE ed AMMIDI Le ammine e le ammidi sono composti organici in cui è presente azoto le ammine in particolare sono dei derivati organici dell ammoniaca N 3 " N N ' N ' N Ammoniaca Ammina primaria Ammina secondaria Ammina terziaria N Il doppieto elettronico sull azoto impartisce all ammoniaca e alle ammine derivate il comportamento di BASE di Lewis.

35 L azoto è più elettronegativo del carbonio quindi c è una certa polarità nel legame -N anche se minore di quella presente nel legame -. La minore elettronegatività dell azoto rispetto all ossigeno fa si che il legame idrogeno che si ha nelle ammine sia molto più debole di quello presente negli alcoli e negli acidi. Nomenclatura Le ammine vengono identificate in base al nome del gruppo alchilico sull atomo di azoto seguito dal suffisso -ammina Esempi: 3 2 N 3 2 N 3 N 3 h 3 3 Etil-ammina Etil metil-ammina trimetil-ammina

36 L atomo di azoto può trovarsi in un idrocarburo ciclico e in questo caso la nomenclatura è particolare: N 2 N N N N Anilina Piridina Pirrolidina Piperidina Pirrolo Le ammine possiedono il caratteristico odore di pesce alcune volte molto sgradevole 2 N N 2 2 N N 2 Putrescina adaverina

37 eazione delle ammine Gia detto del loro comportamento come basi di Lewis N + + X - N + + X - Accettore dielettroni (Acido di Lewis) Donatore dielettroni (Base di Lewis) Sale di ammonio Esempi: 3 N 2 + l 3 N l - N 3 + Br N Br N S N S 4 -

38 eazioni nucleofile Alcune delle più importanti proprietà chimiche delle ammine si basano sulla loro capacità di agire come nucleofili. N Anilina - N 2 N N + 2 N Nu + X Nu + X N 2 + Br 3 3 N Br -

39 eazione di un ammina con una anidride organica ' ' + N N + " (o ) " (o ) Ammide Acido Ammidi N eazione di formazione: + ' ' + 2 Estere ' ' + N N + 2 Legame Ammidico " (o ) " (o ) Ammide

40 Le Ammidi nei polimeri Il legame ammidico è spesso coinvolto sia nellaformazione di polimeri naturali (le proteine) che in quella di polimeri sintetici (per esempio il Nylon) Il Nylon è sintetizzato industrialmente riscaldando un derivato dell acido adipico ed il 1-6 diamminoesano N N N N n La robustezza del Nylon deriva dai legami idrogeno che si istaurano tra differenti catene N N n N N n

41 Preparazione in laboratorio del Nylon

42 Gli Amminoacidi ome dice la parola stessa sono composti organici in cui sono presenti nello stesso composto sia il gruppo funzionale amminico (-N 2 ) che quello acido (-) L unione di diversi amminoacidi da luogo alla formazione delle PTEINE e le proteine sono i mattoni cellulari (più del 50% della massa secca delle cellule e costituita da proteine. Le proteine svolgono un ampia varietà di funzioni: - Gli enzimi sono catalizzatori di specifiche reazioni chimiche - L emoglobina è addetta al trasporto dell ossigeno e dell anidride carbonica - Sono anche coinvolte nel movimento di sostanze nelle membrane. - Esercitano ruoli protettivi come gli anticorpi che si legano a corpi estranei compresi i virus e i batteri e il complesso anticorpo-corpo estraneo può essere facilmente distrutto (proteine sacrificali). - Alcune proteine sono contrattili e costituiscono le fasce muscolari.

43 I 20 amminoacidi più diffusi 2 N 2 N 2 2 N Alanina Ala o A Valina Val o V Leucina Leu o L 2 N 3 2 N 2 2 N N Isoleucina Ile o I Fenilalanina Phe op Triptofano Trp o W

44 2 N N S N 3 Metiolina Met o M Prolina Pro o P Glicina Gly o G 2 N 2 2 N 2 N 2 Serina Ser o S 3 Treonina Thr o T Tirosina Tyr o Y

45 2 N 2 S isteina ys o 2 N 2 N 2 Asparagina Asn o N 2 N 2 2 Glutamina Glu o Q 2 N 2 N Acido Glutammico Glu o E Acido Aspartico Asp o D

46 2 N 2 2 N N N 2 N N N 2 N N Lisina Lys o K Arginina Arg o Istidina is o

47 Il legame peptidico Il legami peptidici uniscono assieme gli amminoacidi per formare i peptidi e le proteine Legame ammidico + 2 N ' N ' + 2 Quando questo legame coinvolge amminoacidi si chiama legame peptidico + 3 N N N N Legame peptidico

48 2 N N N N N Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu Leu-encefalina

49 Acidi nucleici Acido Desossiribonucleico DNA e l Acido ribonucleico NA Sono polimeri i cui monomeri sono i nucleotidi. iascun nucleotide è formato da tre componenti: un gruppo fosfato, uno zucchero pentoso e una base azotata. Nell NA lo zucchero è il ribosio, mentre nel DNA è il desossiribosio che, rispetto al ribosio, ha un atomo di ossigeno in meno. ibosio Desossiribosio

50 Nucletidi

51 Nel polimero si innestano alcuni amminoacidi semplici. Nel DNA sono adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (); nell NA al posto della timina c è l uracile (U). Le basi sono caratterizzate da unioni obbligate: A con T (o viceversa) e con G (o viceversa); naturalmente nell NA al posto di T troviamo U. Adenina Timina Uracile Guanina itosina itosina, Timina e Uracile sono dette pirimidine perché hanno una struttura ad anello singolo, invece l Adenina e la Guanina sono purine, cioè costituite da strutture a doppio anello.

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