Introduzione alla Chimica organica

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1 Introduzione alla Chimica organica Definizione di Jacob Berzelius (1807): I composti organici sono quelli elaborati dagli organismi viventi (animali e vegetali) e costituiti prevalentemente da carbonio e la chimica organica è quella scienza che studia i comportamenti chimici e fisici dei composti organici. Nel 1828 il chimico tedesco Friedrich Wöhler per primo riuscì nella sintesi di un composto organico (l urea) a partire da composti inorganici. La definizione più corretta di chimica organica diventa: La scienza che si occupa delle caratteristiche chimiche e fisiche delle molecole organiche. Si definiscono convenzionalmente composti organici i composti del carbonio con eccezione del monossido di carbonio e dell anidride carbonica.

2 Il carbonio Cosa rende l elemento carbonio così particolare da dovergli riservare una chimica a parte rispetto a quella di tutti gli altri elementi messi insieme (chimica inorganica)? Il carbonio occupa un posto centrale nella Tavola Periodica. Ha un elettronegatività tale da preferire legami covalenti con gli altri non metalli, formando milioni di composti stabili.

3 Infatti l atomo di carbonio: Il carbonio forma fino a 4 legami covalenti singoli, doppi o tripli ha piccole dimensioni; non ha elevata elettronegatività, che permette la formazione di legami stabili con elementi come l idrogeno e l ossigeno e altri non-metalli forma, con altri atomi di carbonio, catene, corte o assai lunghe, lineari o ramificate, oppure chiuse ad anello, con una varietà di combinazioni quasi infinita; forma un elevatissimo numero di isomeri (molecole costituite dagli stessi atomi, che però sono disposti in modo differente nello spazio) Il carbonio (simbolo C) è un non metallo del gruppo VI A del sistema periodico; è presente in natura, allo stato elementare, in due differenti forme cristalline: la grafite e il diamante. Nella crosta terrestre è presente in una piccola percentuale nei carbonati, nel petrolio, nel carbone e nel gas naturale; nell atmosfera si trova soprattutto come monossido (CO) e diossido (CO 2 ) di carbonio (o anidride carbonica), ma la percentuale maggiore di carbonio si trova come costituente delle strutture di base degli organismi.

4 Il carbonio In che modo il carbonio forma 4 legami covalenti? Nella sua configurazione elettronica fondamentale ha solo 2 elettroni spaiati! C Z=6 1s 2 2s 2 2p 2 Se uno degli elettroni nell orbitale 2s è promosso nel 2p vuoto, abbiamo 4 elettroni spaiati e quindi la possibilità di formare 4 legami covalenti. Ma i 4 legami con l idrogeno non sarebbero equivalenti!

5 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 3 Il carbonio Dalla combinazione di un orbitale atomico di tipo s e 3 orbitali atomici di tipo p si generano 4 orbitali atomici ibridi di tipo sp 3. I 4 orbitali hanno una forma che ricorda gli orbitali di tipo p, con i 2 lobi di dimensioni diverse. Un orbitale sp 3 ha il 25% di carattere s e il 75% di carattere p.

6 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 3 Il carbonio In questo modo i 4 elettroni del guscio più esterno del C diventano perfettamente equivalenti, si dispongono lungo un tetraedro, a 109 l uno dall altro e possono far formare al Carbonio stesso 4 legami identici tra loro. Metano CH 4

7 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp3

8 L ibridazione sp 3 non spiega la struttura di composti come l etilene 8

9 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 2 Il carbonio Nell ibridzione sp 2 solo questi tre orbitali generano orbitali ibridi identici mentre l orbitale p z rimane invariato

10 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 2 Lo stato di ibridazione sp 2 è tipico degli atomi di carbonio impegnati in un doppio legame C=C o

11 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp Nell ibridzione sp solo questi due orbitali generano orbitali ibridi identici mentre gli orbitali p y e p z rimangono invariati

12 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp

13 E come spieghiamo la struttura dell etino o acetilene? ETINO 13

14 Ricapitolando IBRIDAZIONE 1s + 3p 4 sp 3 (tetraedro) 1s + 2p IBRIDAZIONE 3 sp 2 (triangolare planare) 1s + 1p IBRIDAZIONE 2 sp (lineare) 14

15 I composti organici Gli idrocarburi: composti binari, ovvero costituiti solo da due elementi. Carbonio (C) e idrogeno (H)

16 Gli idrocarburi Gli Alcani Costituiti da uno o più atomi di carbonio legati tra loro mediante legami singoli (C n H 2n+2 ) -Gli alcani sono insolubili in acqua: sono apolari, pertanto non formano legami idrogeno con le molecole d acqua

17 Tutti gli alcani si indicano con la desinenza: -ano Numero atomi di carbonio crescente

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19 Isomeria Gli idrocarburi Isomeri di struttura: composti con la stessa composizione chimica ma in cui gli atomi sono legati in modo diverso Esempio: butano e isobutano

20 Isomeria Gli idrocarburi All aumentare del numero di atomi di carbonio aumenta il numero di possibili isomeri

21 Isomeria ISOMERI CONFORMAZIONALI

22 Isomeria + STABILE

23 Isomeria

24 Isomeria

25 Propietà fisiche degli Alcani

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31 Gli idrocarburi Cicloalcani Alcani a catena ciclica Rappresentazione a stecche e sfere

32 Gli idrocarburi I cicloalcani, ad eccezione del ciclopropano (3 atomi di carbonio), non sono piani ma adottano delle conformazioni ripiegate tridimensionali che consentono di diminuire la tensione di anello. Es. Cicloesano

33 Isomeria

34 Gli idrocarburi ALCHENI o olefine. Sono caratterizzati dalla presenza di un doppio legame nella molecola Tutti gli alcheni si indicano con la desinenza: -ene indicando il numero del primo atomo di carbonio partecipante al doppio legame Gli atomi di carbonio si numerano partendo dall estremità più vicina al doppio legame CH3 CH=CH CH2 CH3 CH3 CH2 CH =CH CH3 2-pentene 2-pentene

35 Gli idrocarburi CICLO ALCHENI Conformazione cicloesene

36 Isomeria geometrica cis-trans Questi due composti hanno la stessa formula molecolare e gli atomi sono legati nello stesso ordine ma la disposizione nello spazio è diversa: sono diasteromeri Reazioni degli alcheni: addizione al doppio legame CH 2 CH 2 + H 2 CH 3 CH 3

37 Addizione elettrofila agli alcheni Regola di Markovnikov: in un addizione elettrofila di acidi alogenidrici ad un alchene asimmetrico, l elettrofilo si lega al carbonio meno sostituito

38 In una molecola possono essere presenti 2 (dieni) o più (trieni, tetraeni ) legami multipli Maggiore stabilità degli isolati. Perché?

39 Gli idrocarburi ALCHINI Sono caratterizzati dalla presenza di un triplo legame nella molecola Tutti gli alchini si indicano con la desinenza: -ino indicando il numero del primo atomo di carbonio partecipante al triplo legame GLI ALCHINI NON POSSONO FORMARE CICLI

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41 IDROCARBURI AROMATICI Sono caratterizzati dalla presenza di delocalizzazione elettronica che conferisce particolare stabilià. Immaginiamo la struttura molecolare che vede ogni atomo di C con 3 orbitali atomici ibridizzati sp 2 ed un orbitale p non ibrido:

42 IDROCARBURI AROMATICI Gli idrocarburi BENZENE Non si può dire con precisione quali siano gli orbitali p che si uniscono per formare il doppio legame, perché si possono avere entrambe le strutture in risonanza: Grazie alla delocalizzazione degli elettroni negli orbitali p z l anello benzenico è un anello AROMATICO. Il concetto di Aromaticità non è confinato solo al benzene, in quanto un affinché composto viene considerato aromatico se presenta una particolare configurazione elettronica.

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44 I composti aromatici policiclici NB:Nelle strutture chimiche gli atomi di carbonio (e gli atomi di idrogeno ad essi legati) spesso non sono indicati ma vengono rappresentati solo i segmenti dei legami che li uniscono

45 I gruppi funzionali E possibile catalogare tutti i composti organici in poche decine di famiglie. La collocazione di una molecola in una famiglia dipende dalla presenza di un caratteristico gruppo di atomi definito gruppo funzionale. Es1 : Etene (o etilene) e limonene appartengono alla stessa famiglia, quella degli alcheni, perché possiedono lo stesso gruppo funzionale, il doppio legame C=C, e la loro reattività chimica sarà molto simile indipendentemente dalle loro dimensioni o dalla loro complessità Es2: Colesterolo ed etanolo: due alcoli strutturalmente molto diversi, ma possiedono entrambi il gruppo funzionale -OH

46 I gruppi funzionali

47 I gruppi funzionali

48 ALCOLI Formula generale R OH SUFFISSO: -OLO Es. METANOLO alcoli possono essere classificati come primari (1 ), secondari (2 ) o terziari (3 ) a seconda che il gruppo OH sia legato ad un carbonio primario, secondario o terziario. Si indica con gruppo generico R una catena di 1 o più atomi di carbonio Es: METANOLO Es: 2- BUTANOLO Es: 2- METIL 2-PROPANOLO

49 Il punto di ebollizione degli alcoli è più alto rispetto a quello degli alcani con peso molecolare simile. Ciò dovuto alla polarità delle molecole di alcol che si associano allo stato liquido grazie ai legami idrogeno. A causa di questi legami è richiesta una ulteriore energia, rispetto agli alcani, per separare le molecole una dall altra. L aumento di solubilità in acqua degli alcoli rispetto agli alcani, dipende dai legami idrogeno che il gruppo OH stabilisce con le molecole di acqua

50 Alcoli con più di un ossidrile Reazioni degli alcoli: Disidratazione Ossidazione

51 AMMINE R NH2 SUFFISSO: AMMINA METILAMMINA AMMINA PRIMARIA AMMINA SECONDARIA AMMINA TERZIARIA Alta importanza biologica dovuta alla loro reattività con acqua, acidi carbossilici e aldeidi

52 ALDEIDI SUFFISSO: ALE METANALE o aldeide formica PROPANALE o aldeide propionica CHETONI SUFFISSO: ONE DIMETIL CHETONE METIL-PROPIL CHETONE Alta importanza biologica dovuta alla loro reattività con alcoli e ammine SI OTTENGONO PER OSSIDAZIONE DA ALCOLI PRIMARI E SECONDARI

53 ACIDI CARBOSSILICI PREFISSO: ACIDO SUFFISSO: OICO SI OTTENGONO PER OSSIDAZIONE DI ALDEIDI ESTERI SUFFISSO: ATO alla catena R + di R SI OTTENGONO PER REAZIONE DI UN ACIDO CARBOSSILICO CON UN ALCOL propanoato di metile

54 ETERI R O R SUFFISSO: ETERE DIMETIL ETERE METIL ISOBUTIL ETERE più volatili e meno solubili degli alcoli TIOLI R SH SUFFISSO: TIOLO METANTIOLO

55 Elementi costitutivi della materia vivente: 20 aminoacidi proteine, ormoni, porfirine, substrati energetici 5 basi nucleotidiche DNA, RNA, coenzimi, trasportatori di energia meno di dieci tipi di zuccheri substrati energetici, elementi di riconoscimento cellulare acidi grassi costituenti delle membrane, substrati energetici Le macromolecole sono composti multimerici assemblati a partire da un certo numero di subunità più semplici: Proteine aminoacidi Acidi nucleici nucleotidi Polisaccaridi monosaccaridi Lipidi acidi grassi, alcoli

56 SUBUNITA MONOMERICHE Lettere dell alfabeto (26 tipi diversi) Deossiribonucleotidi (4 tipi diversi) Aminoacidi (20 tipi diversi) A L M H I G F E D C B R Q P O N S T U V Z X W K J Y M E S S A G G I M A S S A G G I P A S S A G G I C T G A G A T T A C C A A G T T T C C G G A C C A T T G Thr Tyr Phe Asn Gly Ser Met Asp Lys Gln Leu Ile Arg Val Ala His Pro Trp Cys Glu Gly Val Ser Asp Phe Arg Glu Ala Arg Gly Leu Pro Cys Asn Phe Glu Asp Gly Leu Pro Gly Lys Trp Cys SEQUENZE LINEARI ORDINATE

57 Formula generale (CH 2 O) n Monosaccaridi sono aldeidi o chetoni poliossidrilici; sono solidi cristallini inodori, incolori, idrosolubili. Contengono uno o più atomi di C asimmetrici e quindi sono presenti in natura sotto forma di vari isomeri. Si dividono in: Aldosi (ribosio, glucosio, galattosio, ) Chetosi (fruttosio, )

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59 Legame O- glicosidico : gruppo ossidrilico di uno zucchero che reagisce con l atomo di C anomerico di un altro zucchero. Può essere di tipo α o β

60 Polimeri ad alto peso molecolare formati da numerose unità di monosaccaridi. Si distinguono in omopolisaccaridi e eteropolisaccaridi Omopolisaccaridi con funzione di riserva energetica: AMIDO Polisaccaride di riserva delle cellule vegetali formato da unità di glucosio. GLICOGENO Polisaccaride formato da unità di glucosio. Ha funzione di riserva nelle cellule animali ed è presente in particolare nel fegato e nel muscolo scheletrico.

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64 Componenti strutturali degli acidi nucleici Trasportatori di energia chimica (ATP ) Cofattori enzimatici (NAD, FAD,..)

65 RNA Polimero di ribonucleotidi DNA Polimero di deossiribonucleotidi

66 DNA: -depositario dell informazione genetica della cellula (genoma) - costituito da due filamenti antiparalleli avvolti uno attorno all altro a formare una doppia elica destrorsa - estremamente stabile

67 Scoperta nel 1953 da Watson e Crick

68 Le proteine sono macromolecole di peso molecolare compreso fra 5000 e daltons costituite da un certo numero di aminoacidi legati fra loro in modo covalente in sequenze lineari caratteristiche. Gli aminoacidi si differenziano in base alla struttura della catena laterale; gli aminoacidi che compongono le proteine sono solamente 20 e sono tutti nella forma L-

69 ossia:

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71 Catena laterale apolare Catena laterale polare Catena laterale carica

72 Ogni proteina contiene un unico gruppo amminico libero e un unico gruppo carbossilico libero Il legame peptidico è un legame di tipo amidico che unisce il gruppo carbossilico di un aminoacido con il gruppo amminico dell aminoacido successivo

73 Struttura primaria È la sequenza aminoacidica della proteina a partire dall estremità N-terminale; è determinata dal codice genetico e si basa sul legame covalente fra gli aminoacidi. Struttura secondaria, terziaria e quaternaria Dipendono dalla struttura primaria; si basano su interazioni deboli non covalenti come legami idrogeno, interazioni idrofobiche,

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75 Fonte di energia Riserva di energia Lipidi Sostanze organiche molto eterogeneee dal punto di vista chimico, caratterizzate da dimensioni molecolari modeste, insolubili in acqua ma solubili nei solventi organici. Si distinguono in grassi e oli. Funzione strutturale: membrane biologiche Ormoni steroidei,... Protezione termica, meccanica, elettrica

76 ACIDI GRASSI Sono l unità costituente di altri lipidi. Sono acidi carbossilici a lunga catena (da 4 a 36 atomi di carbonio). Le proprietà fisiche dipendono dalla lunghezza della catena idrocarburica e dalla presenza di doppi legami Acido stearico 18:0 Acido oleico 18:1 ( 9 )

77 Alcuni acidi grassi presenti in natura

78 L impacchettamento degli acidi grassi dipende dal loro grado di saturazione Gli acidi grassi saturi nella forma completamente estesa si impacchettano con una disposizione quasi cristallina (consistenza cerosa). La presenza di uno o più doppi legami interferisce con questa disposizione e produce aggregati meno stabili (liquidi oleosi)

79 I lipidi nell alimentazione Gli acidi grassi saturi sono solidi a temperatura ambiente e si trovano nei grassi animali (formaggi, carni, salumi, burro ecc.); essi possono essere dannosi se assunti in quantità eccessiva. Gli acidi grassi insaturi sono liquidi a temperatura ambiente e si trovano per esempio negli oli vegetali (olio d oliva e di semi) e nel pesce. Un importante acido grasso monoinsaturo è l acido oleico che si trova nell olio d oliva. Come tutti gli acidi grassi insaturi esso agisce positivamente nella prevenzione dell aterosclerosi. Gli acidi grassi insaturi possono distinguersi in monoinsaturi, se hanno un doppio legame lungo la catena carboniosa, e polinsaturi, se hanno due o più doppi legami. I più importanti acidi grassi polinsaturi sono: 1) acido linoleico, della serie omega-6 (olio d oliva, di mais, di vinaccioli e di soia) 2) acido linolenico, della serie omega-3. (pesce azzurro, semi di soia e olio di soia) Sono detti anche acidi grassi essenziali perché l organismo umano non è in grado di sintetizzarli, per cui devono essere introdotti con gli alimenti. sono i costituenti della membrana cellulare; ostacolano la deposizione di colesterolo nelle arterie prevenendo l aterosclerosi; da essi derivano le prostaglandine, sostanze prodotte dal nostro organismo che svolgono numerose funzioni.

80 3 acidi grassi legati ad una molecola di glicerolo mediante legame estere Non polari, idrofobici, insolubili in acqua Presenti nella cellula come gocce nel citosol (in particolare negli adipociti) Funzione di riserva energetica In alcuni animali usati anche come isolamento termico

81 I costituenti del fosfato di calcio [Ca 3 (PO 4 ) 2 ] hanno le seguenti masse molari espresse in g/mol: Ca = 40, P = 31, O = 16. Si può affermare che 0,125 moli di tale composto: A) Contengono una massa di calcio superiore a quella dell ossigeno B) Contengono 7,525 *10 24 molecole C) Contengono 1 mole di atomi di ossigeno D) Hanno massa 155g E) Dissociandosi completamente liberano 0,25 moli di cationi

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83 Calcolare quanti grammi di idrogeno gassoso si formano per reazione di 39 grammi di potassio metallico (peso atomico: 39 u.m.a.) con acqua (reagente in eccesso), dopo aver bilanciato la seguente reazione: K + H 2 O --> KOH + H 2 A)4.5 B)0.5 C)2.0 D)3.0 E)1.0 Nei trigliceridi gli acidi grassi sono legati a: A)Glicerolo B)Propanolo C)Acido glicerico D)Glicerofosfato E)Propandiolo

84 Dati i seguenti acidi: (1) H 2 SO 4 ; (2) CH 3 COOH; (3) H 2 S; (4) HCN; (5) HClO 4 ; (6) HNO 3 ; (7) H 3 PO 4 ; (8) HF, individuare la serie che indica solamente quelli poliprotici. A) (1), (2), (3), (7) B) (3), (4), (8) C) (2), (4), (6) D) (1), (3), (7) E) (1), (5) Quanti grammi di H 2 SO 4 (P.M. = 98 u.m.a.) sono contenuti in 250 ml di una soluzione acquosa 2 M di H 2 SO 4? A) 57 g B) 98 g C) 24,5 g D) 49 g E) 13 g

85 Quanti grammi di una sostanza avente peso molecolare pari a 100 u.m.a. sono necessari per preparare 10 ml di una soluzione 2,5 M? A) 5,00 B) 250,00 C) 10,00 D)2,50 E) 1,25 Qual è lo stato di ibridazione degli orbitali del carbonio nel cicloesano (C 6 H 12 )? A) sp 3 B) sp C) sp 2 D) sp 4

86 Il ph di una soluzione tampone di un acido debole corrisponde al pk dell acido quando: A) nel tampone è presente anche una base forte B) nel tampone è presente anche un acido forte C) il rapporto tra la concentrazione dell acido debole e la concentrazione del suo sale è pari a 10 D) la concentrazione dell acido debole è uguale alla concentrazione del suo sale E) la concentrazione dell acido debole è uguale alla metà della concentrazione del suo sale Quale delle seguenti sostanze può comportarsi sia da acido che da base secondo Brønsted-Lowry? A) CO 2-3 B) H 2 PO 4 - C) H 3 O + D) NH 4 + E) CH 4

87 Qual è il volume minimo di ossigeno per la combustione completa di 400ml di propano se consideriamo i due gas nelle stesse condizioni di temperatura e pressione? A) 1000 ml B) 1200 ml C) 1600 ml D) 2000 ml E) 4000 ml Quando un catalizzatore è aggiunto ad una reazione chimica, quale/i dei seguenti eventi accade/ono? 1. L'energia di attivazione viene abbassata 2. La quantità finale di prodotto aumenta 3. Aumenta la velocità di formazione dei prodotti A) Solo 1 e 3 B) Solo 3 C) Solo 1 D) Solo 1 e 2 E) Solo 2

88 Durante la fusione di un corpo che si trova allo stato solido quale delle seguenti grandezze del sistema non cambia? A) Il volume B) La densità C) L energia termica D) La velocità media con cui si muovono le sue particelle E) La temperatura Quale è la formula bruta del dimetilchetone? A) C 3 H 3 O 2 B) C 3 H 4 O C) C 3 H 3 O D) C 3 H 2 O E) C 3 H 6 O

89 Per quanti atomi di idrogeno il benzene differisce dal cicloesano? A) 4 B) 3 C) 5 D) 6 E) 2 In 100 ml di una soluzione 2M sono presenti 6 grammi di soluto. Qual è il peso molecolare del soluto in u.m.a.? A) 60 B) 30 C) 120 D) 3 E) 12