Appunti di Chimica Organica Elementi per CdL Ostetricia CHIMICA ORGANICA. Appunti di Lezione. Elementi per il corso di Laurea In Ostetricia

Transcript

1 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia CHIMICA RGANICA Appunti di Lezione Elementi per il corso di Laurea In stetricia Autore: Roberto Zanrè A.A. 2009/2010 1

2 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia Atomo di C e ibridizzazione sp 2 e sp ALCHENI e ALCHINI Nel suo stato fondamentale l atomo di C presenta la seguente configurazione elettronica: 6C: 1s 2, 2s 2, 2p x 1, 2p y 1, 2p z 0. La nuvola elettronica dell atomo di 6 C è costituita da 6 elettroni totali. Questo numero è pari al numero atomico dell atomo, scritto in basso a sinistra del simbolo dell elemento e coincide, ovviamente, con il numero di protoni presenti nel nucleo dell atomo. Questi 6 elettroni sono distribuiti nello spazio attorno al nucleo in un modo particolare, sulla base dei punti 1, 2, 3 e 4 descritti nella precedente sezione Atomi e configurazione elettronica. L orbitale 1s contiene 2 elettroni (è pieno); inoltre costituisce il nocciolo interno della nuvola elettronica del C, per cui dal punto di vista delle proprietà chimiche e della reattività chimica è ininfluente. Ci occuperemo, d ora in poi, solo degli elettroni che costituiscono lo strato esterno della nuvola elettronica (il livello 2, nel caso del C). Gli elettroni dello strato di valenza (esterno) del C sono così distribuiti: 1. L orbitale 2s contiene 2 elettroni (è pieno); 2. L orbitale 2p x contiene 1 elettrone (è semipieno); 3. L orbitale 2p y contiene 1 elettrone (è semipieno); 4. L orbitale 2p z contiene 0 elettroni (è vuoto). Sulla base di questa distribuzione degli elettroni nell atomo di C non si riesce a spiegare la tetravalenza (formazione di 4 legami) degli atomi di C che costituiscono la maggior parte delle molecole organiche. Per spiegare la formazione della stragrande maggioranza delle molecole organiche dobbiamo immaginare che la configurazione dell atomo di C sia leggermente diversa da quella rappresentata sopra. In effetti, considerazioni energetiche e dati sperimentali (lunghezze di legame, angoli di legame) suffragano la discussione che ora faremo sulla reale configurazione elettronica del C. 2

3 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia Immaginiamo, per un attimo, di poter promuovere uno dei 2 elettroni contenuti nell orbitale 2s all orbitale vuoto 2p z. vviamente, affinché l atomo di C possa far questo, bisogna fornire una piccola quantità di energia. Il processo è così rappresentabile: [1s 2 ] 2s 2, 2p x 1, 2p y 1, 2p z 0 [1s 2 ] 2s 1, 2p x 1, 2p y 1, 2p z 1 In questo modo, l atomo di C può condividere, per esempio con 4 atomi di H (monovalenti), 4 elettroni, formando 4 orbitali molecolari e, quindi, 4 legami covalenti. Nel momento in cui si formano 4 legami covalenti viene raggiunta la configurazione elettronica del gas nobile e viene restituita energia. ALCHENI: ibridizzazione sp 2 Per spiegare l esistenza di alcune molecole organiche, tuttavia, si invoca la possibilità che alcuni dei quattro orbitali esterni dell atomo di C 2s 1, 2p 1 x, 2p 1 1 y, 2p z possano mescolarsi tra di loro e formare orbitali ibridi, ognuno dei quali presenti un po delle caratteristiche degli orbitali s, p x, p y, p z di origine. Il processo di ibridizzazione restituisce energia, in quanto gli orbitali ibridi hanno meno energia degli orbitali atomici di partenza. Gli orbitali ibridi, ognuno con il proprio elettrone, possono formare legami covalenti condividendo il loro elettrone con un altro atomo. Quando l ibridizzazione coinvolge solo tre orbitali atomici, 2s, 2p x, 2p y, lasciando inutilizzato l orbitale 2p z si formano 3 orbitali ibridi, ognuno dei quali presenta un po delle caratteristiche degli orbitali s, p x, p y di origine. Questi orbitali ibridi vengono rappresentati con il simbolo: sp 2 (in cui è evidente che si ha 1 parte, 33%, di carattere s e 2 parti, 66%, di carattere p). Il processo di ibridizzazione è così schematizzabile: 2s 1, 2p x 1, 2p y 1 2(sp 2 ) 1, 2(sp 2 ) 1, 2(sp 2 ) 1 Questo processo restituisce energia, in quanto gli orbitali ibridi hanno meno energia degli orbitali atomici di partenza. Questi 3 orbitali ibridi, ognuno con il proprio elettrone, possono formare 3 legami covalenti condividendo il loro elettrone con un altro atomo. Gli orbitali ibridi sp 2 sono disposti tra di loro a 120 e giacciono, pertanto, sullo stesso piano. Si ricordi che resta inutilizzato l orbitale 2p 1 z, il quale è perpendicolare al piano dei tre orbitali ibridi sp 2. Questo 3

4 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia orbitale 2p 1 z, se messo vicino ad un altro orbitale 2p 1 z (per esempio di un altro atomo di C ibridizzato sp 2 ), può formare un legame covalente tra i due atomi di C. Questi due atomi di C adiacenti sono legati, quindi, da un doppio legame e la classe di composti che si forma è quella degli ALCHENI. Gli alcheni presentano, dunque, almeno due atomi di C legati da un legame doppio. Gli alcheni fanno parte della grande famiglia degli IDRCARBURI, come gli alcani, ma rispetto a questi ultimi sono detti insaturi, in quanto presentano un minor contenuto di idrogeno. La formula bruta degli alcheni è C n H 2n, (due atomi di C sono ibridizzati sp 2 ). Per la nomenclatura valgono le regole IUPAC, tenendo presente che è necessario (e sufficiente) indicare il primo atomo di C che instaura il doppio legame e che si sostituisce il suffisso ano con il suffisso ene al nome dell alcano corrispondente. Si osservi, inoltre, che a partire dal butene la posizione del doppio legame non è univoca ed esistono isomeri di struttura anche relativamente alla posizione del doppio legame nella catena della molecola. Vediamo ora alcuni esempi e la corrispondente nomenclatura. CH 2 =CH 2 CH 3 CH=CH 2 CH 3 CH 2 CH=CH 2 CH 3 CH=CH CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH=CH 2 CH 3 CH 2 CH=CH CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH=CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH=CH CH 3 CH 3 CH 2 CH=CH CH 2 CH 3 etene (etilene) propene 1-butene 2-butene 1-pentene 2-pentene 1-esene 2-esene 3-esene Esempi più complessi sono i seguenti: CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 C=CH CH CH 3 2,4-dimetil-3-esene CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH=CH CH 3 6-etil-4-metil-2-ottene 4

5 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH C CH 2 CH CH 2 CH 2 C=C CH 3 6,8-dietil-2,3,8,9-tetrametil-2-undecene CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 Et Pro Et CH 3 CH 2 CH C CH 2 C CH 2 CH 2 C=C CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 4,9,9 -trietil-7-propil-3,7,10-trimetil-3-dodecene I doppi legami, ovviamente, possono esser più d uno. In questo caso si forma la classe dei polieni (dieni se i doppi legami sono due, trieni se i doppi legami sono tre, ecc.). Alcuni esempi: CH 3 CH=CH CH=CH 2 CH 3 CH 2 CH=CH CH=CH 2 CH 2 =CH CH=CH CH=CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH=CH CH=CH 2 CH 3 CH=CH CH=CH CH=CH 2 1,3-pentadiene 1,3-esadiene 1,3,5-esatriene 1,3-eptadiene 1,3,5-eptatriene Tutti i polieni presentati sopra hanno i doppi legami coniugati (alternati da un solo legame semplice). I doppi legami possono essere anche isolati (quando sono separati da almeno due legami semplici): CH 2 =CH CH 2 CH 2 CH=CH 2 CH 3 CH=CH CH 2 CH=CH 2 CH 2 =CH CH 2 CH=CH CH=CH 2 1,5-esadiene 1,4-esadiene 1,3,6-eptatriene I doppi legami in posizione 1 e 3 sono coniugati, mentre il doppio legame in posizione 6 è isolato rispetto ai primi due. 5

6 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia ALCHINI: ibridizzazione sp L ibridizzazione può coinvolgere solo due orbitali atomici: 2s, 2p x, lasciando inutilizzati gli orbitali 2p y e 2p z. In questo tipo di ibridizzazione si formano 2 orbitali ibridi, ognuno dei quali presenta un po delle caratteristiche degli orbitali s, p x di origine. Questi orbitali ibridi vengono rappresentati con il simbolo: sp (in cui è evidente che si ha 1 parte, 50%, di carattere s e 1 parte, 50%, di carattere p). Il processo di ibridizzazione è così schematizzabile: 2s 1, 2p x 1 2(sp) 1, 2(sp) 1 Questo processo restituisce energia, in quanto gli orbitali ibridi hanno meno energia degli orbitali atomici di partenza. Questi 2 orbitali ibridi, ognuno con il proprio elettrone, possono formare 2 legami covalenti condividendo il loro elettrone con un altro atomo. Gli orbitali ibridi sp sono disposti tra di loro a 180 e giacciono, pertanto, sullo stesso piano e sulla stessa retta. Si osservi che restano inutilizzati gli orbitali 2p 1 y e 2p 1 z, i quali sono perpendicolari tra di loro e alla direzione dei due orbitali ibridi sp. Questi orbitali 2p 1 y e 2p 1 z, se messi vicino ad altri due orbitali 2p 1 y e 2p 1 z (per esempio di un altro atomo di C ibridizzato sp), possono formare due legami covalenti tra i due atomi di C. Questi due atomi di C adiacenti sono legati, quindi, da un triplo legame e la classe di composti che si forma è quella degli ALCHINI. Gli alchini presentano, dunque, almeno due atomi di C legati da un legame triplo. Gli alchini fanno parte della grande famiglia degli IDRCARBURI, come gli alcani, ma rispetto a questi ultimi sono detti insaturi, in quanto presentano un minor contenuto di idrogeno. La formula bruta degli alchini è C n H 2n-2 (due atomi di C sono ibridizzati sp). Per la nomenclatura valgono le regole IUPAC, tenendo presente che è necessario (e sufficiente) indicare il primo atomo di C che instaura il triplo legame e che si sostituisce il suffisso ano con il suffisso ino al nome dell alcano corrispondente. Si osservi, inoltre, che a partire dal butino la posizione del triplo legame non è univoca ed esistono isomeri di struttura anche relativamente alla posizione del triplo legame nella catena della molecola. Vediamo ora alcuni esempi e la corrispondente nomenclatura. CH CH CH 3 C CH etino (acetilene) propino 6

7 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia CH 3 CH 2 C CH 1-butino CH 3 C C CH 3 2-butino CH 3 CH 2 CH 2 C CH 1-pentino CH 3 CH 2 C C CH 3 2-pentino CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C CH 1-esino CH 3 CH 2 CH 2 C C CH 3 2-esino CH 3 CH 2 C C CH 2 CH 3 3-esino Gli rbitali Atomici (.A.) coinvolti nell ibridizzazione del C di tipo sp 3, sp 2, sp sono i seguenti. Gli rbitali Ibridi sono indicati con.i. Vengono anche indicati gli orbitali che rimangono inutilizzati nell ibridizzazione. 1. Ibridizzazione sp 3 :.A. coinvolti: 2s, 2p x, 2p y, 2p z Si formano 4 orbitali ibridi (.I.), tutti uguali: sp 3, sp 3, sp 3, sp 3 Nessun orbitale del C resta inutilizzato. 2. Ibridizzazione sp 2 :.A. coinvolti: 2s, 2p x, 2p y Si formano 3 orbitali ibridi (.I.), tutti uguali: sp 2, sp 2, sp 2 Resta non utilizzato un orbitale del C, il 2p z. 3. Ibridizzazione sp:.a. coinvolti: 2s, 2p x Si formano 2 orbitali ibridi (.I.), tutti uguali: sp, sp Restano non utilizzati due orbitali del C: 2p y, 2p z. Tra questi orbitali ibridi quelli che hanno maggior carattere s sono gli orbitali ibridi sp. Infatti, provenendo dal mescolamento di un orbitale s ed un orbitale p, hanno per il 50% carattere s. Nella tabella seguente viene ripresentata la classificazione degli idrocarburi. Essi vengono suddivisi in alcani, alcheni, alchini sulla base dell ibridizzazione dell atomo di C. n rappresenta il numero di atomi di C nella molecola. Gli alcani hanno formula bruta C n H 2n+2 (e gli atomi di C sono tutti ibridizzati sp 3 ), gli alcheni hanno formula bruta C n H 2n, (e almeno due atomi di C 7

8 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia sono ibridizzati sp 2 ), e gli alchini hanno formula bruta C n H 2n-2 (e almeno due atomi di C sono ibridizzati sp). Si osservi che il rapporto tra atomi di C e atomi di H diminuisce. Ciò è dovuto al fatto che gli alcani sono molecole di idrocarburi in cui sono presenti solo legami semplici (singoli) tra atomi di C, mentre gli alcheni presentano almeno due atomi di C legati da un legame doppio. Gli alchini, invece, presentano almeno due atomi di C legati da un legame triplo. Si ricordi che l atomo di C può instaurare solo 4 legami. IDRCARBURI alifatici (non ciclici) saturi insaturi ALCANI ALCHENI ALCHINI n = C n H 2n+2 nome C n H 2n nome C n H 2n-2 nome 1 CH 4 metano C 2 H 6 etano C 2 H 4 etene (etilene) C 2 H 2 etino (acetilene) 3 C 3 H 8 propano C 3 H 6 propene C 3 H 4 propino 4 C 4 H 10 butano C 4 H 8 butene C 4 H 6 butino 5 C 5 H 12 pentano C 5 H 10 pentene C 5 H 8 pentino 6 C 6 H 14 esano C 6 H 12 esene C 6 H 10 esino 7 C 7 H 16 eptano C 7 H 14 eptene C 7 H 12 eptino 8 C 8 H 18 ottano C 8 H 16 ottene C 8 H 14 ottino 9 C 9 H 20 nonano C 9 H 18 nonene C 9 H 16 nonino 10 C 10 H 22 decano C 10 H 20 decene C 10 H 18 decino 11 C 11 H 24 undecano C 11 H 22 undecene C 11 H 20 undecino 12 C 12 H 26 dodecano C 12 H 24 dodecene C 12 H 22 dodecino 13 C 13 H 28 tridecano C 13 H 26 tridecene C 13 H 24 tridecino 14 C 14 H 30 tetradecano C 14 H 28 tetradecene C 14 H 26 tetradecino 15 C 15 H 32 pentadecano C 15 H 30 pentadecene C 15 H 28 pentadecino Queste sono le formule brute che rappresentano queste molecole. Queste formule, tuttavia, non forniscono nessuna informazione sulla struttura spaziale di queste molecole. Una miglior comprensione della struttura spaziale si ottiene mediante le formule di struttura. 8

9 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia GRUPPI FUNZINALI I principali gruppi funzionali dei composti organici sono elencati nella tabella seguente. Simbolo gruppo funzionale Formula di struttura Nome del gruppo funzionale Classe del composto cui dà origine Esempio Nome C CH CR CNH 2 C H C C H C R C NH 2 chetonico carbossilico chetoni CH 3 C CH 3 acidi carbossilici CH 3 CH estereo esteri CH 3 C CH 3 ammidico ammidi CH 3 CNH 2 etereo eteri CH 3 CH 3 acido etanoico estere metilico dell acido etanoico ammide dell acido H H ossidrile alcoli CH 3 H metanolo H metilammina NH 2 amminico ammine CH 3 NH 2 N H CH aldeidico aldeidi CH 3 CH etanale dimetilchetone etanoico dimetiletere C=C alcheni CH 3 CH=CH 2 propene C C alchini CH 3 C CH propino 9

10 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia GRUPP CARBNILIC Il gruppo carbonilico è formato dall unione di un atomo di C con un atomo di. Il legame fra questo due atomi è doppio, esattamente come negli alcheni si ha un doppio legame tra due atomi di C. C = C C = La valenza dell atomo di è due, per cui questo atomo non forma altri legami. Si osservi che, così come nel gruppo insaturo degli alcheni gli atomi di C sono ibridizzati sp 2, anche gli atomi che formano il gruppo carbonilico sono ibridizzati sp 2. Il gruppo carbonilico è, quindi, planare e gli angoli di legame sono di 120. A seconda del tipo di gruppi legati all atomo di C si ottengono diverse classi di composti (R rappresenta un radicale alchilico generico. R un radicale alchilico che può essere diverso dal primo): R C H R C R R C H R C R R C NH 2 aldeidi chetoni acidi carbossilici esteri ammidi Per ognuno di questi composti vediamo, di seguito, alcuni esempi e la corrispondente nomenclatura. 10

11 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia 1. Aldeidi Le aldeidi possono presentare il gruppo carbonilico solo in posizione terminale (carbonio 1) e il loro nome si ottiene da quello del corrispondente alcano (contando tutti gli atomi di carbonio, compreso quello del gruppo carbonilico, il quale viene considerato l atomo numero 1) sostituendo il suffisso ano con il suffisso ale. CH 3 C H CH 3 CH 2 C H CH 3 CH 2 CH 2 C H CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C H etanale propanale butanale pentanale Alcuni esempi più complessi sono i seguenti: CH 3 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 3-metil-pentanale H CH 3 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH CH 2 CH 3-metil-5-idrossi-eptanale H Et NH 2 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH CH CH 3-etil-2-ammino-5-idrossi-eptanale 2. Chetoni I chetoni hanno l atomo di C del gruppo carbonilico legato a due radicali alchilici, uguali o diversi. La nomenclatura comune rispecchia questo fatto: si nominano i radicali alchilici e si aggiunge il nome chetone. La nomenclatura IUPAC, invece, fa riferimento all alcano 11

12 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia corrispondente sostituendo il suffisso ano con il suffisso one (ovviamente si indica, con un numero, la posizione dell atomo di C carbonilico). Come al solito gli esempi sono chiarificatori: CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 C CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 C CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH C CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 Et CH 3 CH 2 CH C CH CH 2 CH 2 CH 3 dietilchetone (3-pentanone) butiletilchetone (3-eptanone) metilpropilchetone (2-pentanone) dipropilchetone (4-eptanone) 3-metil-4-eptanone 5-etil-3-metil-4-ottanone 3. Acidi carbossilici Come per le aldeidi, anche gli acidi carbossilici possono presentare il gruppo carbossilico ( CH) solo in posizione terminale (carbonio 1) e il loro nome si ottiene da quello del corrispondente alcano (contando tutti gli atomi di carbonio, compreso quello del gruppo carbossilico, il quale viene considerato l atomo numero 1) sostituendo il suffisso ano con il suffisso oico e mettendo davanti al nome la parola acido. CH 3 CH CH 3 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH acido etanoico (acido acetico) acido propanoico acido butanoico acido pentanoico acido esanoico 12

13 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH acido eptanoico Alcuni esempi più complessi sono i seguenti: CH 3 Et CH 3 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH CH CH acido 3-etil-2,5-dimetil-eptanoico H CH 3 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH CH 2 CH acido 3-metil-5-idrossi-eptanoico Et NH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH CH CH acido 3-etil-2-ammino-esanoico La posizione 2 della catena è detta anche α (alfa). L ultimo acido visto è dunque un alfa amminoacido. Gli α-amminoacidi sono una classe di composti organici molto importanti. Tra di essi ne esistono 20 (naturali) che sono i costituenti monomerici delle proteine (si differenziano per il gruppo R): NH 2 R CH CH Per completezza ricordiamo l esistenza anche della seguente aldeide e del seguente acido carbossilico, formalmente derivati dal metano: H C H H C H metanale (aldeide formica) acido metanoico (acido formico) Esistono anche gli acidi bicarbossilici. Seguono alcuni esempi molto importanti: 13

14 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia HC CH HC CH 2 CH HC CH 2 CH 2 CH acido etandioico (acido ossalico) acido propandioico (acido malonico) acido butandioico (acido succinico) Molto importanti sono anche i seguenti idrossiacidi: H CH 3 CH CH H H HC CH CH CH acido 2-idrossi-propanoico (acido lattico) acido 2,3-diidrossi-butanoico (acido tartarico) 4. Esteri Gli esteri sono derivati degli acidi largamente diffusi in natura. Quelli a basso peso molecolare sono di odore gradevole. Esteri naturali di elevato peso molecolare sono le cere e i grassi. La denominazione degli esteri si ottiene eliminando la parola acido e sostituendo il suffisso ico con il suffisso ato. Subito dopo segue il nome del gruppo alchilico (o arilico) legato all ossigeno. Seguono alcuni esempi: CH 3 CMe CH 3 CEt CH 3 CH 2 CH 2 CEt CH 3 CH 2 CH 2 CBut etanoato di metile etanoato di etile butanoato di etile (odore di fragola) butanoato di butile (odore di ananas) 5. Ammidi Fra le ammidi si possono ricordare la nicotinammide (vitamina PP), i derivati dell acido barbiturico (utilizzati come sedativi e nel controllo dell epilessia) come il luminal e il paracetamolo (farmaco molto importante, scoperto nel 1950, usato come analgesico e antipiretico). Per la nomenclatura si sostituisce il suffisso oico con il suffisso ammide. 14

15 Appunti di Chimica rganica Elementi per CdL stetricia CH 3 CH 2 CNH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CNH 2 propanammide butanammide ETERI Gli eteri sono composti in cui ad un atomo di ossigeno sono legati due gruppi (alchilici, acrilici o misti). Nella nomenclatura tradizionale, al nome di questi gruppi (in ordine alfabetico), si fa seguire la parola etere. Seguono alcuni esempi: CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 dimetil etere dietil etere etil metil etere etil propil etere 15