Forze intermolecolari

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1 Forze intermolecolari Sono le forze che si instaurano tra le molecole di un composto e ne determinano lo stato di aggregazione (gas, liquido, solido) interazioni dipolo-dipolo attrazioni di van der Waals (dipolo indotto-dipolo indotto) legame a idrogeno STPA-Chimica Organica 1

2 Forze intermolecolari δ + δ - δ + δ - δ + δ - δ + δ - δ + δ - δ + δ - Le molecole polari possiedono un momento di dipolo. Tra molecole non polari, si potranno instaurare interazioni dipolo indotto-dipolo indotto (forze di van der Waals) STPA-Chimica Organica 2

3 Forze intermolecolari- legame a idrogeno Si instaura tra molecole che contengono : (i) Atomi di idrogeno legati ad altri atomi fortemente elettronegativi (O, N) (ii) Atomi che possono condividere un doppietto di elettroni O O H CH 3 H 3 C H STPA-Chimica Organica 3

4 Forze intermolecolari Valutare: - Stato di aggregazione di etanolo e metossimetano (isomeri strutturali) - Stato di aggregazione di alcani e alcoli - Solubilità in acqua di alcani e alcoli STPA-Chimica Organica 4

5 Energia di legame e calore di reazione Legame Kcal/mol Cl 2 + CH 4 CH 3 Cl + HCl C-C 99 C-C 83 C-O 86 C-F 116 C-Cl 81 C-Br 68 C-I 51 Legami formati (il processo libera energia) H = (legame H-Cl) Legami scissi (il processo richiede energia) H = (legame Cl-Cl) Calore di reazione H = = - 27 kcal/mol STPA-Chimica Organica 5

6 Diagrammi dell energia di reazione Stato di transizione Intermedio di reazione energia E a Var. entalpia Coordinate di reazione STPA-Chimica Organica 6

7 Meccanismo di reazione- definizioni (1) Intermedio di reazione: prodotto instabile che si forma durante il corso di una reazione. Carbocatione: atomo di carbonio carico positivamente Carbanione: atomo di cabonio carico negativamente (meno frequente del carbocatione nei meccanismi) Stato di transizione: Complesso attivato che descrive l orientazione degli atomi al punto di piu alta energia sulle coordinate di reazione STPA-Chimica Organica 7

8 Meccanismo di reazione- definizioni (2) Elettrofilo: Puo essere considerato come un acido di Lewis. E un atomo che tende a creare nuove interazioni con coppie di elettroni. Nucleofilo: Puo essere considerato come una base di Lewis. E un atomo che tende a mettere a disposizione coppie di elettroni per formare nuovi legami. STPA-Chimica Organica 8

9 Esempi di nucleofili ed elettrofili O H ossidrile H + Ione idrogeno (protone) S H tiolo AlCl 3 Tricloruro di alluminio O S alcossido tiolato BF 3 Trifluoruro di boro X alogenuro (F, Cl, Br, I) STPA-Chimica Organica 9

10 Le eazioni Possono Essere di Addizione Sostituzione Eliminazione STPA-Chimica Organica 10

11 Idrocarburi aromatici Gli idrocarburi aromatici sono una classe di composti che presentano un elevato livello di insaturazione. Il composto di riferimento è il benzene (C 6 H 6 ). STPA-Chimica Organica 11

12 Isomeria orto, meta e para Definisce la posizione relativa dei due sostituenti nel benzene bisostituito orto meta para STPA-Chimica Organica 12

13 isonanza I tre doppi legami del benzene sono coniugati. STPA-Chimica Organica 13

14 Aromaticità: La regola di Huckel (4n + 2) Una molecola è aromatica se presenta un sistema ciclico di doppi legami coniugati con un orbitale p su ogni atomo e contiene 4n +2 elettroni delocalizzati. Le molecole aromatiche sono particolarmente stabili, e si differenziano in reattività rispetto agli idrocarburi insaturi non aromatici. STPA-Chimica Organica 14

15 Ciclopentadiene (C 5 H 6 ) coniugato X Planare ciclico 4n + 2 X aromatico X STPA-Chimica Organica 15

16 Piridina N STPA-Chimica Organica 16

17 Derivati monosostituiti del benzene OH fenolo CHO toluene stirene CO 2 H benzaldeide Acido benzoico STPA-Chimica Organica 17

18 Stereoisomeria STPA-Chimica Organica 18

19 Carbonio asimmetrico Un atomo di carbonio ibridato sp3 e legato a quattro atomi o sostituenti diversi rappresenta un centro asimmetrico, in quanto è possibile legare i quattro sostituenti in due maniere diverse. STPA-Chimica Organica 19

20 Chiralità Una molecola che contiene un centro asimmetrico viene definita chirale sinistrorsa destrorsa STPA-Chimica Organica 20

21 Stereoisomeria Gli enantiomeri sono isomeri che differiscono solo per il modo in cui i quattro diversi sostituenti di un centro asimmetrico sono legati. sinistrorsa destrorsa STPA-Chimica Organica 21

22 Configurazione o S Stereoisomeria Bassa priorità Bassa priorità destrorsa sinistrorsa S STPA-Chimica Organica 22

23 Stereoisomeria Per le molecole che presentano un solo centro asimmetrico esistono solo due stereoisomeri che sono sempre enantiomeri Nel caso i centri asimmetrici siano superiori ad uno il numero massimo di stereoisomeri può essere calcolato dalla formula 2 n dove n rappresenta il numero di centri asimmetrici presenti nella molecola STPA-Chimica Organica 23

24 elazioni esistenti tra i diversi stereoisomeri Le coppie di stereoisomeri sono definite: Enantiomeri (immagini speculari non sovrapponibili) Diastereomeri (immagini non speculari) STPA-Chimica Organica 24

25 Diastereomeri Molecole che presentano più di un centro asimmetrico possono presentare diastereoisomeria. Composti Meso Molecole con più di un centro asimmetrico e un piano di simmetria interno alla molecola, vengono definite composti MESO. STPA-Chimica Organica 25

26 Gli enantiomeri sono identici riguardo Punto di fusione e di ebollizione Densità Colore e indice di rifrazione Proprietà chimiche Proprietà spettroscopiche Mentre presentano in genere proprietà biologiche molto differenti STPA-Chimica Organica 26

27 Gruppi funzionali Sono atomi o raggruppamenti di atomi che conferiscono particolari proprietà (funzioni) ai composti che li contengono. In genere i composti organici di importanza biologica contengono più gruppi funzionali. In base alla loro priorità vengono identificati con: Un Suffisso : nel caso della massima priorità Un Prefisso : nel caso in cui vi sia un altro gruppo funzionale a più alta priorità STPA-Chimica Organica 27

28 Esercizio 1 1) Metan- 2) Etan- 3) Propan- 4) Butan- 5) Pentan- 6) Esan- Gruppo Funzionale Suffisso Prefisso COOH acido -oico carbossi- COO -ato alcossi carbonil- COX -uro alogeno carbonil- CONH 2 - ammide ammido- CHO -ale ossi- 2 CO -one ossi- OH -olo idrossi- NH 2 -ammina ammino- O OH CH 3 COOH Acido etanoico (acido acetico) STPA-Chimica Organica 28

29 Esercizio 2 1) Metan- 2) Etan- 3) Propan- 4) Butan- 5) Pentan- 6) Esan- Gruppo Funzionale Suffisso Prefisso COOH acido -oico carbossi- COO -ato alcossi carbonil- COX -uro alogeno carbonil- CONH 2 - ammide ammido- CHO -ale ossi- 2 CO -one ossi- OH -olo idrossi- NH 2 -ammina ammino- OH CH 3 CH 2 CH 2 OH 1- Propanolo OH CH 3 CH 2 OHCH 3 2- Propanolo STPA-Chimica Organica 29

30 1) Metan- 2) Etan- 3) Propan- 4) Butan- 5) Pentan- 6) Esan- O O Esercizio 3 Gruppo Funzionale Suffisso Prefisso COOH acido -oico carbossi- COO -ato alcossi carbonil- COX -uro alogeno carbonil- CONH 2 - ammide ammido- CHO -ale ossi- 2 CO -one ossi- OH -olo idrossi- NH 2 -ammina ammino- NH 2 CH 3 COCH 2 CONH 2 3-chetopentanammide STPA-Chimica Organica 30

31 Alcoli e fenoli Presentano un gruppo - OH legato ad un radicale alchilico (alcoli) o arilico (fenolo). H H H C C OH H H CH 3 CH 2 OH C 2 H 5 OH C 2 H 6 O H H H O C C H H H C H H CH 3 CHOHCH 3 C 2 H 4 OHCH 3 C 3 H 8 O OH C 6 H 6 O STPA-Chimica Organica 31

32 Nomenclatura CH 3 CH 2 CH 2 OH CH 3 CHOHCH 2 CH 3 1-propanolo Alcol n-propilico 2-butanolo Alcol 2-butilico Frequentemente il nome si può ottenere facendo seguire alla parola alcol il nome del radicale alchilico a cui è legato il gruppo OH. STPA-Chimica Organica 32

33 Alcoli: classificazione Si classificano in primari, secondari e terziari in base alla struttura dell atomo di carbonio a cui il gruppo -OH è legato. OH OH OH etanolo al. primario 2-propanolo al. secondario 2-metil-2-propanolo al. terziario STPA-Chimica Organica 33

34 Alcoli: dalla struttura alle proprietà fisiche 3 C δ - O δ + δ + H δ - δ + STPA-Chimica Organica 34

35 Alcoli: proprietà fisiche Composti polari Possibilità di legame a idrogeno intermolecolare Solubili in acqua STPA-Chimica Organica 35

36 Alcoli: metodi di preparazione H + CH 3 CH = CH 2 + H 2 O CH 3 CHOHC H 3 Idratazione degli alcheni (in ambiente acido) CH 3 CH 2 CHO + Metallo idruro LiAlH 4 NaBH 4 1) Etere anidro 2) H 3 O + iduzione delle aldeidi CH 3 CH 2 CH 2 OH STPA-Chimica Organica 36

37 Eteri Presentano un atomo di ossigeno legato a due radicali, che possono essere alchilici o arilici. δ - δ + O δ + C C δ - δ + Composti polari Volatili STPA-Chimica Organica 37

38 Aldeidi Presentano un atomo di carbonio legato contemporaneamente ad un atomo di ossigeno con un doppio legame e ad un atomo di idrogeno. Il gruppo C=O viene definito gruppo carbonilico. H O H C C H H CH 3 CHO C 2 H 4 O STPA-Chimica Organica 38

39 Aldeidi: nomenclatura Si considera la catena di atomi di carbonio più lunga a cui è legato il gruppo -CHO. Il nome si ottiene cambiando la desinenza -o dell alcano con -ale. H O H C C H H CH 3 CHO C 2 H 4 O etanale H H C H CH 3 C C H O H CH 3 CH(CH 3 )CHO C 4 H 8 O 2 metil-propanale STPA-Chimica Organica 39

40 Aldeidi: proprietà fisiche (1) Sono composti polari in quanto presentano un legame covalente polarizzato carbonio-ossigeno. H δ + C δ - O Sono più volatili dei corrispondenti alcoli in quanto non si possono formare legami ad idrogeno intermolecolari. STPA-Chimica Organica 40

41 Aldeidi: reazioni di addizione nucleofila H C = O + H CN > Acido cianidrico CN H C O H Aldocianidrina H C = O OH Aldeide idrata + H OH > H C O H STPA-Chimica Organica 41

42 Aldeidi: formazione di semiacetali e acetali H C = O + H + H + O H + H C O H >.. + H > C = O H +.. OH O O H C OH H >.. O H C O Semiacetale Acetale STPA-Chimica Organica 42

43 Chetoni Presentano due radicali alchilici e/o arilici legati ad un gruppo carbonilico. O CH 3 C CH 3 CH 3 COCH 3 C 3 H 6 O Nomenclatura: si considera la catena di atomi di carbonio più lunga che contiene il gruppo - CO. Il nome si ottiene cambiando la desinenza -o dell alcano corrispondente con - one. Per indicare la posizione dei sostituenti, il carbonio del gruppo carbonilico deve avere il numero più basso possibile. STPA-Chimica Organica 43

44 Chetoni Proprietà fisiche e reattività chimica simile a quella delle aldeidi δ + C δ - O STPA-Chimica Organica 44

45 Chetoni: formazione di semichetali e chetali C = O + H + H + O H + C O H >.. + > C = O H + OH O O C OH H > Semichetale O C O Chetale STPA-Chimica Organica 45

46 Acidi carbossilici Presentano un atomo di carbonio legato contemporaneamente ad un atomo di ossigeno con un doppio legame e ad un gruppo -OH. Il gruppo -COOH viene definito gruppo carbossilico. H O H C C H OH CH 3 COOH C 2 H 4 O 2 Acido etanoico STPA-Chimica Organica 46

47 Acidi e basi Definizione secondo Bronsted-Lowry: Un acido e un donatore di protoni; una base e un accettore di protoni. Definizione secondo Lewis: Un acido e un donatore di coppia di elettroni, la base un accettore di coppia di elettroni. H 2 O + HX H 3 O + + X - Acido Base coniugata STPA-Chimica Organica 47

48 Esempi di acidi e basi in chimica organica CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + Acido acetico Base coniugata CF 3 COOH + H 2 O CF 3 COO - + H 3 O + Acido trifluoro acetico Base coniugata (CH 3 ) 3 N + H 3 O + Trietilammina (CH 3 ) 3 NH + + H 2 O Acido coniugato STPA-Chimica Organica 48

49 Acidi carbossilici: proprietà chimiche Gli acidi carbossilici si dissociano in acqua formando ioni H + (ione idronio H 3 O + ) e lo ione carbossilato -COOH Acido -COO + H + Ione carbossilato K a = [-COO ] [H + ] [-COOH] ~ ma sono acidi abbastanza deboli STPA-Chimica Organica 49

50 Acidi carbossilici: reazione di esterificazione COOH + OH > COO + H 2 O STPA-Chimica Organica 50

51 Ammine Presentano un gruppo amminico ( NH 2 ) legato ad un radicale alchilico o arilico ( NH 2 ). Si possono considerare come derivate dall ammoniaca per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno. H N H Ammina primaria H N Ammina secondaria N Ammina terziaria N X Sale ammonico quaternario STPA-Chimica Organica 51

52 Ammine: proprietà chimiche Sono sostanze basiche per la presenza di un doppietto elettronico disponibile sull atomo di azoto... CH 3 -NH 2 + H + > CH 3 -NH + 3 STPA-Chimica Organica 52

53 Ammine: reazioni Formazione dei sali di alchil-ammonio NH 2 + H X > NH 3 + X - CH 3 Cl CH 3 N CH 2 CH 2 OH CH 3 Cloruro di colina CHO + NH 2 > Condensazione con le aldeidi CHN (base di Shiff) STPA-Chimica Organica 53

54 Ammidi Presentano un gruppo amminico ( NH 2 ) legato ad un gruppo carbonilico C NH 2 O Sono composti polari e possono formare forti legami ad idrogeno intermolecolari. Inoltre, per lo stesso motivo sono molto solubili in acqua. STPA-Chimica Organica 54

55 Ammidi: preparazione Si preparano per ammonolisi degli acidi carbossilici. HO C = O + NH 3 calore H 2 N > C = O + H 2 O È una reazione di condensazione STPA-Chimica Organica 55