Chimica Organica. Studio dei composti del CARBONIO

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1 Chimica Organica Studio dei composti del CARBONIO 1

2 Contengono C, H e possono contenere N, O, S Carbonio legato covalentemente ad un metallo Tutti gli elementi possibili Composti organici 2

3 Perché si formano gli ibridi? 1. La repulsione fra gli elettroni diminuisce 2. Si formano legami più forti 3. Gli orbitali ibridi sono meglio orientati per formare legami 4. Grazie alla promozione di elettroni si possono formare più legami PERCHE NON FUNZIONANO GLI ORBITALI ATOMICI? 2s 2px,2py,2pz sp,sp 2py,2pz σ, π,n Orbitali atomici ibridazione Orbitali ibridi legame Orbitali molecolari IPOTETICO MODO DI FORMAZIONE DI UN LEGAME 3

4 Idrocarburi Sono una famiglia di composti che contengono nella molecola solo atomi di carbonio e di idrogeno Idrocarburi alifatici saturi insaturi aromatici (benzene) alcani alcheni alchini dieni Alcani Sono idrocarburi di formula generale: C n H 2n+2 L alcano più semplice è il metano, CH 4 4

5 sp 3 IBRIDAZIONE TETRAEDRICA 4 elettroni di valenza (non si formano doppi o tripli legami) Ibridazione sp 3 5

6 Formazione di orbitali sp 3 sp 3 (1) 109 o 28 2s 2p Elettroni di valenza O sp 3 (3) Ibridazione sp 3 (2) sp 3 (4) Geometria TETRAEDRICA (1) (2) (3) (4) Orbitali ibridi sp 3 Perché sp 3? IBRIDAZIONE 2s 2p Ogni nuovo orbitale sarà: 1/4 s + 3/4 p (25% s, 75% p) (1) (2) (3) (4) 4 orbitali ibridi sp 3 S 1 P 3 = SP 3 6

7 Origine della forma dell orbitale sp 3 Esempio: Metano 7

8 Esempio: Etano Legame sigma (σ) Legame sigma (σ) Rotazione intorno al legame σ Legame sigma (σ) 8

9 Conformazioni Ci sono infinite rotazioni possibili, e quindi anche infinite conformazioni Conformazioni ed Energia 9

10 Alcani: : esempi metano etano propano butano Proprietà Poiché i processi di fusione e di ebollizione richiedono la rottura delle forze inter - molecolari, le temperatura di fusione ed ebollizione crescono con il Peso Molecolare. Sono molecole scarsamente reattive in quanto la forza del legame C - C è alta. Viene richiesta un alta energia di attivazione per spezzare i legami. 10

11 Proprietà In generale gli alcani sono non polari, si hanno soltanto interazioni di Van der Walls,, che aumentano con l aumentare l della catena. I primi 4 composti sono gassosi a temperatura ambiente Sono liquidi gli alcani dal pentano all eptadecano (C (C 17 H 36 ) Solidi quelli a peso molecolare più alto Isomeri costituzionali Alcani più complessi del propano possono avere concatenazioni di atomi di carbonio lineari o ramificate. Ci sono composti che hanno lo stesso numero di atomi di carbonio e idrogeno ma concatenati in modo diverso, sono questi isomeri COSTITUZIONALI 11

12 Isomeri costituzionali Aumentando il numero degli atomi di C aumentano gli isomeri di catena: Metano 1 isomero Etano 1 isomero Propano 1 isomero Butano 2 isomeri (n-butano( e Pentano 3 isomeri Esano 5 isomeri Eptano 9 isomeri Ottano 18 isomeri butano e iso butano) Carbonio I, II, III e IV Un atomo di C può trovarsi legato ad altri atomi di C: A un solo atomo di C (C primario) A due Atomi di C (C secondario) A tre atomi di C (C terziario) A 4 atomi di C (C quaternario) 12

13 Esempio C terziario CH 3 CH CH 2 CH 3 CH C primario CH 3 CH 2 C secondario CH 3 Esempi 13

14 Nomenclatura 1. Si individua la catena più lunga: ESANO CH 3 CH 3 CH CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 3 Nomenclatura 2. Si individuano tutti i sostituenti attaccati alla catena più lunga CH 3 CH 3 CH CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 3 In questo caso due gruppi METILICI (CH 3 ) 14

15 Sostituenti. Cosa sono? I Gruppi CH 3 hanno formalmente sostituito un atomo di idrogeno (H) nell alcano corrispondente: CH 3 (H) (H) CH 3 CH CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 3 Sostituenti. Cosa sono? Come si ottengono questi sostituenti? A loro volta dall alcano alcano corrispondente, infatti: Se dalla molecola di un alcano si sottrae un atomo di H si ottiene un: Gruppo (o radicale) alchilico I gruppi alchilici vengono denominati sostituendo alla desinenza ano dell alcano il suffisso: ile metano (CH 4 ) metile CH 3 etano (C 2 H 6 ) etile - C 2 H 5 propano (C 3 H 8 ) propile C 3 H 7 15

16 Nomenclatura 3. Se due o più sostituenti sono uguali, se ne indica il numero facendo precedere il nome del gruppo dal prefisso: di, tri, tetra CH 3 CH 3 CH CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 3 In questo caso due gruppi METILICI (CH 3 ), quindi dimetil Nomenclatura 4. Si numera la catena in modo da avere i sostituenti in posizioni con il minor numero possibile 4 CH 3 CH CH CH 2 6 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 1 In questo caso: 2,4-dimetilesano 16

17 Cicloalcani I cicloalcani hanno la formula generale: C n H 2n e sono alcani a struttura ciclica. La denominazione deriva dal nome dell alcano con il prefisso ciclo Cicloesano: conformazioni a barca (instabile, alta energia) a sedia (stabile, bassa energia) 17

18 Cicloesano: conformazioni ed energia Contengono 1 o più doppi legami Caso più semplice: ETILENE C 2 H 4 I doppi legami hanno geometria planare Formula generale: Alcheni C n H 2n sp 2 18

19 FORMAZIONE DI ORBITALI IBRIDI sp 2 orbitale 2p non occupato sp 2 (2) 3 coppie Non utilizzato 2p 2p 2s 3 orbitali occupati B x ibridazione 120 o sp 2 (1) 2p Trigonale planare z sp 2 (3) (1) (2) (3) Orbitali ibridi sp 2 Legame π negli alcheni 19

20 Orbitali ibridi negli alcheni Esempi sp 2 sp 2 propano propene propino 20

21 Alcheni La formula molecolare generale è: C n H 2n Contengono nella loro molecola almeno un doppio legame I composti sostituiscono alla desinenza ano quelle ene Etano Propano butano etene ene (o etilene ene) propene butene Rotazione impedita lungo il legame π Per ruotare attorno al legame π devo ROMPERE il legame Il legame π si rompe Posso quindi avere isomeri che differiscono solo per la geometria del doppio legame 21

22 Alcheni: : isomeria cis-trans (isomeri GEOMETRICI o STERICI) Z E ATTENZIONE!! In questi casi non esistono isomeri cis e trans dei composti perché perché i due sostituenti sullo stesso carbonio sp 2 sono identici Perché ci sia isomeria geometrica, i sostituenti devono essere DIVERSI! 22

23 Proprietà chimiche degli alcheni Gli alcheni danno reazioni di addizione elettrofila sul doppio legame (che è ricco di elettroni e attira quindi elettrofili) Esempio: addizione di HBr Attacco dell elettrofilo elettrofilo 23

24 Idrocarburi AROMATICI Gli idrocarburi aromatici sono una classe particolare degli idrocarburi insaturi ciclici Sono: CICLICI PLANARI HANNO 4n+2 ELETTRONI p Benzene (C 6 H 6 ) 24

25 Risonanza e strutture di Kekulè Ibrido di risonanza Struttura del benzene 25

26 Contengono 1 o più tripli legami Caso più semplice: ACETILENE C 2 H 2 I tripli legami hanno geometria lineare Alchini La formula molecolare generale è: C n H 2n-2 sp FORMATION OF LINEAR HYBRID ORBITALS Orbitali 2p Vuoti 2 coppie vuoti sp(1) y 2s 2p 2 orbitals filled 2p C x ibridazione sp(2) 2p LINEARE z (1) (2) Orbitali ibridi sp 26

27 Legami negli alchini Nell acetilene i 2 atomi di carbonio sono legati da 1 legame σ e 2 legami π Alcoli, Fenoli,, Eteri 27

28 Alcoli Gli alcoli sono composti caratterizzati dal gruppo funzionale OH (ossidrile) Il gruppo ossidrile è legato a un atomo di carbonio sp 3 H C OH H alcol benzilico Alcoli, orbitali Come nella molecola d acqua, anche negli alcoli l ossigeno ha un ibridazione di tipo sp 3 28

29 Alcoli primari, secondari, terziari H R' R' R OH R OH R OH H H R" primario secondario terziario R= una catena di atomi di carbonio Fenoli Sono composti dove il gruppo ossidrilico è legato direttamente ad un anello aromatico OH fenolo 29

30 Eteri Sono composti con un atomo di ossigeno a ponte fra due radicali alchilici e/o arilici Esempio: O R O R' etere (di)etilico o dietil etere eteri corona Eteri, orbitali e legami Ancora una volta l ossigeno l è sp 3 30

31 Legami a ponte d idrogenod Tioalcoli, tiofenoli e tioeteri Sono composti analoghi degli alcoli, ma con lo zolfo al posto dell ossigeno SH R SH R S R' tioalcoli tiofenoli tioeteri 31

32 Ammine Sono derivati organici dell ammoniaca per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con gruppi alchilici o arilici: Ammoniaca Ammina primaria Ammina secondaria Ammina terziaria Ammine, orbitali L azoto è di tipo sp 3 32

33 Legami a ponte di idrogeno nelle ammine Ammine cicliche e aromatiche Piperidina Piridina 33

34 Aldeidi e Chetoni Aldeidi e chetoni sono caratterizzati dallo stesso gruppo funzionale detto carbonilico: O Differenza: Aldeide Chetone Legami presenti nel carbonile Carbonio e ossigeno si legano a formare un doppio legame (1 legame σ e 1 legame π) 34

35 Modello 3D acetaldeide acetone Acidi Carbossilici Sono caratterizzati dal gruppo funzionale carbossilico (gruppo carbonilico legato ad un gruppo ossidrilico) O R OH 35

36 Esempio: acido acetico (CH 3 COOH) O H 3 C OH Acidi Grassi Sono acidi carbossilici alifatici a lunga catena (in generale da 10 a 26 atomi di C) Nei LIPIDI sono presenti solo a numeri pari di atomi di carbonio 36

37 Derivati degli acidi carbossilici Si ottengono dagli acidi per sostituzione dell ossidrile O R W W = OR (esteri) = Cl, Br, F, I (alogenuri degli acidi) = NR 2 (ammidi) = RCOO (anidridi) Esteri Si possono ottenere da un acido carbossilico e da un alcol: O R OH + R' OH R O OR' + H 2 O 37

38 Aspirina Aspirina (acido acetilsalicilico) Alogenuri degli acidi Si possono ottenere dagli acidi carbossilici per sostituzione dell ossidrile con un alogenuro O O R OH R X X = Cl, Br, F, I 38

39 Ammidi Si possono ottenere da un alogenuro di un acido e da un ammina: O R X + R' NH 2 R O NHR' Peptidi 39

40 Amminoacidi Sono acidi carbossilici con in posizione α (cioè sul carbonio legato a quello dell acido) un ammina acido ammina Alanina un aminoacido Proteine Sono formate da catene polipeptidiche complesse 40

41 Struttura 3D di una proteina Anidridi Si ottengono da due acidi carbossilici legati fra loro: O O R O R' 41

42 Ossidazioni e riduzioni H ossidaizone O ossidaizone O R C OH R R H riduzione H riduzione OH Alcol primario Aldeide Acido carbossilico H R C OH R' Alcol secondario ossidaizone riduzione O R R' Chetone ossidaizone R" R C OH R' Alcol terziario ossidaizone Chimica delle Biomolecole: CARBOIDRATI 42

43 Carboidrati I carboidrati sono poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni Hanno formula generale: C n (H 2 O) n Monosaccaridi Sono gli zuccheri più semplici, non possono essere idrolizzati in carboidrati più semplici Serie D unica che si trova in natura 43

44 Aldosi (poliidrossialdeidi) Chetosi (poliidrossichetoni) 44

45 Sono per definizione molecole NON sovrapponibili alla propria immagine speculare Molecole chirali Oggetti chirali e achirali mano sinistra mano destra CHIRALI ACHIRALE 45

46 Carbonio stereogenico ¾ Quando un atomo di carbonio è legato a quattro gruppi diversi si chiama STEREOGENICO perché PUO generare stereoisomeri Un atomo di carbonio stereogenico Molecole chirali e achirali molecola chirale molecola chirale (immagine speculare non sovrapponiblie) molecola achirale molecola identica Coppia di ENANTIOMERI 46

47 Molecole chirali ¾ Le molecole chirali RUOTANO il piano della luce polarizzata. Quelle achirali no! Molecola chirale ¾ Un enantiomero ruota in un senso, l immagine speculare nel senso opposto Importanza della stereochimica Solo uno dei due enantiomeri potrà essere riconosciuto dal recettore 47

48 Proiezioni di Fischer delle molecole Schiaccia la molecola Proiezione di Fischer Esempio Proiezione di Fischer 48

49 Glucosio e forme anomeriche Emiacetale (Aldeide+alcol) Forme anomeriche α e β 49

50 Fruttosio e forme anomeriche Galattosio e forme anomeriche 50

51 Legame glicosidico e disaccaridi I polisaccaridi si formano per unione di 2 monosaccaridi Possono avere legame α o β L uomo è in grado di idrolizzare solo i legami di tipo α (es. amido vs. cellulosa) L amilosio è contenuto nell amido (per il 20%) è un importante fonte alimentare contenuta nel grano, riso, patate, etc. La cellulosa è formata dalle stesse unità dell amilosio ma legate β, non può essere digerita dall uomo 51

52 Sono una classe vasta ed eterogenea di biomolecole Hanno come costituenti essenziali uno o due residui carbossilici (RCOO) di acidi grassi LIPIDI Acidi grassi 52

53 Oli e grassi Un grasso Un olio La presenza di doppi legami cis impedisce Alle molecole di impaccarsi come nei grassi Saponi e micelle 53

54 Famiglie di lipidi La Struttura dei Lipidi 54

55 Trigliceridi Sono esteri del glicerolo con 3 acidi grassi FINE 55