CHIMICA ORGANICA PON C1 di SCIENZE Esperto prof. C. Formica Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unisi.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org, ncbi.gov
Atomo di carbonio Z=6; configurazione: 1s 2 2s 2 2p 2 Nuclidi: 12 C, 13 C, 14 C, 15 C, 16 C. 12 C è il più abbondante 14 C è il più famoso : si usa per la radiodatazione fossili di migliaia di anni (t 1/2 = 5730 anni) 2
Configurazione del carbonio IBRIDAZIONE ORBITALI 1s 2 2s 2 2p 2 di questi solo 2s 2 2s 2, cioè i 4 elettroni di valenza, sono indispensabili per comprendere i legami del C 2s 2 2p 2 2s 2 2p 2 Stato fondamentale Stato eccitato Dallo stato fondamentale (a sinistra), per eccitazione energetica (promozione), uno degli elettroni 2s trasloca verso uno degli orbitali 2p. In questo modo si passa allo stato eccitato (destra), con i 4 elettroni distribuiti uno per ogni orbitale 2s, 2px, 2py, 2pz. Il risultato è la formazione di orbitali IBRIDI, (funzioni algebriche degli orbitali di partenza 2s e 2p che hanno energie abbastanza simili) con disposizione spaziale differente dagli orbitali iniziali. 3
Le ibridazioni possibili tra s e p sono 3: Orbitali ibridi sp 3 : 3 orbitali 2p + 1 orbitale 2s (somma esponenti 1+3= 4). Questa ibridazione produce la formazione di 4 legami σ, es. negli ALCANI sp 2 : 2 orbitali 2p + 1 orb. 2s (2+1=3) mentre il 4 orb. 2p non è ibridato. Questa ibridazione produce la formazione di 3 legami σ e 1 π, quindi si forma 1 doppio legame, come negli ALCHENI e nell O 2 sp: 1 orbitale 2p + un 2s (1+1=2). Non ibridati 2 orbitali 2p. Questa ibridazione produce la formazione di 2 legami σ e 2π, con formazione di un TRIPLO legame, come negli ALCHINI e nell N 2 4
nuovi legami derivanti dall ibridazione: σ: elettroni distribuiti simmetricamente lungo l asse di legame π: elettroni distribuiti da parti opposte rispetto all asse di legame, perpendicolare al piano dell asse σ - 1/4 caratteri del 2s, ¾ del 2p a)ch 4, CH 3 -CH 3 ecc. i 4 sp 3 del C si combinano con 1s dell H b)ch 2 = CH 2 : 2 sp 2 del C con 1s di H, 1 sp 2 di C-C (+ 1 legame π) c) CH CH: 1 sp di C con 1s di H, 1 sp di C con sp dell altro C (+ 2 legami π ) CO 2 : sp di C con 2p di O (+ 2 legami π) 5
IBRIDAZIONE ORBITALI - schema riassuntivo s p 3 s p 2 s p l orbitale s si ibrida con tutti i 3 orbitali p l orbitale s si ibrida con 2 orbitali p l orbitale s si ibrida con 1 solo orbitale p Legami Geometria dei legami Angoli di legame* Esempi 4 σ Tetraedrica 109,5 CH 4 CH 3 -CH 3 3σ + 1π Triangolare planare 120 CH 2 =CH 2 2σ + 2π Lineare 180 CH CH *Per confronto si rammentano gli altri angoli di legame: H 2 O=104 NH 3 = 107,3 6
IBRIDAZIONE ORBITALI altri esempi ibridazione molecola Nome IUPAC (nome tradizionale) s p 3 NH 3 NH 4 + H 2 O s p 2 BF 3 BH 3 SO 3 s p CO 2 BeF 2 Triidruro di azoto (ammoniaca) Catione ammonio Acqua Trifluoruro di boro Triidruro di boro Triossido di zolfo (anidride solforica) Diossido di carbonio (anidride carbonica) Difluoruro di berillio 7
ISOMERI Atomi di C e H legati in modo diverso Sono presenti altri atomi, oltre a C e H ISOMERI DI STRUTTURA o di CATENA ISOMERI DI POSIZIONE Esempi 2-metil propano e N-butano; N-pentano, 2-dimetilpropano, 2-metilbutano Propanolo e isopropanolo; ISOMERI GEOMETRICI Sono presenti doppi legami legami simili STEREOISOMERI diversa orientazione spaziale degli atomi CONVERTIBILI per rotazione intorno a un legame: ROTAMERI (NON CONVERTIBILI per rotazione: doppi legami nella molecola. CONFIGURAZIONALI Es. isomeri CIS e TRANS (es.dicloruro di etilene) 8
L atomo di C può essere: Primario CH 3 CH 3 legato a un solo carbonio Secondario CH 3 -CH 2 CH 2 -CH 3 legato a 2 carboni Terziario CH 2 -CH -(CH 3 )CH 2 -CH 3 legato a 3 carboni Quaternario (CH 3 ) 3 C-CH 2 CH 3 legato a 4 carboni In parentesi i carboni delle catene laterali
Proprietà fisiche e geometriche degli idrocarburi SATURI: ALCANI INSATURI: ALCHENI, DIENI, ALCHINI Meno idrogeno contengono, più sono insaturi Il punto di ebollizione aumenta all aumentare della massa molecolare. Le catene lineari hanno punti di ebollizione superiori a quelli delle catene ramificate (le forze di London sono più deboli), ma hanno punti di fusione inferiori alle ramificate. Alcani C n H 2n+2 e cicloalcani C n H 2n sono apolari e fungono da solventi per le sostanze apolari, come per esempio i grassi e sono insolubili in acqua, non formando legami a idrogeno. Gli alcheni C n H 2n sono idrocarburi che presentano almeno un doppio legame nella molecola, ibridazione sp 2, geometria planare e angoli di legame di 120. Gli alchini C n H 2n-2 sono idrocarburi con almeno un triplo legame nella molecola, ibridazione sp, geometria lineare e angoli di legame di 180. Alcheni e alchini danno reazioni di addizione elettrofila al doppio e triplo legame, poiché accettano doppietti elettronici. Le reazioni in cui c è un donatore di doppietti sono dette nucleofile.
Punto di ebollizione idrocarburi
Radicali alchilici degli idrocarburi Si formano quando l idrocarburo cede un idrogeno per sostituirlo con: -OH, -Cl,.F, - COOH ecc. Radicali degli alcani: Metano CH 4 metile -CH 3 Etano CH 3 CH 3 etile CH 2 -CH 3 Propano CH 3 CH 2 CH 3 propile CH 2 -CH 2 -CH 3 Butano CH 3 (CH 2 ) 2 CH 3 butile CH 2 (CH 2 ) 2 CH 3 Radicali degli alcheni: Dall etene CH 2 =CH 2 vinile CH 2 =CH- Dal propene CH 2 =CH-CH 3 allile CH 2 =CH-CH 2 -
Scheletro carbonioso C n H 2n+2 Butano angolo di legame 109,5 Le moioecole possono assumere varie conformazioni inrorno al legame sigma ciclopropano ciclobutano C n H 2n sono apolari e fungono da solventi per le sostanze apolari, come per esempio i grassi e sono insolubili in acqua, non formando legami a idrogeno. Gli alcheni C n H 2n sono idrocarburi che presentano almeno un doppio legame nella molecola, ibridazione sp 2, geometria planare e angoli di legame di 120. Gli alchini C n H 2n-2 sono idrocarburi con almeno un triplo legame nella molecola, ibridazione sp, geometria lineare e angoli di legame di 180..
Composti aromatici risonanza del benzene C 6 H 6 Il fenomeno dello spostamento dei doppi legami si chiama DELOCALIZZAZIONE. Il risultato finale viene rappresentato con un cerchio al centro. A causa della delocalizzazione degli elettroni del benzene, una nuvola elettronica si estende sopra e sotto il piano degli atomi di carbonio 3/23/2014 14
Composti aromatici Il benzene può avere dei gruppi sostituenti laterali. FENOLI: OH ACIDI: COOH AMMINE: NH 2 ALOGENURI: Cl, F, Br, I OH. FENOLO mostra proprietà debolmente acide NH 2 FENILAMMINA (Anilina) mostra proprietà debolmente basiche COOH ACIDO BENZOICO Cl BENZOCLORURO : si ottiene mediante ALCHILAZIONE (reazione di sostituzione) 3/23/2014 15
La nomenclatura degli idrocarburi alifatici C3 Classe di composti Formula di struttura nome IUPAC desinenza formula bruta o molecolare ALCANI CH 3 -CH 2 -CH 3 propano -ano C 3 H 8 ALCHENI CH 3 -CH=CH 2 propene.ene C 3 H 6 ALCHINI CH 3 -C CH propino.ino C 3 H 4 CICLOALCANI formula ciclica CH 2 -CH 2 -CH 2 ciclopropano.ano C 3 H 6 C3: composti organici con 3 atomi di carbonio prof. Ciro Formica 16
La nomenclatura degli idrocarburi C6 Classe di composti Formula di struttura nome IUPAC desinenza formula bruta o molecolare ALCANI CH 3 -(CH 2 ) 4 - CH 3 esano -ano C 6 H 14 ALCHENI CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 2 -CH 3 esene -ene C 6 H 12 ALCHINI CH 3 -C C-CH 2 -CH 2 -CH 3 esino -ino C 6 H 10 CICLOALCANI CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 cicloesano -ano C 6 H 12 Formula ciclica IDROCARBURI AROMATICI CH=CH-CH=CH-CH=CH benzene -ene C 6 H 6 C6: composti organici con 6 atomi di carbonio prof. Ciro Formica 17
La nomenclatura dei composti organici C3 dotati di gruppi funzionali Classe di composti formula (esempio composti a 3 atomi di carbonio) nome IUPAC nome tradizionale gruppo funzionale desinenza formula bruta (molecolare ALCOLI CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH propanolo alcol propilico -OH ossidrile -olo C 3 H 8 O ACIDI CARBOSSILI CI CH 3 -CH 2 -COOH acido propanoico acido propionico ALDEIDI CH 3 -CH 2 -CHO propanale aldeide propionica -COOH carbossile -CHO carbonile.oico C 3 H 6 O 2.ale C 3 H 6 O CHETONI CH 3 -CO-CH 3 propanone dimetilcheto ne (acetone) -COcarbonile.one C 3 H 6 O AMMINE CH 3 -CH 2 -CH 2 -NH 2 propanammina Amminopro pano/propila mmina -NH 2 amminico -ammina C 3 H 9 N prof. Ciro Formica 18
COMPOSTI DOTATI DI GRUPPI FUNZIONALI Gruppo Formula e Nome IUPAC e Formula generale Propr. chimiche funzionale nomenclatura tradizionale ALCOLI -OH CH 3 CH 2 OH Etanolo R-OH neutro (alcol etilico) ACIDI -COOH CH 37 COOH Ac. Etanoico R-COOH Acido debole ORGANICI (ac. acetico) AMMINE -NH 2 CH 3 -NH 2 Metal-ammina R-NH 2 Base debole ALIFATICHE ALDEIDI -CHO CH 3 CHO Etanale R-CHO - (acetaldeide) CHETONI -C=O CH 3 -CO-CH 3 Propanone R-C=O - (acetone) ESTERI -COO- CH 3 -COO-CH 3 Etanoato di etile R-COO-R - AMMIDI -CO- NH 2 CH 3 -CO-NH 3 Etammide (acetammide) R-CO-NH 3 - ETERI -O- CH 3 -O-CH 3 dimetiletere R-O-R Gli alcoli possono essere: - primari, secondari e terziari a seconda del carbonio cui è legato l OH -monovalenti, bivalenti e trivalenti se posseggono rispettivamente 1, 2 o 3 OH Le ammine possono essere: primarie, secondarie e terziarie a seconda del carbonio cui è legato l OH 19
Proprietà fisiche dei composti dotati di gruppi funzionali A parità di massa molecolare, gli alcoli e i fenoli hanno punti di ebollizione più alti rispetto agli idrocarburi e agli eteri. La solubilità degli alcoli decresce all aumentare del numero di atomi di carbonio perché: -prevale il carattere idrofobico della catena rispetto al carattere idrofilo dell ossidrile, Si formano legami a idrogeno che rendono abbastanza solubili metanolo, etanolo e propanolo in acqua Le ammine primarie e secondarie formano legami a idrogeno intermolecolari, pertanto i loro punti di ebollizione sono più alti di quelli degli alcani a uguale massa molecolare. I punti di ebollizione delle aldeidi e dei chetoni sono più alti di quelli degli idrocarburi a uguale massa molecolare, ma minori a quelli degli alcoli corrispondenti.
Proprietà chimiche dei composti dotati di gruppi funzionali Gli alcoli : -sono acidi molto deboli -si disidratano in presenza di acidi molto forti -danno reazioni con rottura del legame C O, -danno reazioni di ossidazione: alcoli primari: si ossidano ad aldeidi e poi ad acidi carbossilici secondari: si ossidano a chetoni I fenoli sono circa un milione di volte di più acidi degli alcoli Le ammine sono basi deboli
ACIDI ORGANICI (CARBOSSILICI) ACIDI ORGANICI 1 carbossile COOH 2 o più carbossili COOH HCOOH CH 3 COOH CH 3 CH 2 COOH COOH-COOH COOH CH-OH-CH 2 COOH COOH -CH 3 CH-COOH-COOH Esempi ACIDO METANOICO (formico) AC. ETANOICO (acetico) AC. PROPANOICO (propionico) ecc. metil propano ACIDO OSSALICO AC. MALICO AC. CITRICO(ciclo di Krebs) ecc. 22
ac. formico ac. acetico ac. benzoico Gli acidi carbossilici sono polari, liberano H+ e hanno punti di ebollizione elevati
Reazioni tipiche degli acidi carbossilici Acido+ Acido alifatico+ Esempi Base forte Sale CH 3 -COOH + NaOH CH 3 -COO-Na alcol Acido aromatico + alcol Acido + ammin a Estere alifatico CH 3 -COOH + CH 3 CH 2 -OH CH 3 -COO-CH 2 CH 3 Estere aromatico C 6 H 5 -COOH + CH 3 CH 2 -OH C 6 H 5 -COO-CH 2 CH 3 CH 3 -CO-NH 2 + Ammide CH 3 -COOH + CH 3 NH 2 CH 3 OH Prodotto finale Acetato di sodio Acetato di etile Benzoato di etile etanammide Viene eliminata una molecola d acqua H 2 O come nelle condensazioni 24
ACIDI GRASSI SATURI Formula e nomenclatura CH 3 (CH 2 ) 10 COOH Laurico CH 3 (CH 2 ) 12 COOH Miristico CH 3 (CH 2 ) 14 COOH Palmitico CH 3 (CH 2 ) 16 COOH Stearico CH 3 (CH 2 ) 18 COOH Arachidico CH 3 (CH 2 ) 22 COOH Lignocerico n-dodecanoico 3/23/2014 25 Atomi C 12 n-tetradecanoico 14 n-esadecanoico 16 n-ottadecanoico 18 n-eicosanoico 20 n-tetracosanoico 24 ACIDI GRASSI INSATURI Formula e nomenclatura Atomi C CH 3 (CH 2 ) 5 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Palmitoleico 16 CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Oleico 18 CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Linoleico 18 CH 3 CH 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Linolenico 18 CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 3 CH=CH(CH 2 ) 3 COOH Arachidonico 20