Corso di orientamento e preparazione ai Corsi di Laurea della Scuola di Medicina ad accesso programmato a.a. 2019/2020 CHIMICA
«Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma.» (Antoine-Laurent de Lavoisier) La chimica è la scienza che studia la composizione della materia e il suo comportamento in base a tale composizione. Alessio Cesaretti, PhD Email: alex.cesaretti14@gmail.com
Fondamenti di chimica inorganica: nomenclatura e proprietà principali dei composti inorganici: ossidi, idrossidi, acidi, sali. Programma La costituzione della materia: gli stati di aggregazione della materia; sistemi eterogenei e sistemi omogenei; composti ed elementi. Le leggi dei gas, le proprietà dello stato liquido; le leggi ponderali. La struttura dell'atomo: particelle elementari; numero atomico e numero di massa, isotopi. La teoria atomica da Bohr alla meccanica quantistica; la configurazione elettronica degli atomi dei vari elementi. Il sistema periodico degli elementi: gruppi e periodi; elementi di transizione; proprietà periodiche degli elementi: raggio atomico, potenziale di ionizzazione, affinità elettronica; metalli e non metalli; relazioni tra struttura elettronica, posizione nel sistema periodico e proprietà. Il legame chimico: legame ionico, legame covalente; polarità dei legami; elettronegatività. Le forze intermolecolari.
Programma Le reazioni chimiche e la stechiometria: peso atomico e molecolare, numero di Avogadro, concetto di mole, calcoli stechiometrici elementari, bilanciamento di reazioni, vari tipi di reazioni chimiche. La termodinamica chimica; la cinetica chimica. L equilibrio. Le soluzioni: proprietà solventi dell'acqua; solubilità; principali modi di esprimere la concentrazione delle soluzioni. Le proprietà colligative. Ossidazione e riduzione: numero di ossidazione, concetto di ossidante e riducente. Acidi e basi: concetti di acido e di base; acidità, neutralità, basicità delle soluzioni acquose; il ph. Fondamenti di chimica organica: legami tra atomi di carbonio; idrocarburi alifatici, ciclici e aromatici; i gruppi funzionali. Fondamenti di biochimica.
Chimica Organica In generale, un composto organico è un qualsiasi composto del carbonio che, almeno in origine, è sintetizzato da un essere vivente. I composti organici contengono soprattutto atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto; altri elementi presenti in tracce sono zolfo, magnesio e fosforo.
1. I composti organici Chimica Organica I composti organici possono formare lunghe catene grazie alla capacità del carbonio di dare luogo a quattro legami. A seconda che le coppie di elettroni condivisi siano una, due o tre, si possono formare:
1. I composti organici Gli Idrocarburi Gli idrocarburi sono composti binari formati soltanto da atomi di carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi vengono classificati, secondo la nomenclatura tradizionale, in: alifatici quando sono costituiti da catene lineari o ramificate; aromatici quando presentano una particolare struttura ciclica.
1. I composti organici Gli Idrocarburi Il metano (CH 4 ) è l esemplificazione dell ibridazione sp 3 degli atomi di carbonio degli idrocarburi saturi; la molecola di metano presenta quindi geometria tetraedrica con angoli di legame di 109,5. Una serie omologa è una serie di composti in cui ciascun termine differisce dal successivo di un unità costante. Per gli idrocarburi, l unità è il gruppo CH 2.
1. I composti organici Gli Alcani Gli alcani sono idrocarburi alifatici con formula bruta C n H 2n+2. La forma di rappresentazione più semplice utilizza le formule condensate.
1. I composti organici I Cicloalcani I cicloalcani sono idrocarburi alifatici che, a partire dal propano, possono chiudere la catena di atomi di carbonio con la perdita di due atomi di idrogeno. La formula generale dei cicloalcani è C n H 2n.
1. I composti organici I Cicloalcani Il cicloalcano più interessante dal punto di vista biologico è il cicloesano, che presenta due strutture possibili: a sedia (più stabile) e a barca (meno stabile). In rosso sono evidenziati gli idrogeni assiali, in nero quelli equatoriali.
1. I composti organici L Isomeria Si dicono isomeri i composti che hanno medesima formula bruta, ma che differiscono per: il modo in cui gli atomi si legano tra loro (isomeri di struttura); la disposizione spaziale (stereoisomeri).
1. I composti organici L Isomeria All aumentare del numero di atomi di carbonio, aumenta il numero dei possibili isomeri.
1. I composti organici L Isomeria L isomeria di posizione si ha quando una molecola presenta atomi diversi oltre a quelli di carbonio e idrogeno; questi atomi si possono legare in punti diversi della catena carboniosa: La stereoisomeria è riferita alla diversa orientazione degli atomi nello spazio. L isomeria geometrica è connessa alla presenza di doppi legami nella molecola.
1. I composti organici L Isomeria Si dicono chirali tutti gli oggetti distinguibili dalla loro immagine speculare, ovvero non sovrapponibili a essa. Le tue mani sono un esempio di oggetti chirali. L atomo di carbonio tetraedrico è un centro chirale o stereocentro e forma due isomeri ottici detti enantiomeri.
1. I composti organici L Isomeria Gli enantiomeri hanno identiche proprietà chimiche e fisiche, e differiscono solo per l attività ottica. Gli enantiomeri infatti fanno ruotare dello stesso angolo, ma in direzione opposta, il piano della luce polarizzata (sono cioè antipodi ottici). Il miscuglio al 50% di due enantiomeri è chiamato racemo e non è otticamente attivo.
Alcani Nomenclatura 4. La nomenclatura degli idrocarburi saturi La nomenclatura degli alcani prevede la desinenza -ano. I primi quattro termini presentano nomi particolari poi, a partire, dalla catena a 5 atomi di carbonio, il prefisso è numerico. Atomi di carbonio prefisso 1 met- 2 et- 3 prop- 4 but- 5 pent- 6 es- Alle catene idrocarburiche lineari si antepone n- al nome della catena.
Alcani Nomenclatura 4. La nomenclatura degli idrocarburi saturi I carboni di una catena si identificano in primari, secondari, terziari o quaternari a seconda che siano legati rispettivamente a uno, due, tre o quattro atomi di carbonio.
Alcani Nomenclatura 4. La nomenclatura degli idrocarburi saturi Nelle catene ramificate si numerano gli atomi di carbonio in modo che i radicali sostituiti abbiano il numero più piccolo possibile.
Alcani Proprietà 5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi I composti appartenenti alla stessa serie omologa presentano: proprietà chimiche simili; proprietà fisiche differenti dipendenti dal peso molecolare e dalla forma della molecola. 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).
Alcani Proprietà 5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi I punti di fusione sono superiori per le catene ramificate rispetto a quelle lineari. Alcani e cicloalcani sono composti apolari e fungono da solventi per le sostanze apolari, come per esempio i grassi. Alcani e cicloalcani sono insolubili in acqua perché non riescono a formare legami a idrogeno né legami dipolo-dipolo.
Alcani Reazioni 5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi Alcani e cicloalcani non sono particolarmente reattivi; tuttavia, in specifiche condizioni, vengono usati come combustibili perché danno reazioni di combustione con l ossigeno. C n H 2n+2 + O 2 (eccesso) nco 2 + (n + 1)H 2 O
Alcani Reazioni 5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi Alcani e cicloalcani in opportune condizioni reagiscono con gli alogeni, dando luogo a reazioni di alogenazione in cui uno o più idrogeni sono sostituiti da alogeni.
5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi REAZIONE DI SOSTITUZIONE RADICALICA. Alcani Reazioni
Alcheni e Alchini 6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Gli alcheni sono idrocarburi che presentano almeno un doppio legame nella molecola, ibridazione sp 2, geometria planare e angoli di legame di 120. Gli alchini sono idrocarburi con almeno un triplo legame nella molecola, ibridazione sp, geometria lineare e angoli di legame di 180.
Alcheni e Alchini Nomenclatura 6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini La formula generale degli alcheni è C n H 2n La nomenclatura degli alcheni è simile a quella degli alcani, con il suffisso -ene. La formula generale degli alchini è C n H 2n-2 La nomenclatura degli alchini segue quella degli alcani, con il suffisso - ino..
Alcheni e Alchini Nomenclatura 6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Per attribuire il nome ad alcheni ed alchini, gli atomi di carbonio della catena vanno numerati in modo da indicare la posizione dei doppi legami o dei tripli legami e degli eventuali radicali presenti.
Alcheni e Alchini Isomeria 6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Se due gruppi diversi si trovano dalla stessa parte del piano rispetto al doppio legame, l isomero si dice cis; se i due gruppi si trovano da parti opposte l isomero si dice trans. Gli isomeri cis-trans sono stereoisomeri.
Alcheni e Alchini Reazioni 6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Le reazioni caratteristiche degli alcheni e degli alchini sono quelle di addizione elettrofila in due stadi al doppio e al triplo legame. Gli elettrofili sono molecole o ioni che possono accettare un doppietto elettronico.
Alcheni e Alchini Reazioni 6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Un carbocatione si forma in seguito alla rottura di un legame quando il doppietto elettronico inizialmente condiviso è acquisito da uno solo dei due atomi. Si definiscono nucleofili gli anioni e le molecole neutre con doppietti elettronici.
6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Alcheni e Alchini Reazioni La REGOLA DI MARKOVNIKOV afferma che quando un agente asimettrico si addiziona a un alchene asimettrico, la componente nucleofila si unisce all atomo di carbonio più sostituito (legato al minor numero di atomi di idrogeno).
Alcheni e Alchini Reazioni 6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Alcheni e alchini danno REAZIONI DI IDROGENAZIONE, ovvero sommano idrogeno al doppio o al triplo legame trasformandosi nei corrispondenti idrocarburi saturi.
Composti Aromatici 7. Gli idrocarburi aromatici Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene, C 6 H 6. Tutti gli idrocarburi aromatici presentano doppi legami delocalizzati nella molecola, che pertanto risulta particolarmente stabile.
7. Gli idrocarburi aromatici Composti Aromatici Il benzene viene rappresentato come ibrido di risonanza di due forme limite che differiscono per la posizione dei doppi legami.
Composti Aromatici Nomenclatura 7. Gli idrocarburi aromatici La nomenclatura dei composti aromatici usa nomi tradizionali. pirene
Composti Aromatici - Nomenclatura 7. Gli idrocarburi aromatici Nei composti aromatici bisostituiti si formano isomeri che prendono i prefissi: orto- se sono legati a carboni adiacenti meta- se legati ai carboni 1 e 3 para- se sono legati a carboni opposti.
Composti Aromatici Reazioni 7. Gli idrocarburi aromatici Le reazioni caratteristiche degli idrocarburi aromatici sono di sostituzione elettrofila aromatica e avvengono in due stadi.
Composti Aromatici Reazioni 7. Gli idrocarburi aromatici Primo stadio: l elettrofilo si lega al carbonio dell anello insieme all idrogeno, con formazione di un carbocatione. Secondo stadio: si distacca uno ione H + e si forma il prodotto sostituito, elettricamente neutro.
7. Gli idrocarburi aromatici Composti Aromatici Reazioni
7. Gli idrocarburi aromatici Composti Aromatici Reazioni
7. Gli idrocarburi aromatici I Gruppi Funzionali I composti organici possono essere suddivisi in base al gruppo funzionale presente, che ne condiziona le caratteristiche.
I Gruppi Funzionali I composti monofunzionali contengono un solo gruppo funzionale nella loro molecola e danno le reazioni tipiche di quel gruppo. I composti polifunzionali contengono più gruppi funzionali nella loro molecola e danno tutte le reazioni tipiche dei gruppi presenti. 42
I Gruppi Funzionali Gruppi funzionali in chimica organica elencati in ordine di PRIORITÀ decrescente.
Gli alogenuri alchilici e arilici Gli alogenuri alchilici e gli alogenuri arilici possono essere considerati derivati dalla sostituzione di un atomo di idrogeno, rispettivamente di un alcano a catena aperta o di un idrocarburo aromatico, con un atomo di un alogeno. Danno REAZIONE DI SOSTITUZIONE: 44
15.3 Gli Gli Alcoli alcoli Gli ALCOLI possono essere considerati derivati dagli alcani per sostituzione di un idrogeno con il gruppo ossidrilico OH. Hanno formula generale R OH. Si classificano in primari, secondari o terziari sulla base del numero di atomi di carbonio legati al carbonio che porta il gruppo ossidrilico. 45
Gli Alcoli Il gruppo OH può formare legami idrogeno: gli alcoli a corta catena sono solubili in acqua, se aumenta il numero degli atomi di carbonio la solubilità diminuisce. Gli alcoli a basso PM sono liquidi, quelli a lunga catena solidi. La nomenclatura IUPAC prescrive il suffisso -olo. 46
Gli Alcoli Gli alcoli sono molto più reattivi degli alcani, perché la presenza dell ossigeno provoca una polarizzazione dei legami. L atomo di ossigeno del gruppo ossidrilico è nucleofilo e reagisce quindi con atomi elettrofili come i metalli alcalini. Si forma uno ione alcossido (RO ), una base molto forte. 47
Gli Alcoli Gli alcoli sono preparati tramite riduzione catalitica delle aldeidi e dei chetoni e l idrolisi alcalina degli alogenuri alchilici. 48
Gli Alcoli Il metanolo è un importante solvente organico. L etanolo è utilizzato come disinfettante, come solvente, nei profumi e nei liquori. Può essere ottenuto attraverso la fermentazione alcolica ad opera dei lieviti, che trasformano il glucosio. 49
Gli Alcoli Si chiamano polialcoli i composti con più gruppi alcolici. Il più importante polialcol è il glicerolo, detto comunemente glicerina, un comune componente delle creme per la pelle. 50 I grassi e gli oli sono sostanze derivate dal glicerolo.
15.5 I Fenoli I fenoli I fenoli sono composti organici che hanno nella molecola uno o più gruppi ossidrilici OH legati a un anello benzenico. Il primo componente di questa classe di composti è chiamato fenolo. A differenza degli alcoli sono ACIDI DEBOLI. 51
I Tioli Il gruppo funzionale dei TIOLI o TIOALCOLI è il gruppo sulfidrilico o tiolico SH in cui l atomo di zolfo sostituisce quello di ossigeno. Hanno formula generale R SH. Possono essere considerati derivati dall acido solfidrico H 2 S per sostituzione di un idrogeno con un radicale alchilico. 52 L attività di molti enzimi è legata alla presenza di gruppi SH.
15.7 Gli Gli Eteri eteri Gli eteri hanno formula generale R O R. I due radicali R e R possono essere uguali o diversi 53 Non formano legami idrogeno, per cui, essendo poco polari la loro solubilità in acqua è limitata e la temperatura di ebollizione è bassa. Sono poco reattivi e il loro uso è in genere quello di solvente organico. Il più importante è l etere etilico.
15.8 Le Le Aldeidi aldeidi Le aldeidi sono composti organici caratterizzati dal gruppo carbonilico L atomo di carbonio è legato ad almeno un atomo di idrogeno. Le aldeidi hanno formula generale R CHO e il gruppo CHO è chiamato gruppo aldeidico. La nomenclatura IUPAC assegna alle aldeidi il suffisso -ale. 54
Le Aldeidi Le aldeidi, che possono essere prodotte per deidrogenazione di un alcol primario e a loro volta si ossidano ad acido carbossilico: 55
15.8 Le Le Aldeidi aldeidi Le aldeidi subiscono, in genere, le reazioni di addizione caratteristiche del doppio legame. L ossigeno del gruppo aldeidico lega la parte elettrofila del reagente, la cui parte nucleofila si lega al carbonio. Si forma un emiacetale. 56
15.8 Le Le Aldeidi aldeidi Le aldeidi possono essere facilmente ridotte ad alcoli primari in presenza di catalizzatori e di agenti riducenti, come idruri o idrogeno molecolare: La più semplice aldeide è il metanale H CO, detto comunemente formaldeide, un gas incolore di odore pungente, solubilissimo in acqua. La sua soluzione acquosa è chiamata formalina. 57
Nei chetoni il carbonio del gruppo carbonilico è legato attraverso due legami singoli a due atomi di carbonio. 15.9 I Chetoni I chetoni Anche i chetoni contengono il gruppo carbonilico. La nomenclatura IUPAC prescrive il suffisso -one. 58
15.9 I Chetoni I chetoni Da un chetone ridotto con idrogeno si ottiene un alcol secondario: 59 L acetone è un liquido volatile, di odore grato, infiammabile e molto solubile in acqua. È un ottimo solvente per molti composti organici, per vernici, lacche e celluloide.
Gli Acidi Carbossilici Il gruppo carbossilico COOH è il gruppo funzionale degli acidi carbossilici, che hanno formula generale R COOH. La nomenclatura IUPAC assegna agli acidi carbossilici il suffisso -oico aggiunto al nome dell alcano di partenza, preceduto dal termine acido. 60
15.10 Gli Gli Acidi acidi Carbossilici carbossilici Gli acidi carbossilici sono acidi deboli, che trattati con una base formano un sale e acqua: Gli acidi carbossilici hanno in genere punti di ebollizione elevati, in quanto possono stabilire legami idrogeno: 61
Gli Acidi Carbossilici Gli acidi si ottengono per ossidazione di un alcol primario o di un aldeide: Gli acidi danno luogo a reazioni di sostituzione formando nuove classi di sostanze. 62
63 Gli Acidi Carbossilici
15.11 Gli acidi Gli carbossilici Acidi Carbossilici più importanti L acido formico H COOH è stato chiamato così perché isolato per la prima volta dalle formiche. L azione irritante delle punture di molti insetti e delle ortiche è dovuta appunto all acido formico. L acido acetico CH 3 COOH è stato isolato per la prima volta dall aceto, di cui costituisce dal 5 al 7%. Acido formico e acido acetico sono solubili in acqua in tutte le proporzioni. 64
Gli Acidi Carbossilici L acido propionico CH 3 CH 2 COOH si forma nella maturazione dei formaggi. Uno dei componenti caratteristici del burro è un derivato dell acido butirrico CH 3 CH 2 CH 2 COOH. L acido benzoico C 6 H 5 COOH è il più semplice acido carbossilico aromatico. Un suo importante derivato è l acido acetilsalicilico, l aspirina. 65
15.11 Gli acidi Gli carbossilici Acidi Carbossilici più importanti Importanti acidi bicarbossilici sono: Tra gli acidi tricarbossilici ricordiamo l acido citrico, che conferisce l aroma e l acidità al succo di limone. 66
Gli Esteri e le Anidridi 15.13 Gli esteri e le anidridi acide Gli esteri sono composti che derivano dagli acidi carbossilici e hanno formula generale R C(=O)O R. Il nome si ottiene aggiungendo il suffisso -ato al tema dell acido corrispondente, seguito dal nome del radicale proveniente dall alcol. Si ottengono dalla reazione di esterificazione di un acido carbossilico con un alcol: 71
Gli Esteri e le Anidridi Una classe importante di derivati degli acidi carbossilici è rappresentata dalle anidridi acide. Il termine anidride significa «senza acqua». Le anidridi acide si possono formare dalla condensazione di un acido carbossilico con se stesso, eliminando una molecola d acqua: 72
15.14 Le Le Ammine ammine Le ammine sono derivati organici dell ammoniaca NH 3. Se sostituiamo uno, due o tutti e tre gli atomi di idrogeno dell ammoniaca con uno, due o tre radicali, abbiamo rispettivamente le ammine primarie, secondarie e terziarie: 73
Le Ammine A causa del doppietto elettronico sull atomo di azoto le ammine sono basiche e l atomo di azoto è un nucleofilo. L anilina C 6 H 5 NH 2 è uno dei prodotti base per la preparazione di colori, coloranti e sostanze farmaceutiche. 74 Le ammine reagiscono con gli acidi carbossilici e dalla loro unione per condensazione si ottiene una famiglia di composti, le ammidi, caratterizzati dal gruppo funzionale R CO NH 2.
I Polimeri Il processo di formazione di grandi molecole con elevato peso molecolare a partire da piccole unità è detto polimerizzazione. Le grandi molecole ad altissimo peso molecolare che si formano a partire dalla singola unità, detta monomero, sono i polimeri. A seconda delle condizioni in cui si svolge la reazione di polimerizzazione si ottengono polimeri con caratteristiche diverse. 75
I Polimeri A seconda del meccanismo con cui avviene la polimerizzazione si possono avere due tipi di polimeri: i polimeri di addizione, se la polimerizzazione avviene a seguito della trasformazione di doppi legami in legami semplici; i polimeri di condensazione quando si uniscono monomeri con gruppi funzionali diversi, che reagiscono eliminando molecole d acqua. 76 In base ai loro usi e alle loro proprietà, i polimeri sono classificati come: materiali gommosi o elastomeri; film flessibili; tessuti sintetici e fibre; resine o plastiche.
I Polimeri Nei polimeri di addizione, se il monomero è un composto insaturo come l etene (CH 2 = CH 2 ), il doppio legame si rompe e si ottengono due atomi di carbonio con un elettrone spaiato. Si ha un addizione radicalica. 77
I Polimeri Alcuni composti chiamati perossidi organici R O O R sono utilizzati come iniziatori di reazioni di polimerizzazione radicalica. Quando gli alcheni di base sono diversi si forma un copolimero. 78
79 I Polimeri
80 I Polimeri
83 I Polimeri