Introduzione alla chimica organica Daniele Dondi dondi@unipv.it 1
enni sulla nascita della chimica organica Analisi elementari tramite combustione WÖLER (metà 1800) sintetizza l urea KLBE sintetizza l acido acetico BERTELT prepara metanolo, etanolo, il metano, il benzene e l acetilene 2
Il carbonio nelle sue ibridazioni sp 3 sp 2 sp Il carbonio è un elemento fondamentale per la chimica organica. La stabilità del legame - permette la formazione di strutture anche molto complesse 3
I più semplici composti del carbonio, gli IDRARBURI Gli idrocarburi, come indicato dal nome, sono composti contenenti solo carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi si dividono in saturi (alcani), insaturi (alcheni e alchini) e aromatici. 4
Gli idrocarburi saturi (ALANI) contengono solo legami semplici carbonio-carbonio: Idrocarburi saturi, gli ALANI 5 metano etano propano butano I termini successivi hanno nomi più regolari ad esempio pentano, esano, eptano, ottano, nonano
Idrocarburi saturi, gli ALANI Formula generale: n 2n+2 Gli alcani saturi (contenenti quindi solo legami semplici -) aciclici soddisfano sempre la formula generale sopra. gni volta quindi che siamo in presenza di un idrocarburo avente formula generale n 2n+2 sarà quindi un alcano non ciclico. La validità della formula è semplicemente verificabile ricordandosi che il carbonio ha sempre valenza 4 e tutte le valenze sono saturate da atomi di idrogeno. Infatti per un alcano avente n atomi di, il numero di legami - sarà n-1, quindi il numero di valenze rimaste (=numero di atomi di idrogeno) sarà 4n- 2(n-1) = 2n+2 6
Una particolare attenzione va posta alla scrittura e all interpretazione delle formule di struttura, infatti alcune possono apparire differenti anche se indicano il medesimo composto 2 2 3 3 2 3 2 3 3 2 2 2 3 2 2 2 3 2 3 3 2 3 2 3 3 7
gli ALANI Incrementando il numero di atomi di carbonio, incrementano anche le possibilità di connessione e quindi la possibilità di avere isomeri, ovvero composti aventi la stessa formula bruta ma differente formula di struttura. Isomeri di struttura 3 3 3 2 2 2 3 3 2 3 3 3 3 lineare ramificati 5 12 5 12 5 12 FRMULA BRUTA 8
Gli alcani lineari hanno una forma più simile ad un cilindro mentre quelli più ramificati sono simili a delle sfere. Poiché le forze di attrazione intermolecolare sono direttamente proporzionali alla superficie delle molecole e la sfera è il solido geometrico con minor superficie a parità di volume, gli alcani ramificati avranno forze intermolecolari minori rispetto agli analoghi lineari. Forze intermolecolari meno intense significa ad esempio punti di ebollizione più bassi. 9
Idrocarburi saturi, i ILALANI 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ciclopropano ciclobutano cicloesano 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 10
Idrocarburi insaturi, gli ALENI Gli alcheni contengono almeno un legame doppio carbonio-carbonio L alchene più semplice è l etilene: 2 3 2 is Trans 3 1-esene Isomeri geometrici 11
Idrocarburi insaturi, gli ALINI Gli alcheni contengono almeno un triplo legame carbonio-carbonio (ibridazione sp) R R' Acetilene o etino 3 propino 3 2 2 2 2 2 2 2 1-decino.. vviamente anche alcheni e alchini possono avere i corrispondenti derivati ciclici 12
Idrocarburi aromatici, il benzene = 6 6 Regola di aromaticità 4n+2 elettroni pi greco 13
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Aromaticità = naftalene = 15
Formule di struttura I vertici sono atomi di carbonio saturati da idrogeni Le linee rappresentano legami singoli, doppi o tripli Gli atomi diversi dal carbonio, chiamati eteroatomi sono indicati 16
Formule di struttura 2 2 2 In assenza di cariche formali (indicate in tal caso vicine all atomo) il carbonio ha sempre 4 legami, l ossigeno 2 e l azoto 3. 17
Formule di struttura N N N l - N 2 N N N N P - - In assenza di cariche formali (indicate in tal caso vicine all atomo) il carbonio ha sempre 4 legami, l ossigeno 2 e l azoto 3. 18
4 Metano 3 Metanolo 3 2 2 2 2 2 2 2 2 19
Equivalenza di formule di struttura 3 2 2 2 2 2 2 2 2 20
I gruppi funzionali Alcoli R- Derivati formali dell acqua R rappresenta un gruppo generico, solitamente contenente atomi di carbonio (residui di alcani alcheni ecc.) esempi 3 3 2 Metanolo Etanolo Gli alcoli sono un importante classe di composti organici, le caratteristiche fisiche (elevato p.eb.) sono legate al legame ad idrogeno Isopropanolo R R 21
I gruppi funzionali Eteri R--R Derivati formali dell acqua R e R rappresentano gruppi generici, solitamente contenente atomi di carbonio esempi 3 3 3 2 2 3 dimetiletere dietiletere Gli eteri presentano punti di ebolizione più bassi dei corrispondenti alcoli, non potendo formare legami ad idrogeno 22
I gruppi funzionali Ammine Derivati formali Dell ammoniaca R-N 2 R 2 -N R 3 -N primarie secondarie terziarie N N 2 trimetilammina butilammina Le ammine sono composti basici 23
I gruppi funzionali Gruppo carbonilico R aldeidi Formaldeide o metanale R R' chetoni (R,R ) 3 3 Acetone o propanone 24
I gruppi funzionali Acidi carbossilici R- R esempi Acido formico 3 Acido acetico Acido benzoico Gli acidi carbossilici in acqua si dissociano dando + 25
I gruppi funzionali Esteri R-R R R' Derivati dalla reazione tra un acido e un alcool per catalisi con un acido forte R- + R - R-R + 2 26
Meccanismo di reazione 27
I gruppi funzionali Ammidi R-N 2 o R--NR Importante gruppo funzionale presente ad esempio nelle proteine. 2 N N N 3 2 N N 28
I gruppi funzionali Ammidi R-N 2 o R--NR Derivano dalla reazione tra un acido e un ammina. Inizialmente, essendo di natura acida e basica, si forma un sale. Riscaldando il sale elimina acqua dando l ammide. R- + R -N 2 R-N 3 R calore R-NR + 2 29
omposti I gruppi polifunzionali, gli aminoacidi Gli aminoacidi sono composti che hanno sia un gruppo amminico (basico) che un gruppo carbossilico (acido). Gli aminoacidi più importanti sono gli alfa-aminoacidi poiché presenti negli organismi viventi N 2 Formula generale R N 2 2 Glicina, l aminoacido più semplice N 3 + R - Sale interno o zwitterion 30
Formule e nomi di alcuni gruppi 31
Tavola riassuntiva classi di composti organici 32