1 Il carbonio Il carbonio è un elemento del quarto gruppo del sistema periodico, e la chimica organica è la chimica del carbonio. La struttura elettronica del carbonio è s 2 p 4, ma in realtà la struttura elettronica del carbonio nei composti non corrisponde a quella prevista per l'elemento, pertanto si dice che gli orbitali sono ibridati. L'ibridazione consiste nel ridistribuire l'energia di orbitali diversi, ottenendo orbitali isoenergetici. i sono tre tipi di ibridazione: sp 3 (1 orbitale s e 3 orbitali p), sp 2 (1 orbitale s e 2 orbitali p), sp, (1 orbitale s e 1 orbitale p), ed in tutti i casi i quattro elettroni esterni del carbonio sono suddivisi uno per ciascun orbitale, sia esso ibrido o non ibrido. Nell'ibridazione sp 3 i quattro orbitali sono uguali tra loro e formano angoli di 109, disposti dal centro verso i vertici di un tetraedro: sp 3 109 sp 3 sp 3 sp 3 i legami formano quindi una struttura tridimensionale. L'ibridazione si trova quando il carbonio forma quattro legami singoli: METAN Nell'ibridazione sp 2 i legami ibridi sono tre, disposti su un piano a 120 uno dall'altro. L'orbitale non ibrido è un orbitale p, perpendicolare agli orbitali ibridi: L'orbitale p non ibrido serve per formare il legame, quindi l'ibridazione sp 2 si trova quando un atomo di carbonio è coinvolto in un doppio legame:
Nell'ibridazione sp i due orbitali ibridi sono su una retta, da parti opposte rispetto al nucleo. I due orbitali non ibridi sono perpendicolari tra di loro e perpendicolari agli orbitali ibridi: p sp p sp L'ibridazione sp si trova quando il carbonio deve formare due legami, quindi quando è coinvolto in due doppi legami o in un triplo legame: Il carbonio è un atomo di media elettronegatività, non è stabile come ione, ma formerà sempre legami covalenti. L'atomo di carbonio forma sempre quattro legami covalenti. 1.1 Delocalizzazione elettronica Un fenomeno, molto importante per comprendere come reagiscono le molecole organiche, è la delocalizzazione elettronica. onsideriamo la seguente molecola: =-= Se esaminiamo i legami (trascurando per il momento i legami tra carbonio e idrogeno), vediamo che i quattro atomi di carbonio sono tutti ibridati sp 2, con gli orbitali ibridi che formano i legami tra carbonio e carbonio. gni atomo ha anche un orbitale non ibrido p, che serve per formare i due legami : 1 2 3 4 Al momento di formare i legami, non c'è nessun motivo perché il carbonio 2 debba scegliere di legarsi al carbonio 1 piuttosto che al carbonio 3, infatti per lui i due carbonii adiacenti sono perfettamente uguali. La distanza a cui si trovano gli atomi è tale che gli elettroni possono passare da un orbitale p all'altro senza distinzioni, quindi l'orbitale molecolare che si forma è si un orbitale tipo, ma interessa contemporaneamente tutti i quattro atomi:
In questo caso, in cui il legame covalente non è localizzato esattamente tra due atomi, parleremo di legame delocalizzato, ed il fenomeno verrà chiamato delocalizzazione elettronica. Quando si scrivono le formule di struttura, è difficile controllarne l'esattezza se, essendo presenti legami delocalizzati, non si può controllare il numero esatto di legami. Per questo motivo nelle formule, normalmente, i legami sono indicati come localizzati: per verificare se nel composto è presente la delocalizzazione, bisogna guardare se ci sono doppi legami alternati al legami semplici, cioè se più di due atomi adiacenti hanno a disposizione un orbitale p, o un orbitale comunque non impegnato in un legame. Quando abbiamo doppi legami alternati a legami semplici, parliamo di doppi legami coniugati. La delocalizzazione comporta una maggior stabilità, quindi tra due composti simili, uno con delocalizzazione e l'altro senza delocalizzazione, sarà sempre preferito il composto con delocalizzazione. Se da una reazione possiamo teoricamente ottenere entrambi i seguenti composti: 2 =-=- 3 2 =- 2 -= 2 I II sicuramente si formerà soltanto il composto I, in cui i doppi legami sono coniugati, quindi in cui è presente la delocalizzazione. Nel composto II non può esserci delocalizzazione, perché l'atomo di carbonio centrale, - 2 -, ha quattro legami covalenti e non ha nessun orbitale per permettere la formazione di un legame delocalizzato. Un caso particolare di delocalizzazione è la aromaticità. Un composto è aromatico quando presenta una struttura ad anello in cui la delocalizzazione interessa tutto l'anello, come nel benzene: Perché un composto mostri le caratteristiche chimiche dei composti aromatici, che lo distinguono dai composti che semplicemente contengono doppi legami, è necessario non solo che la struttura delocalizzata interessi tutto l anello, ma anche che un numero dispari di doppietti elettronici partecipi alla delocalizzazione (egola di uckel) I composti aromatici sono eccezionalmente stabili, e non danno le reazioni che danno tutti gli altri composti che hanno doppi legami, anche delocalizzati. Nella seconda formula, semplificata, il cerchio al centro dell'esagono indica la presenza di un sistema aromatico. 1.2 Effetti induttivi. Elettrofili e nucleofili Gli atomi di carbonio e di idrogeno hanno circa la stessa elettronegatività, quindi i legami sono pochissimo polarizzati Nei composti organici sono presenti anche altri atomi, detti eteroatomi, in particolare azoto ed ossigeno, i quali, essendo molto elettronegativi, formano legami polarizzati quindi "inducono" una parziale carica sul carbonio: parleremo quindi di effetti induttivi. La presenza di cariche parziali introduce nelle molecole organiche una maggior reattività, per questo motivo il riconoscimento degli effetti induttivi permette di capire dove, e con quali tipi di reattivi, una molecola organica può dare una reazione. Quando abbiamo un composto organico, le diverse sostanze che possono reagire con il nostro composto hanno sempre qualche caratteristica in comune. Possiamo allora raggruppare i reattivi in due grandi categorie, che racchiudono la maggior parte dei reattivi della chimica organica: gli elettrofili ed i nucleofili. Proviamo a pensare ad un composto molto semplice, in cui per un effetto induttivo vi sia un legame polarizzato:
d+ Xd- Il carbonio, nel nostro esempio, ha una parziale carica positiva, mentre il gruppo X, che può essere quello che vogliamo, ha una parziale carica negativa. I reattivi, che hanno una disponibilità di elettroni, cercheranno di reagire con atomi che hanno una carica positiva, come il carbonio del nostro esempio, e vengono detti reattivi nucleofili, in quanto la carica positiva è la carica del nucleo. Se invece abbiamo un composto del tipo: 3-=2 L'unica parte della molecola che può interessare un reattivo è data dagli elettroni del legame, che hanno ovviamente una carica negativa. Tutti i reattivi che hanno una carica, anche parziale, positiva, hanno cioè una carenza di elettroni, reagiranno facilmente con gli elettroni o con gruppi che hanno una carica anche parziale negativa. Questi reattivi, che cercano gli atomi che hanno elettroni disponibili, sono perciò reattivi elettrofili. Le reazioni di chimica organica che descriveremo sono quasi tutte reazioni nucleofile, quindi è opportuno soffermarci su alcune caratteristiche dei reattivi nucleofili. Il reattivo nucleofilo è un composto che, avendo degli elettroni non impegnati in un legame covalente, è disponibile ad utilizzarli per formare un legame covalente con il carbonio che ha una parziale carica positiva, cioè una carenza di elettroni. Nel corso dello studio della chimica generale, abbiamo già incontrato composti che sono disponibili ad utilizzare i loro elettroni per formare legami: le basi. Infatti una base è un composto capace di legare ioni +, e per legare questi ioni la base deve mettere a disposizione i suoi elettroni. Tanto più una base è forte, tanto più preferisce usare gli elettroni per legare +, mentre una base debole preferisce tenersi gli elettroni anziché usarli per formare un legame covalente. In modo analogo un nucleofilo sarà un reattivo efficace se preferirà utilizzare i propri elettroni per formare un legame con il carbonio, mentre sarà un reattivo scarsamente efficace se preferirà tenersi gli elettroni. In pratica tanto più un composto è basico, tanto più è un nucleofilo efficace. Se prendiamo due composti già noti, lo ione - e l'ammoniaca, il primo, che è una base più forte dell'ammoniaca, sarà anche un nucleofilo più forte. 1.3 ssidazioni e riduzioni. In chimica organica le reazioni di ossido-riduzione sono frequenti, ma non sempre sono facilmente riconoscibili perché i forme ossidate e forme ridotte sono molto simili. Se consideriamo la reazione: 2 = 2 + 2 3-3 questa è una reazione di riduzione. Infatti il numero di ossidazione del carbonio nei reagenti è -2 (quattro idrogeni con numero di ossidazione +1 fa in totale +4, i due carboni a -2 fanno in totale -4), mentre nei prodotti il numero di ossidazione del carbonio è -3. L'idrogeno è meno elettronegativo del carbonio, quindi in un composto, aggiungere idrogeno al carbonio equivale a cedere elettroni al carbonio, cioè ridurlo, mentre l'operazione opposta, togliere idrogeno al carbonio, equivale a togliere elettroni, cioè ad ossidare il carbonio. In chimica organica idrogenazione è equivalente a riduzione, mentre deidrogenazione è equivalente a ossidazione. Naturalmente le ossidazioni e le riduzioni sono di più immediata comprensione quando coinvolgono l'inserimento nella molecola organica di altri atomi, come l'ossigeno.
2 Isomeria Il carbonio è un atomo capace di formare molecole complesse con pochi altri elementi, quali idrogeno, ossigeno e azoto. iò è dovuto anche alla capacità del carbonio di formare lunghe catene ---. Per questi motivi la normale formula chimica, la formula bruta, come è stata usata finora, non da informazioni sufficienti. Se prendiamo il composto 5 10, il pentano, ci accorgiamo che può essere descritto da diverse formule: 3 3 23 3 22 3 2 3 3 3 3 I tre composti sono diversi, ma rappresentati da una sola formula bruta: sono isomeri. Gli isomeri sono composti che, pur avendo la stessa formula bruta, hanno diversa formula di struttura. L'isomeria è molto frequente in chimica organica, per questo motivo bisogna sempre rappresentare i composti con la formula di struttura. Esistono diversi tipi di isomeria, e quella dei tre pentani, detta isomeria di catena, è un esempio. Altri due esempi di isomeria si possono verificare nei seguenti composti: 3 2 2 3 3 3 2 3 I II III Questi tre composti hanno tutti la formula bruta 3 8, ed i primi due sono entrambi alcoli, perchè possiedono il gruppo -, ma la posizione del gruppo nella catena è diversa: avremo una isomeria di posizione. L'ultimo composto non ha il gruppo funzionale -, quindi non è un alcol: parleremo di isomeria di gruppo funzionale. Questi tipi di isomerie sono consueti e non presentano difficoltà particolari, in quanto l'uso delle formule di struttura evita ogni dubbio sulla esatta natura del composto. ome è facile notare, nelle formule di struttura, per semplicità, non sono indicati tutti i legami, ma solo quelli tra gli atomi di carbonio ed quelli con altri atomi come l'ossigeno. In molti casi gli atomi di idrogeno non vengono nemmeno indicati, perchè è sottinteso che tutti i legami che mancano, affinché il carbonio abbia quattro legami covalenti, sono legami con l'idrogeno. In questi casi si indica solo lo schema della molecola, scrivendo esplicitamente solo gli atomi diversi da carbonio ed idrogeno. Se prendiamo una molecola semplice, 4 10, potremo usare le formule di struttura: Formula di struttura completa (non usata) 3 2 2 3 Formula di struttura abituale Le linee sono legami -, gli idrogeni si calcolano per differenza ricordando che ogni carbonio deve avere quattro legami Formula di struttura semplificata
Altri tipi di isomeria sono invece di più difficile comprensione, perché sono legate non solo alla struttura chimica, ma anche alla disposizione nello spazio degli atomi, cioè alla forma delle molecole. La forma delle molecole è particolarmente importante nei composti di interesse biologico. 2.1 Isomeria conformazionale Se prendiamo il butano: 3-2 - 2-3 gli atomi di carbonio sono tutti ibridati sp 3 e la molecola può ruotare attorno al legame, che è come un perno snodato. Questa libertà di rotazione permette al butano di assumere diverse forme, che differiscono solo per una diversa rotazione attorno al legame tra il secondo ed il terzo carbonio: 3 3 I 3 3 II queste diverse forme si chiamano isomeri conformazionali: in realtà il composto è uno solo, ma la forma, o meglio la conformazione, cambia. Se osserviamo le diverse conformazioni lungo la linea che passa tra il secondo ed il terzo carbonio, vediamo che la conformazione I ha i due gruppi - 3 che si nascondono reciprocamente: abbiamo una conformazione eclissata. Nella conformazione II i due gruppi - 3 sono invece da parti opposte: abbiamo una conformazione sfalsata, che è la conformazione più stabile. vviamente sono possibili anche infinite conformazioni intermedie, che non hanno nome. Un caso particolare di isomeria conformazionale si osserva nei composti formati da un anello a sei atomi, tutti ibridati sp3. In questo caso l anello non può essere piano, perché un esagono ha angoli di 120 mentre gli orbitali sp3 formano angoli di 109. La molecola può assumere due conformazioni, dette a barca e a sedia: BAA SEDIA In realtà si tratta di isomeri conformazionali. uotando le molecole possiamo osservare come la forma a sedia sia una conformazione eclissata, mentre la forma a barca è una confotmazione sfalsata:
2.2 Isomeria cis-trans Se abbiamo un composto simile al precedente, ma con un doppio legame: 3 -=- 3 non è possibile ruotare la molecola attorno al doppi legame, perché il legame è formato da due lobi, e la rotazione richiede la rottura del legame. Sono possibili due diverse forme, che in questo caso non possono trasformarsi una nell'altra, quindi i due isomeri sono composti chimici differenti: 3 3 3 3 I II L'isomero I, in cui i due gruppi - 3 (i più ingombranti) sono dalla stessa parte, si chiama isomero cis, mentre l'isomero II, in cui i due gruppi - 3 sono da parti opposte, è l'isomero trans. Gli isomeri cis-trans hanno proprietà chimiche e biologiche molto differenti: l'acido fumarico, trans, è un composto sempre presente nelle cellule, mentre l'isomero cis, l'acido maleico, è velenoso. 2.3 Isomeria configurazionale L'isomeria configurazionale (da non confondere con l'isomeria conformazionale), o isomeria ottica, è la più difficile da descrivere perchè è legata alla struttura tetraedrica del carbonio, che non può essere adeguatamente rappresentata sul piano. Se prendiamo un atomo di carbonio ibridato sp 3, potremmo immaginare il carbonio al centro del tetraedro ed i sostituenti ai vertici. Se i quattro gruppi di atomi legati al carbonio sono tutti diversi tra loro, il carbonio sarà asimmetrico, e sarà possibile avere due isomeri che differiscono per la disposizione nello spazio dei gruppi, ma non sono sovrapponibili: Questi due isomeri si dicono isomeri configurazionali, o isomeri ottici, e possono esistere solo se la molecola è asimmetrica. I due isomeri ottici sono uno l'immagine speculare dell'altro, esattamente come avviene per le mani. Questi isomeri ottici si dicono enantiomeri, hanno esattamente le stesse proprietà chimiche e fisiche, e l'unico elemento di differenza è l'effetto sulla
luce polarizzata. Gli enantiomeri hanno lo stesso nome, ed un isomero viene distinto dall'altro da un prefisso, che può essere D o L, come ad esempio l'acido D-lattico ed L-lattico. La notazione D e L è ancora molto usata per i composti biologici come gli zuccheri, mentre in altri casi si trova un altro tipo di notazione, ed S, introdotta più recentemente e, per il chimico esperto, più ricca di informazioni. Per rappresentare correttamente le diverse configurazioni è necessario descrivere la disposizione nello spazio dei gruppi di atomi legati al carbonio asimmetrico, e per far ciò si utilizza la rappresentazione convenzionale di Fisher: In questa rappresentazione i gruppi legati in posizione orizzontale sporgono dal piano verso l'osservatore, mentre i gruppi legati in verticale si allontanano dall'ossevatore. Se in un composto esistono più carboni asimmetrici, il numero di isomeri configurazionali aumenta: se n è il numero degli atomi di carbonio asimmetrico, 2 n è il numero degli isomeri. sserviamo ora i quattro isomeri configurazionali di un composto con due atomi di carbonio asimmetrico, rappresentati in secondo la convenzione: 2 2 2 2 I II III IV si può osservare che i composti I e II sono uno l'immagine speculare dell'altro, cioè sono enantiomeri, così come sono enantiomeri III e IV. I composti I e III non sono speculari, ma non sono neanche uguali, perciò si dicono diastereoisomeri. I diastereoisomeri sono diversi come proprietà chimiche e fisiche, ed hanno nomi diversi. Tuttavia bisogna ricordare che condizione necessaria per l isomeria configurazionale è l asimmetria della molecola, quindi se in un composto ci sono atomi di carbonio asimmetrico ma la molecola è simmetrica non potremo avere enantiomeri. Se consideriamo l acido tartarico, che contiene due atomi di carbonio asimmetrico, avremo: L-tartarico D-tartarico meso tartarico L acido meso tartarico è uno solo, perché la molecola è simmetrica. Le due formule sono identiche, semplicemente una è ruotata di 180 rispetto all altra.
3 Idrocarburi Gli idrocarburi sono formati solo da carbonio e idrogeno. Distinguiamo quattro gruppi principali di idrocarburi: Gruppo Formula generale Esempio Alcani n 2n+2 3-2 - 3 Alcheni n 2n 2 =- 3 Alchini n 2n-2-3 Aromatici -- 3.1 Alcani Gli alcani, o idrocarburi saturi, sono composti insolubili in acqua e caratterizzati da una reattività minima, dovuta al fatto che tutti i legami sono covalenti e poco polarizzati. I più semplici, rispettivamente con uno, due, tre, e quattro atomi di carbonio, si chiamano metano ( 4 ), etano ( 3 3 ), propano ( 3 2 3 ) e butano ( 3 2 2 3 ). Gli altri hanno un nome formato da un prefisso che da il numero di atomi di carbonio e dalla desinenza -ano, che identifica tutti gli idrocarburi. Ad esempio l'idrocarburo con cinque atomi di carbonio si chiama pentano, dove pent(a) significa cinque (in greco). Anche se gli idrocarburi in se non presentano un particolare interesse nel campo biologico, quasi tutti i composti organici possono considerarsi derivati degli idrocarburi con la sostituzione di particolari gruppi di atomi, i gruppi funzionali, al posto di uno o più atomi di idrogeno. In tal caso la parte della molecola che conserva le caratteristiche dell'idrocarburo verrà chiamata radicale alchilico, ed il suo nome sarà quello dell'idrocarburo corrispondente con la desinenza cambiata da - ano ad -ile, quindi dal metano avremo il radicale metile, dall'etano l'etile, e così via. Gli idrocarburi contengono numerosi atomi di carbonio, e possono dare isomeria di catena: per poter dare un nome comprensibile ad ogni composto organico, lo si considera derivato da un idrocarburo lineare, i cui atomi di carbonio sono numerati progressivamente, e la posizione dei sostituenti, che possono essere gruppi funzionali o radicali alchilici, viene identificata indicando il numero dell'atomo di carbonio a cui i sostituenti sono legati. Ad esempio: 3 3 2 3 1 2 3 4 2- metil butano 3.2 Alcheni e Alchini Gli alcheni e gli alchini sono chiamati idrocarburi insaturi, perchè possono addizionare idrogeno al doppio o al triplo legame. Infatti la reazione caratteristica degli alcheni e degli alchini è la reazione di addizione elettrofila al doppio legame. Il legame è il punto di attacco dei reattivi e, dato che il legame è formato da elettroni, saranno i reattivi elettrofili a reagire. In moltissini casi l'attacco inizia con l'addizione di uno ione +, che forma un legame covalente con il carbonio utilizzando i due elettroni del legame.
l 3 2 + l 3 + 3 + l - 3 3 3 2 + 2 3 + 3 + - 3 3 sservando gli esempi di addizione agli alcheni, si nota che le due parti della molecola del reattivo non si addizionano a caso ma che la parte positiva (negli esempi + ) si addiziona all'atomo di carbonio che ha già più idrogeni legati (egola di Markovnikof). Il motivo di questa preferenza deriva dal meccanismo della reazione, che ha come intermedio un carbocatione. I carbocationi sono estremamente instabili (il carbonio ha solo 6 elettroni), per cui si formerà il compoto che comporta la formazione del carbocatione più stabile. Dato che i gruppi alchilici hanno un debole effetto elettron repulsore, più gruppi alchilici sono legati al carbocatione più quest'ultimo verrà stabilizzato dall'effetto induttivo. La parte positiva del reattivo si lega quindi al carbonio che ha più idrogeni legati, cioè al carbonio con meno gruppi alchilici legati. In questo modo si forma il carbocatione più stabile. 3 2 + + 3 2 2 + L'+ si lega al, il carbonio con meno idrogeni legati: un solo radicale alchilico spinge elettroni verso il carbocarione 3 + 3 L'+ si lega al 2, il carbonio con più idrogeni legati: due radicali alchilici spingono elettroni verso il carbocarione Gli alchini danno le stesse reazioni degli alcheni ma, dato che in un triplo legame vi sono due legami, daranno luogo a due addizioni consecutive. 3.3 Idrocarburi aromatici ome abbiamo già accennato, gli idrocarburi aromatici sono composti con struttura ad anello, ed una delocalizzazione elettronica che coinvolge tutto l'anello. Il più tipico idrocarburo aromatico è il benzene Il circolo all'interno dell'esagono indica il sistema delocalizzato aromatico. Ai vertici dell'esagono non vengono scritti i, che sono impliciti nella formula. ome abbiamo visto nel paragrafo precedente, la reazione caratteristica dei composti contenenti doppi legami è la reazione di addizione: una simile reazione nel benzene porterebbe alla perdita del carattere aromatico, quindi il benzene, e gli altri idrocarburi aromatici, non danno la reazione di addizione, ma reazioni di sostituzione elettrofila, in cui un idrogeno dell'anello aromatico viene sostituito da altri gruppi.
ome per gli altri idrocarburi, i vari atomi dell'anello vengono identificati da numeri. In molti casi però, quello che importa è la posizione di un sostituente dell'anello rispetto ad un altro. In un benzene con due sostituenti esistono tre possibili isomeri, che possono essere identificati con un prefisso: orto, meta, para. 3 3 3 6 1 5 3 2 4 3 1 3 3 1 4 o xilene m-xilene 3 p-xilene Usando i numeri degli atomi di carbonio per la nomenclatura, l'isomero orto è l'isomero 1,2, l'isomero meta è l'isomero 1,3, l'isomero para è l'isomero 1,4. Le posizioni 1,5 ed 1,6 sono perfettamente equivalenti rispettivamente alla 1,3 ed alla 1,2, perchè la molecola del benzene è piana, quindi le posizioni simmetriche sono equivalenti. 4 Alogenuri alchilici Gli alogenuri alchilici sono composti in cui un atomo di idrogeno di un idrocarburo è sostituito da un atomo di alogeno (elemento del VII gruppo del sistema periodico). Se è un generico radicale alchilico, avremo: -F fluoruro alchilico -Br bromuro alchilico -l cloruro alchilico -I ioduro alchilico Le proprietà chimiche degli alogenuri derivano dalla polarizzazione del legame tra carbonio (media elettronegatività), ed alogeno (alta elettronegatività). L'atomo di carbonio che lega l'alogeno ha una parziale carica positiva, e può essere attaccato da reattivi nucleofili, cioè da basi: 2 Br + - 2 + Br - La reattività degli alogenuri dipende principalmente dal tipo di alogeno: i fluoruri sono pochissimo reattivi, perché l'acido fluoridrico è un acido debole, quindi lo ione fluoruro, che dovrebbe essere rilasciato, è poco stabile. Al contrario gli ioduri sono estremamente reattivi, perché l'acido iodidrico è un acido forte, e lo ione ioduro, rilasciato nella reazione di sostituzione, è estremamente stabile. ome in tutte le sostituzioni nucleofile, la reazione favorita è quella in cui entra la base forte ed esce la base debole. Fluoruri e cloruri alchilici hanno impieghi in materiali di ampio utilizzo, quali il freon, usato come propellente nelle bombole spray e nei circuiti refrigeranti, il politetrafluoroetilene ( Teflon), ed il polivinilcloruro. Bromuri e ioduri alchilici sono reattivi chimici molto aggressivi. Gli alogenuri aromatici sono molto più stabili degli alogenuri alchilici, non danno le reazioni di sostituzione nucleofila, ma prevalgono le reazioni elettrofile dell'anello aromatico. 5 Alcoli Gli alcoli sono caratterizzati dal gruppo funzionale -, ed il loro nome si ottiene aggiungendo la desinenza -olo al nome dell'idrocarburo corrispondente. Nel caso il gruppo alcolico possa avere diverse posizioni, sarà necessario indicare il numero dell'atomo di carbonio a cui il gruppo funzionale è legato.
4 metano 3-3 etano 3-2 - 3 propano 3 metanolo (alcol metilico) 3-2 etanolo (alcol etilico) 3-2 - 2 1-propanolo 3 -- 3 2-propanolo Dato che il gruppo è polare e può formare legami a idrogeno, gli alcoli sono solubili in acqua, con la solubilità che diminuisce mano a mano che il radicale alchilico diventa più grande. Nei nostri esempi, metanolo ed etanolo sono solubili in acqua in tutte le proporzioni, mentre il propanolo ha una solubilità limitata. Possiamo distinguere tre diversi tipi di alcoli, alcoli primari, secondari e terziari: gli alcoli primari hanno il gruppo alcolico legato ad un carbonio che, a sua volta, è legato ad un solo radicale alchilico. Negli esempi appena riportati, sono alcoli primari l'etanolo e l' 1- propanolo. Gli alcoli secondari hanno il gruppo alcolico legato ad un carbonio che lega due radicali alchilici, come il 2- propanolo. Gli alcoli terziari hanno il gruppo alcolico legato ad un carbonio che lega tre radicali alchilici. Le formule generali di alcoli primari, secondari e terziari, indicando con un generico radicale alchilico, possono essere così riassunte: 2 alcol primario alcol secondario alcol terziario Gli alcoli in soluzione acquosa, non sono né acidi né basici. Nelle reazioni si può rompere sia il legame tra carbonio ed ossigeno, sia il legame tra ossigeno ed idrogeno. Quando si rompe il legame tra carbonio e ossigeno gli alcoli si comportano come gli alogenuri alchilici ma, nel caso degli alcoli, il gruppo -, che dovrebbe staccarsi, è una base fortissima perciò la reazione avviene con grande difficoltà ed in presenza di catalizzatori. La principale reazione di questo tipo è la disidratazione: 2 + 2 2 che porta alla formazione di alcheni. Questa reazione, catalizzata da enzimi, è presente nei più importanti cicli metabolici di tutte le cellule. Le reazioni in cui gli alcoli rompono il legame tra ossigeno ed idrogeno sono più frequenti, e possiamo ricordare: + ' ' alcol aldeide semiacetale + ' ' alcol acido estere In queste reazioni gli alcoli si comportano come reattivi nucleofili
Gli alcoli aromatici sono acidi deboli, perché nello ione la carica negativa viene delocalizzata sull'anello aromatico. Il principale alcol aromatico è il fenolo: - 5.1 Tioalcoli I tioalcoli hanno il gruppo funzionale -S, e, ricordando che lo zolfo come l'ossigeno è un elemento del sesto gruppo, hanno caratteristiche molto simili a quelle degli alcoli. In generale i tioalcoli daranno le stesse reazioni che danno gli alcoli, e si differenziano principalmente per le reazioni di ossidazione dell'atomo di zolfo, reazioni che ovviamente gli alcoli non possono dare. I tioalcoli possono essere ossidati dando origine ad una vasta serie di composti, che corrispondono ai numerosissimi composti inorganici dello zolfo. Una reazione di ossidazione è di particolare rilievo, quella in cui due tioalcoli formano un disolfuro: -S + -S + 1/2 2 -S-S- + 2 Questa reazione è importante sia per la struttura delle proteine, sia perché nelle cellule è presente un composto, il glutatione, in cui il gruppo tioalcolico, facilmente ossidabile, serve a proteggere le cellule dai composti ossidanti. I disolfuri possono reagire con altri tioalcoli per dare una reazione di scambio: -S-S- + '-S -S-S-' + -S Questa reazione sta alla base del meccanismo di azione dei farmaci mucolitici, che contengono tioalcoli i quali, rompendo i disolfuri, rendono il muco più fluido. 5.2 Eteri Gli eteri hanno formula generale --, sono sostanze poco polari e poco reattive. Il loro nome si ha semplicemente indicando il nome dei due radicali legati all'ossigeno, seguiti dalla parola etere, ad esempio metil-etil-etere. Gli eteri possono essere ottenute da alcoli per reazione con alogenuri alchilici: - + -Br -- + Br Nel caso di eteri semplici, è possibile ottenerli trattando l'alcol con acido solforico concentrato: 2 - ( 2 S 4 ) -- + 2 questo metodo è usato con l'alcol etilico per ottenere l'etere solforico, cioè il dietil etere, un tempo usato come anestetico. 6 Aldeidi e hetoni Aldeidi e chetoni sono caratterizzati da uno stesso gruppo funzionale, il carbonile =. Il carbonio del carbonile, nelle aldeidi è legato ad un radicale alchilico ed un idrogeno, mentre nei chetoni è legato a due radicali alchilici. Il nome si ottiene aggiungendo la desinenza -ale per le aldeidi, e la desinenza -one per i chetoni. La differenza di reattività tra aldeidi e chetoni è
abbastanza piccola, così parleremo solo delle aldeidi, dando per sottinteso che le stesse reazioni si hanno per i chetoni. Le aldeidi possono essere ottenute per ossidazione di un alcol: da un alcol primario si ha un'aldeide, da un alcol secondario un chetone: 2-2 - 2 La reazione di ossidazione in realtà avviene sul carbonio, che perde un idrogeno, per questo gli alcoli terziari, in cui non sono presenti atomi di idrogeno sul carbonio che lega il gruppo alcolico, non vengono ossidati. Le aldeidi, ma non i chetoni, possono essere ossidate ulteriormente formando un acido carbossilico. Il gruppo carbonilico è polarizzato, con una parziale carica positiva sul carbonio: questa polarizzazione, e la presenza di un doppio legame, farà si che aldeidi e chetoni diano reazioni di addizione nucleofila: + 2 aldeide idrata + ' ' semiacetale Queste reazioni sono tutte facilmente reversibili. In un caso il prodotto di addizione non è stabile, e la reazione procede ulteriormente, con eliminazione di una molecola d'acqua: + ' N 2-2 ' N ' N aldeide ammina Base di Schiff 6.1 ondensazione aldolica Aldeidi, chetoni e Basi di Schiff danno luogo ad un particolare equilibrio detto tautomeria. Questi composti, in presenza di basi, possono rilasciare l'atomo di idrogeno legato al carbonio accanto la gruppo carbonilico. Nei composti organici il legame carbonio-idrogeno è estremamente stabile, perché un eventuale rilascio di + lascerebbe sul carbonio una carica negativa (carboanione) molto instabile dato che il carbonio è un atomo molto piccolo. Nelle aldeidi (nei chetoni e nelle Basi di Schiff) il rilascio di un idrogenione dal carbonio adiacente al doppio legame produce un carboanione abbastanza stabile perché la carica negativa viene stabilizzata dalla delocalizzazione elettronica con il doppio legame:
2 - + _ on la delocalizzazione della carica negativa quando l'idrogenione si lega nuovamente ha due possibilità: legarsi al carbonio, da cui si era staccato, o legarsi all'ossigeno, formando un enolo (ene+olo, alcol legato ad un carbonio impegnato in un doppio legame): 2 + + _ carbonile carboanione enolo L'enolo è un isomero dell'aldeide, e questa forma di isomeria viene detta tautomeria. omposto carbonilico ed enolo sono in equilibrio tra di loro, e l'equilibrio può essere spostato completamente a favore della forma carbonilica oppure, in alcuni casi, a favore della forma enolica. Nelle basi di Schiff la tautomeria può provocare uno spostamento del doppio legame carbonio azoto, e questo meccanismo viene utilizzato da enzimi detti transaminasi. I carboanioni delle aldeidi sono basi fortissime, infatti, nonostante la delocalizzazione, i carboanioni sono sempre estremamente instabili. Essendo basi fortissime sono anche dei buoni nucleofili, quindi possono reagire con la parte di aldeide che non ha formato carboanioni per dare la normale reazione di addizione: _ 2 + + 2 aldolo Questa reazione è la condensazione aldolica, che, opportunamente modificata, viene usata dalle cellule per sintetizzare gli acidi grassi. 7 Acidi carbossilici Gli acidi carbossilici sono caratterizzati dal gruppo funzionale carbossile, -: In soluzione acquosa sono degli acidi deboli (K a 10-3 -10-5 ), ma sono ugualmente i composti più acidi della chimica organica. La loro acidità è dovuta alla delocalizzazione elettronica della carica negativa dello ione carbossilato: _ La reattività degli acidi carbossilici è fortemente influenzato dal p, infatti mentre la forma dissociata ha una carica negativa sul carbossile, la forma indissociata ha una parziale carica positiva sul carbonio del carbossile:
La reattività chimica degli acidi carbossilici è simile a quella delle aldeidi, che come gli acidi hanno il gruppo =, ed è caratterizzata inizialmente da addizioni nucleofile. A differenza delle aldeidi, però, il prodotto di addizione non è stabile, e la reazione prosegue con una seconda tappa, così la reazione nel suo complesso diventa una sostituzione nucleofila. Un'importante reazione degli acidi carbossilici è la esterificazione, reazione già descritta a proposito degli alcoli ma che qui esamineremo più in dettaglio: ' L'ossigeno dell'alcol con i suoi elettroni si lega al carbonio positivo ' _ + ' Si forma il prodotto di addizione, liberando l'idrogenione dall'alcol e spostando sull'ossigeno i due elettroni del legame L'ossigeno poi lega l'idrogenione ' + _ Viene eliminato uno dei due gruppi, ed un idrogenione Un'altra reazione degli acidi carbossilici è la formazione di anidridi, con eliminazione di una molecola d'acqua: + 2 Anidridi miste possono essere ottenute anche da un acido carbossilico ed un acido inorganico, come l'acido fosforico: P P Un acido carbossilico con ammoniaca forma un sale di ammonio: + N 3 - N 4 + 7.1 Derivati acilici Gli acidi carbossilici formano, con altri composti, il gruppo dei derivati acilici, caratterizzati dall'avere il gruppo = legato ad un altro gruppo elettron- attrattore, come, nel caso degli acidi carbossilici, il gruppo -. I principali derivati acilici sono i seguenti: Br alogenuri alchilici
N 2 anidridi acidi carbossilici esteri ammidi Tutti i derivati acilici reagiscono per dare sostituzioni nucleofile, come già visto nel caso degli acidi carbossilici. La loro reattività dipende dalle caratteristiche del gruppo uscente, ed i derivati acilici saranno tanto più reattivi quanto più stabile è il gruppo uscente. Gli alogenuri acilici (da non confondere con gli alogenuri alchilici) sono i più reattivi, perché il gruppo uscente è lo ione alogenuro (F -,l -, Br -, I - ), uno ione molto stabile; seguono, con reattività decrescente, le anidridi degli acidi carbossilici, in cui il gruppo uscente è lo ione dell'acido, una base abbastanza forte dato che gli acidi carbossilici sono acidi deboli. Ancora meno reattivi sono gli acidi carbossilici, in cui il gruppo da sostituire è lo ione -, una base molto forte, e gli esteri, il cui gruppo uscente è lo ione alcolato, - -, una base ancor più forte di -. Tra i derivati acilici i meno reattivi, quindi i più stabili, sono le ammidi, per due motivi: il gruppo N 2 è sicuramente il peggior gruppo uscente (N 3 è una base, e tende ad acquistare, non a perdere idrogenioni), inoltre il gruppo ammidico è stabilizzato dalla delocalizzazione tra il doppio legame = ed il doppietto di elettroni non impegnati nei legami dell'azoto: N 2 gni derivato acilico può essere facilmente ottenuto per sostituzione nucleofila partendo da uno dei derivati più reattivi, così dagli alogenuri acilici possono essere ottenuti tutti gli altri, mentre dalle ammidi è estremamente difficile ottenere altri derivati acilici. A questa regola esistono due eccezioni: non è possibile preparare un ammide partendo da un acido carbossilico ed ammoniaca, perché si forma un sale, non l'ammide; tutti i derivati acilici possono essere trasformati in acidi carbossilici, con una reazione di idrolisi. L'idrolisi dei derivati acilici è facile e spontanea nel caso degli alogenuri acilici e delle anidridi, richiede la presenza di catalizzatori nel caso degli esteri e delle ammidi. I catalizzatori possono essere degli acidi (idrolisi acida) o delle basi (idrolisi basica): in quest'ultimo caso si ottengono i sali degli acidi carbossilici, e la reazione viene chiamata saponificazione. I saponi sono sali di acidi carbossilici in cui il gruppo è una lunga catena idrocarburica. Le reazioni dei derivati acilici possono essere così riassunte: alogenuro acilico + acido carbossilico anidride + acido alogenidrico + 2 acido carbossilico + acido alogenidrico + alcol estere + acido alogenidrico + N 3 ammide + acido alogenidrico Anidride + 2 acido carbossilico + acido carbossilico + alcol estere + acido carbossilico + N 3 ammide + acido carbossilico
Acido carbossilico + acido carbossilico anidride (solo ad alte temperature) + alcol estere + 2 + N 3 sale di ammonio Estere + 2 acido +alcol + N 3 ammide + alcol Ammide + 2 acido + ammoniaca (solo in presenza di catalizzatori) 8 Ammine Le ammine si possono considerare derivati dell'ammoniaca, con gli atomi di idrogeno sostituiti da radicali alchilici. Poichè l'ammoniaca ha tre atomi di idrogeno, potremo avere tre diversi tipi di ammine, a seconda che siano sostituiti da radicali alchilici uno, oppure due, oppure tre idrogeni. N 2 Ammine primarie N N Ammine secondarie Ammine terziarie Le ammine sono caratterizzate dalla presenza, sull'atomo di azoto, di un doppietto di elettroni che, come nell'ammoniaca, possono essere utilizzati per legare uno ione +, sono cioè basiche: N 2 + 3 + N 3 + + 2 La loro basicità è leggermente superiore a quella dell'ammoniaca. Le ammine aromatiche sono invece molto meno basiche, perché il doppietto di elettroni è delocalizzato quindi è meno disponibile per legare gli ioni +. ome l'ammoniaca forma lo ione ammonio, è così possibile avere dei derivati in cui tutti e quattro gli idrogeni dello ione ammonio sono sostituiti da radicali alchilici: avremo così gli ioni tetra alchil ammonio: N + Essendo basiche, le ammine sono dei buoni reattivi nucleofili, infatti danno lo stesso tipo di reazioni che sono già state descritte utilizzando l'ammoniaca come reagente. on i derivati acilici (esteri, anidridi, alogenuri acilici) daranno ammidi N-sostituite:
N 2 N N-alchil ammide + N N N,N dialchil ammide estere N nessun prodotto on le aldeidi ed i chetoni reagiscono solo le ammine primarie per dare le Basi di Schiff. Le ammine secondarie reagiscono con l'acido nitroso per dare le N-ntroso ammine: N N che sono delle potenti sostanze cancerogene.