CHIMICA ORGANICA - APPUNTI, Appunti di Chimica Organica

Scarica CHIMICA ORGANICA - APPUNTI e più Appunti in PDF di Chimica Organica solo su Docsity! CHIMICA ORGANICA Chimica organica → chimica dei composti del carbonio Oltre al carbonio, i composti organici presentano sempre H, spesso O e Z, più raramente zolfo, alogeni e fosforo La versatilità del carbonio è legata alle sue caratteristiche: 1. Tendenza alla concatenazione → si lega con altri atomi di carbonio formando catene aperte o chiuse ad anello 2. Ha configurazione esterna 2s22p2 (IV gruppo) → tende a raggiungere l’ottetto condividendo elettroni e formando legami covalenti con altri atomi 3. Il suo numero di ossidazione varia da +4 a -4 4. Si può ibridare:  Ibridazione sp3 → se l’atomo di carbonio è legato a 4 atomi  Ibridazione sp2 → se l’atomo di carbonio è legato a 3 atomi  Ibridazione sp → se l’atomo di carbonio è legato a 2 atomi 5. Può formare legami covalenti carbonio-carbonio:  Legami semplici → C-C (atomi di C ibridati sp3)  Legami doppi → C=C (atomi di C ibridati sp2)  Legami tripli → C≡C (atomi di C ibridati sp) Nei composti organici gli atomi di carbonio sono sempre ibridati e formano sempre 4 legami covalenti. Idrocarburi (composti organici più semplici) → catene di atomi di C legati fra loro da legami semplici, doppi o tripli, e a tanti atomi di idrogeno quanti sono necessari per saturare le 4 valenze. Un atomo di C può essere classificato in base al numero di atomi di carbonio a esso legati: - Atomo di carbonio primario → legato ad un solo altro atomo di C - Atomo di carbonio secondario → legato a due altri atomi di C - Atomo di carbonio terziario → legato a tre altri atomi di C - Atomo di carbonio quaternario → legato a quattro altri atomi di C Il nome sistematico di qualunque composto organico è costituito da 3 parti: prefisso + radice+ desinenza  Desinenza → indica la classe di composti organici cui il composto appartiene  Radice → indica il numero di atomi di C nella catena principale  Prefisso → indica la posizione nella catena principale dei vari sostituenti e/o gruppi funzionali GRUPPI FUNZIONALI Gruppo funzionale → un atomo o un gruppo di atomi che, legato alla catena carboniosa, è responsabile delle proprietà chimico-fisiche del composto. Moltissimi composti organici sono caratterizzati dalla presenza di uno o più gruppi funzionali. In base al numero di gruppi funzionali presenti nella molecola i composti organici si suddividono in:  Monofunzionali → contenenti un solo gruppo funzionale  Polifunzionali → contenenti due o più gruppi funzionali (uguali o diversi) I composti aventi lo stesso gruppo funzionale presentano analoghe proprietà chimico-fisiche e possono essere raggruppati nella stessa classe. LEE ERTIÀIt Desinenza I legame semplice alcani fc 9 Ti Giona “ano I 4 io legame i Sed doppio leg; alcheni GH} “ene / WE triplo legame alchini Ghzo “ino N alogeno alogenuri alchilici OH gruppo ossidirilico alcoli R—OH -olo E gruppo etere eteri R-0-R etere aldeidi R de “ale 0 \ E gruppo carbonilico H N | \ chetoni IS =0 -one R7 , | 39 Do C gruppo.carbossilico acidi carbossilici R MES coico OH OH O o - grupposstem esterì R - -ato di -ile (0):3 O-R' DO < alogene alogenuri acilici R -< x x 4 anidridi È Se (organiche) % R-C ù o n L pus L ; x gruppo ammidico ammidi REG -ammide Ng: ONRR 2 gruppo amminico —ammine (primarie) - R-NH) ciano o nitrile nitrili R-C=N gruppo nitro | nitroderivati. Rio: be —! __ gruppotiolico tioli (o mercaptani) _R-SH CT R indica un generico gruppo alchilico e il simbolo X indica un generico alogeno (CI, E, Bro1). IDROCARBURI Composti organici più semplici → composti binari costituiti solo da carbonio e idrogeno. Una prima grande distinzione viene posta tra idrocarburi alifatici e aromatici: - Gli idrocarburi aromatici contengono anelli carboniosi con legami a elettroni delocalizzati - Gli idrocarburi alifatici non contengono legami a elettroni delocalizzati IDROCARBURI ALIFATICI: ALCANI, ALCHENI, ALCHINI Gli idrocarburi alifatici comprendono alcani, alcheni e alchini (a catena aperta o ciclici). In base al tipo di legame carbonio-carbonio gli idrocarburi alifatici possono essere suddivisi in:  Saturi → contenenti solo legami semplici C-C: alcani  Insaturi → contenenti uno o più legami multipli; comprendono: Alcheni: contenenti uno o più doppi legami C=C (ibridazione sp2) Alchini: contenenti uno o più tripli legami (ibridazione sp) Idrocarburo Legame Ibridazione Geometria Alcano Singolo Sp3 Tetraedrica Alchene Doppio Sp2 Trigonale planare Alchino Triplo Sp Lineare Il nome di un idrocarburo è formato da una radice che indica il numero di atomi di carbonio che costituiscono la molecola, seguito da una desinenza diversa a seconda della classe di appartenenza (alcani, alcheni, alchini): GRUPPI ALCHILICI Negli idrocarburi a catena ramificata un gruppo laterale legato alla catena base sostituisce formalmente un atomo di idrogeno ed è indicato generalmente come sostituente. Se il sostituente deriva da un idrocarburo è detto gruppo alchilico ed è indicato con R-. Gruppo alchilico → frammento di una molecola derivato formalmente da un idrocarburo per eliminazione di un atomo di idrogeno. La desinenza caratteristica dei gruppi alchilici è -ile: il nome del gruppo alchilico si ottiene sostituendo la desinenza dell’idrocarburo con la desinenza -ile. Al crescere del numero di atomi di carbonio si possono distinguere gruppi alchilici diversi, corrispondenti alla medesima formula bruta; in questo caso, per distinguerli, si usano prefissi che specificano qual è la struttura della catena carboniosa (ex: normal-propile e iso-butile). REGOLE PER LA NOMENCLATURA  La posizione dei sostituenti è indicata dal numero dell’atomo di carbonio a cui sono legati  Se sono presenti due o più sostituenti uguali il loro numero va indiato con il prefisso di-, tri-, ecc.. preceduto dai numeri degli atomi di carbonio a cui sono legati  Se sono presenti gruppi sostituenti diversi, vengono elencati in ordine alfabetico, oppure in numero di grandezza crescente ALCANI  Sono idrocarburi alifatici saturi  Hanno formula generale CnH2n+2  La desinenza caratteristica è -ano  Contengono solo legami covalenti semplici  Sono privi di gruppi funzionali IL LEGAME SEMPLICE I due atomi di carbonio impegnati in un legame covalente semplice C-C sono sempre ibridati sp3 e possiedono perciò 4 orbitali ibridi equivalenti sp3. Quando un orbitale sp3 di un atomo di carbonio si sovrappone frontalmente a un orbitale sp3 di un altro atomo di carbonio si origina un legame covalente semplice di tipo ō, intorno al quale i gruppi legati possono ruotare liberalmente. Il legame semplice carbonio-carbonio è sempre un legame di tipo ō. L’idrocarburo più semplice è il metano (CH4). ISOMERIA NEGLI ALCANI Gli alcani presentano:  Isomeria conformazionale: si ha libera rotazione intorno ai legami C-C  Isomeria di struttura: la catena può essere lineare o ramificata, aperta o chiusa a ciclo  Isomeria ottica: se la molecola contiene almeno un atomo di carbonio chirale ALCANI CICLICI (CICLOALCANI) La catena carboniosa di un idrocarburo può essere aperta (lineare o ramificata) oppure chiusa a formare un anello (idrocarburi ciclici). I più semplici idrocarburi aliciclici (alifatici ciclici) sono i cicloalcani, derivati formalmente dagli alcani a catena aperta per eliminazione di due atomi di idrogeni da due carboni non contigui e successiva saldatura dei due atomi di carbonio a essi legati. I cicloalcani hanno formula generale CnH2n. Il nome di questi idrocarburi si ottiene anteponendo il prefisso ciclo- al nome dell’alcano corrispondente a catena aperta. ALCHENI  Idrocarburi alifatici insaturi  Hanno formula generale CnH2n  La desinenza caratteristica è -ene  Contengono uno o più doppi legami C=C  Il doppio legame è considerato il gruppo funzionale degli alcheni L’idrocarburo più semplice è l’etene (CH2=CH2), chiamato continuamente etilene. IL LEGAME DOPPIO I due atomi di carbonio impegnati in un legame covalente doppio C=C sono sempre ibridati sp2 e possiedono perciò tre orbitali ibridi equivalenti sp2 e un orbitale p puro. Quando due atomi di carbonio ibridati sp2 si avvicinano a sufficienza, uno dei tre orbitali ibridi sp2 di ciascun atomo di carbonio si sovrappone frontalmente all’altro originando un legame ō, mentre l’orbitale p puro di uno si sovrappone lateralmente all’orbitale p dell’altro originando un legame π. Il doppio legame carbonio-carbonio è sempre costituito da un legame di tipo ō e uno di tipo π. Il legame di tipo π impedisce la libera rotazione dei gruppi legati intorno al doppio legame carbonio-carbonio e irrigidisce quindi la struttura. ISOMERIA NEGLI ALCHENI A partire dal butene (C4H8) gli alcheni presentano isomeria di struttura, isomeria di posizione e isomeria cis-trans. ALCHENI POLIFUNZIONALI: I DIENI Gli alcheni polifunzionali contengono più di un doppio legame nella molecola. I più semplici sono i dieni, contenenti due doppi legami e aventi formula generale CnH2n-2. ALCHINI  Idrocarburi alifatici insaturi  Hanno formula generale CnH2n-2  La desinenza caratteristica è -ino  Contengono uno o più tripli legami  Il triplo legame è considerato il gruppo funzionale degli alchini L’idrocarburo più semplice è l’etino, chiamato anche acetilene. IL LEGAME TRIPLO I due atomi di carbonio impiegati in un legame covalente triplo sono sempre ibridati sp e possiedono perciò due orbitali ibridi equivalenti sp e due orbitali p puri. Quando due atomi di carbonio ibridati sp si avvicinano a sufficienza, uno dei due orbitali ibridi sp di ciascun atomo di carbonio si sovrappone frontalmente a un orbitale sp dell’altro originando un legame ō, mentre i due orbitali p puri di uno si sovrappongono lateralmente ai due orbitali p dell’altro originando due legami π. Il legame triplo carbonio-carbonio è sempre costituito da un legame di tipo ō e due di tipo π. ISOMERIA NEGLI ALCHINI A partire dal butino gli alchini presentano isomeria di posizione e a partire dal pentino isomeria di struttura. PROPRIETÀ FISICHE DEGLI IDROCARBURI ALIFATICI Gli idrocarburi sono composti molecolari apolari, insolubili in acqua. diverso punto di ebollizione e PMM, principalmente gas di petrolio (metano, etano, propano e butano), il GPL, benzina e nafta. DERIVATI DEGLI IDROCARBURI ALOGENURI ALCHILICI E ARILICI Hanno formula generale R-X (alchilici) o Ar-X (arilici) dove X=Cl, Br, I. Il nome degli alogenuri alchilici si assegna considerando il composto come l’alogenuro di un radicale alchilo oppure considerando l’alogeno come un nomale sostituente di una catena alifatica. Il nome degli alogenuri arilici si ottiene facendo precedere la parola benzene dal nome dell’alogeno (ex: iodobenzene). La presenza dell’alogeno, più elettronegativo del carbonio, rende la molecola polare. Gli alogenuri alchilici danno reazioni di sostituzione nucleofila ed eliminazione (deidrogenazione). Nella reazione di sostituzione nucleofila, un nucleofilo (in questo caso OH-) attacca il carbonio sp3 legato al gruppo X (Br) e rimpiazza quest’ultimo che viene detto gruppo uscente. ALCOLI Hanno formula generale R-OH : - Il gruppo funzionale è il gruppo ossidrilico (o ossidrile) -OH; - La desinenza caratteristica della classe è -olo. In base al tipo di C a cui è legato il gruppo -OH gli alcoli si suddividono in:  Primari → gruppo -OH legato a un atomo di carbonio primario  Secondari → gruppo -OH legato a un atomo di carbonio secondario  Terziari → gruppo -OH legato a un atomo di carbonio terziario Nomenclatura:  Si numera la catena più lunga contenente il gruppo -OH in modo che esso riceva il numero più basso possibile  Il nome dell’alcol si ottiene sostituendo la lettera finale dell’idrocarburo corrispondente con la desinenza -olo e indicando con un numero la posizione del gruppo -OH  Nel caso degli alcoli polifunzionali si utilizzano le desinenze -diolo e -triolo, rispettivamente per gli alcoli contenenti due o tre gruppi -OH Proprietà fisiche: Le proprietà fisiche degli alcoli sono determinate sia dal gruppo -OH (a carattere idrofilo) sia dalla porzione alchilica della molecola (a carattere idrofobico). La presenza del gruppo -OH rende la molecola polare e fa sì che gli alcoli possano formare legami a idrogeno intermolecolari e legami a idrogeno con l’acqua, di conseguenza:  Hanno punti di fusione ed ebollizione più alti degli idrocarburi a ugual numero di C  Gli alcoli inferiori (fino a 3 atomi di C) sono solubili in acqua in tutte le proporzioni; la solubilità diminuisce gradualmente all’aumentare del numero di atomi di C della catena Proprietà chimiche: sono determinate principalmente dal gruppo ossidrilico. La presenza dell’atomo di ossigeno (più elettronegativo del carbonio) provoca una separazione di cariche nella molecola rendendola più reattiva di quella degli idrocarburi. Come l’acqua, gli alcoli sono sostanze anfotere (possono comportarsi sia da acidi che da basi deboli a seconda delle condizioni sperimentali). La reazione più caratteristica degli alcoli è quella di ossidazione. Gli alcoli primari possono essere ossidati ad aldeidi, quelli secondari a chetoni. Alcoli più comuni: Il METANOLO si utilizza come solvente, come anticongelante e come materia prima per la preparazione della formaldeide e altri composti organici; è tossico per l’organismo. L’ETANOLO si può ottenere mediante fermentazione biologica a opera di microrganismi oppure per idratazione dell’etilene in ambiente acido. Si usa principalmente come carburante e nell’industria alimentaria per la preparazione delle bevande alcoliche. Fenoli - Sono alcoli aromatici contenenti uno o più gruppi -OH legati direttamente a un residuo arilico - Hanno formula generale Ar-OH - La desinenza caratteristica della classe è -olo Il nome dei fenoli deriva da quello degli idrocarburi corrispondenti preceduto dal prefisso idrossi- e da uno o più numeri che identificano la posizione dei gruppi -OH. Come gli alcoli, formano legami a idrogeno intermolecolari e con l’acqua, perciò sono solubili in acqua; inoltre, sono solidi il cui punto di fusione aumenta al crescere del numero dei gruppi -OH. TIOLI E TIOFENOLI  I tioli hanno formula generale R-SH (tioalcoli) o Ar-SH (tiofenoli)  Il gruppo funzionale è il GRUPPO SOLFIDRILICO -SH Il nome di un tiolo deriva da quello dell’idrocarburo corrispondente sostituendo la lettera finale con l desinenza -tiolo. I tioli sono detti anche mercaptani. ETERI Hanno formula generale R-O-R . Sono formalmente derivati dell’acqua per sostituzione dei due atomi di H con due gruppi alchilici che possono essere uguali o diversi. Il nome si ottiene dalla parola etere preceduta (o seguita) dal nome dei due radicali, indicati in ordine alfabetico. Gli eteri non formano legami a idrogeno intermolecolari e hanno quindi punti di ebollizione inferiori a quelli degli alcoli. Gli eteri a basso PM sono in genere liquidi molto volatili e altamente infiammabili; sono inoltre ottimi solventi in molte sostanze organiche. Il legame etereo è molto forte e può essere scisso solo trattando con acidi forti a caldo. Gli eteri si ottengono mediante reazione di condensazione tra due alcoli. ALDEIDI E CHETONI Le aldeidi hanno formula generale mentre quella dei chetoni è Il gruppo C=O, comune alle due classi, è detto gruppo carbonilico o carbonile. La desinenza caratteristica delle aldeidi è -ale, quella dei chetoni è -one. Il nome delle aldeidi deriva da quello dell’idrocarburo corrispondente sostituendo la lettera finale con la desinenza - ale; la catena va numerata a partire dal carbonio carbonilico. Il nome dei chetoni deriva da quello dell’idrocarburo corrispondente sostituendo la lettera finale con la desinenza - one; la catena va numerata dall’estremità più vicina al carbonio carbonilico. Proprietà fisiche: La presenza del gruppo carbonilico influenza le proprietà fisiche delle aldeidi e dei chetoni:  Essendo composti polari ma non potendo formare legami idrogeno intermolecolari, hanno punti di fusione ed ebollizione più alti degli idrocarburi a ugual numero di atomi di C, ma più bassi degli alcoli corrispondenti  Potendo formare legami a idrogeno con l’acqua: le aldeidi e i chetoni inferiori (fino a 5C) sono idrosolubili, mentre quelli superiori sono solubili nei solventi organici Proprietà chimiche: la presenza dell’atomo di ossigeno (molto elettronegativo) fa sì che il gruppo carbonilico sia fortemente polarizzato e quindi piuttosto reattivo. La presenza di questo gruppo funzionale sia nelle aldeidi che nei chetoni determina la somiglianza delle proprietà chimiche di queste due classi di composti.  La reazione tipica è una reazione di addizione nucleofila, perché avviene in seguito all’attacco da parte di una base di Lewis sul C del gruppo carbonilico, che avendo una parziale carica positiva si comporta da elettrofilo.  L’addizione di idrogeno (o riduzione) di un’aldeide e di un chetone fornisce rispettivamente un alcol primario e un alcol secondario  Le aldeidi si ossidano facilmente a dare gli acidi carbossilici corrispondenti. I chetoni vengono invece ossidati solo da ossidanti forti che spezzano la catena a livello del gruppo carbonilico, dando prodotti ossidati a catena più corta. Aldeidi e chetoni più comuni La formaldeide, l’aldeide più semplice, viene commercializzata come soluzione acquosa con il nome di formalina e come tale impiegata come conservante e disinfettante. È utilizzata anche come materia prima per la produzione di materie plastiche. Si prepara industrialmente per ossidazione del metanolo. L’acetone, il chetone più semplice, viene utilizzato come solvente perché in grado di sciogliere molte sostanze organiche, vernici, coloranti, resine. Le aldeidi e i chetoni sono largamente diffusi in natura e molti, specificatamente quelli ad alto PM, hanno odori gradevoli; l’aldeide cinnamica, per esempio, si trova nella cannella. ACIDI CARBOSSILICI Gli acidi carbossilici hanno formula generale Il gruppo funzionale è il gruppo carbossilico (gruppo carbonilico + gruppo ossidrilico) La desinenza caratteristica della classe è -oico. Il nome di un acido carbossilico si ottiene dal nome dell’idrocarburo corrispondente preceduto dalla parola acido, sostituendo la lettera finale con la desinenza -oico, la numerazione della catena inizia dal carbonio del gruppo carbossilico. AMMIDI Le ammidi hanno formula generale dove: R’, R’’ = H o gruppo alchilico. Sono formalmente derivate dagli acidi per sostituzione del gruppo -OH di un acido carbossilico con un gruppo -NH2 (gruppo amminico), oppure -NHR (ammina primaria), o -NR’R’’ (ammina secondaria). Le ammidi si ottengono da una reazione di condensazione tra un acido carbossilico e l’ammoniaca. La reazione è reversibile: vengono idrolizzate in ambiente basico o acido liberando l’acido carbossilico corrispondente e ammoniaca. NITRILI (O CIANURI) I nitrili hanno formula generale R-C≡N e sono formalmente derivati dall’acido cianidrico (HCN) per sostituzione dell’atomo di H con un gruppo alchilico o arilico; il gruppo funzionale è il gruppo -C≡N, detto gruppo ciano o nitrile; la desinenza caratteristica della classe è -nitrile (ex: benzonitrile). ETEROCICLI (O COMPOSTI ETEROCICLICI) Composti organici ciclici alifatici o aromatici, in cui l’anello contiene uno o più atomi diversi dal carbonio, generalmente azoto, ossigeno e zolfo. Gli eterocicli più comuni sono pentatomici (anelli a 5 atomi) es esatomici (anelli a 6 atomi). In base alla struttura si dividono in non aromatici e aromatici. Gli eterocicli non aromatici hanno proprietà chimico-fisiche analoghe a quelle dei corrispondenti composti non ciclici in cui l’eteroatomo è legato a due gruppi alchilici. Gli eterocicli più importanti sono quelli aromatici; essi, in genere, danno reazioni di sostituzione elettrofila, come il benzene. Quadro riassuntivo delle principali classi di composti organici ldrogenazione | Deidrogenazione #7) (di ogenazione Disidratazione idratazione condensazione ta [secondari] idrolisi , [primari] 4 | Riduzione | | Ossidazione Riduzione Ossidazione ANG Riduzione | Ossidazione Condensazione Idrolisi Condensazione idrolisi Ifirolis Condensazione