appunti di chimica organica 2

Appunti di
CHIMICA ORGANICA
A cura del prof. Luvisi Lorenzo
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Introduzione
La chimica organica è quella parte della
chimica che studia i composti del
carbonio.
Questo nome si deve al fatto che a
questo gruppo di composti
appartengono anche i costituenti
elementari degli organismi viventi,
nonché le sostanze da questi prodotti
durante il loro ciclo vitale.
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Introduzione
Nei composti organici compare sempre il
carbonio (C), accompagnato prevalentemente
solo da pochi altri elementi come:
idrogeno, ossigeno e azoto ed in misura minore
gli alogeni, lo zolfo, il fosforo, i metalli, ecc.
Il C è tetravalente (2s22p2) e presenta una
caratteristica particolare che è quella di poter
formare legami tra i propri atomi così da dar
luogo a catene di varia lunghezza (lineari o
ramificate, aperte o chiuse).
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Introduzione
Il comportamento chimico di un composto
organico dipende, in gran parte, dalla presenza
di raggruppamenti di atomi indicati come
gruppi funzionali.
I composti organici sono suddivisi in classi
distinte secondo la loro struttura e reattività.
Composti che presentano lo stesso gruppo
funzionale sono riuniti nella medesima classe.
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Introduzione
La denominazione dei composti organici è
relativamente complessa.
La IUPAC (International Union of Pure and
Applied Chemistry) ha introdotto una
nomenclatura sistematica, ma alcuni composti
di impiego comune mantengono ancora un
nome corrente.
Il nome di un composto appartenente ad una
classe viene definito da un suffisso. Diversi
composti presentano più di un gruppo
funzionale (polifunzionali).
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Idrocarburi
Tutti i composti contenenti unicamente
carbonio e idrogeno prendono il nome di
idrocarburi.
Rappresentano le molecole di base della
chimica organica poiché tutti gli altri
composti si possono considerare come
derivati da essi per sostituzione di un
atomo di H con un gruppo funzionale.
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Idrocarburi
Gli idrocarburi possono essere variamente
classificati, una prima distinzione si riferisce allo
stato fisico e distingue:
Idrocarburi solidi
Idrocarburi liquidi
Idrocarburi gassosi
Dal punto di vista delle proprietà chimiche
possiamo distinguere:
Composti Alifatici e aliciclici (o cicloalifatici) (R)
Composti aromatici o areni (Ar-H)
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Idrocarburi alifatici
Gli idrocarburi alifatici (dal greco unguento)
presentano sempre legami covalenti che
collegano gli atomi di C, da cui si originano
catene lineari o ramificate così come anelli
privi di aromaticità (detti aliciclici o
cicloalifatici).
Una catena in cui sono presenti soltanto legami
singoli si dice satura. Al contrario sarà
insatura una catena in cui sono presenti 1
o più legami multipli.
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Idrocarburi alifatici
I composti alifatici si distinguono in:
singolo legame C-C (saturi)
1. Alcani:
doppio legame C=C
2. Alcheni:
triplo legame
C≡C
3. Alchini:
Un alchile o radicale alchilico (o gruppo
alchilico) è il nome di un gruppo funzionale
corrispondente ad un alcano privato di una
atomo di H. Ha desinenza –ile (esempio:
metile -CH3).
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Idrocarburi alifatici
Gli alcani, noti anche come paraffine e i
cicloalcani, sono gli idrocarburi in cui sono
presenti soltanto legami singoli (saturi).
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Idrocarburi alifatici
Formula generale: CnH2n + 2 e CnH2n (cicloalcani).
La nomenclatura prevede:
Prefisso: iso- per gli isomeri a catena ramificata.
ciclo- per gli alcani ciclici (cicloalcani).
Radice: riflette il numero degli atomi di C.
Suffisso: –ano.
I primi 4 sono gassosi, dal pentano liquidi e
dall’icosano (20 C) solidi. Hanno scarsa tendenza
a reagire (paraffine). Quando reagiscono danno
principalmente reazioni di sostituzione. La loro
principale fonte naturale è il petrolio.
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Idrocarburi alifatici
Lo studio degli alcani introduce il problema dell’
isomeria strutturale. Sono definiti isomeri
due o più composti che, pur avendo la stessa
formula molecolare, presentano strutture e
proprietà diverse.
butano normale
CH3
isobutano (metilpropano)
CH2
CH3
CH2
CH—CH2
CH2
CH3
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Idrocarburi alifatici
Gli alcheni, noti anche come olefine e i
cicloalcheni, sono gli idrocarburi caratterizzati
dalla presenza di un doppio legame (non
saturi).
Formula generale: CnH2n e CnH2n-2 (cicloalcheni).
La nomenclatura prevede, come negli alcani, oltre
al prefisso e alla radice, il suffisso: –ene.
Più reattivi degli alcani possono subire reazioni di
addizione di H2 e H2O (idratazione del doppio
legame). Tendono inoltre a polimerizzare
(polietilene, più monomeri).
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Idrocarburi alifatici
Di seguito alcuni esempi di alcheni:
Etene o più comunemente Etilene C2H4.
Da cui derivano il monocloroetilene o
cloruro di vinile C2H3Cl ed il
tricloroetilene o trielina C2HCl3.
Propilene C3H6.
Butilene C4H8. Presenta 3 isomeri.
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Idrocarburi alifatici
La presenza di un doppio legame determina n
nuovo tipo di isomeria, nota come isomeria
geometrica o cis-trans.
Un isomero cis presenta i sostituenti diversi dalla
stessa parte del doppio legame al contrario del
trans che li presenta dalla parte opposta.
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Idrocarburi alifatici
Gli alchini e i cicloalchini, sono gli idrocarburi
caratterizzati dalla presenza di un triplo legame.
Formula generale: CnH2n-2 e CnH2n-4 (cicloalchini)
La nomenclatura prevede, oltre al prefisso e alla
radice, il suffisso: –ino.
Subiscono reazioni di addizione come gli alcheni.
Se addizionano certi metalli (Cu, Ag) formano
composti esplosivi detti acetiluri. Di seguito alcuni
esempi di alchini:
Etino o acetilene C2H2.
Propino o allilene C3H4.
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Idrocarburi aromatici
Gli idrocarburi Aromatici, sono quelli che
contengono almeno un anello
benzenico (6 atomi di C) ed hanno
proprietà chimiche del tutto particolari.
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Idrocarburi aromatici
La struttura del benzene può essere
rappresentata come un ibrido di risonanza
fra più strutture limite possibili,
elettronicamente isomere (strutture
mesomere).
Per questo si conviene di aggiungere un anello
all’interno dell’esagono che lo rappresenta
(delocalizzazione degli elettroni).
Gli idrocarburi aromatici danno origine a reazioni
di sostituzione.
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Idrocarburi aromatici
Quando al benzene viene
distaccato uno qualsiasi dei
suoi 6 atomi di H si ottiene
il fenile (o gruppo
funzionale fenile).
I gruppi come il fenile derivati
da idrocarburi aromatici,
sono noti come gruppi o
radicali arili.
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Composti eterociclici
Sono detti composti eterociclici quelli che
contengono nell’anello atomi diversi dal
carbonio detti eteroatomi.
Gli elementi che più comunemente tendono a
sostituire gli atomi di C sono l’azoto,
l’ossigeno e lo zolfo.
Possono manifestare carattere aromatico o non
aromatico. Assumono grande importanza in
biochimica (acidi nucleici).
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Alcoli
Gli alcoli sono composti organici di struttura
simile agli alcani in cui un atomo di H è
sostituito da un gruppo ossidrile o alcolico
(-OH).
Formula generale: CnH2n+1OH.
La nomenclatura prevede l’uso del suffisso –olo
in sostituzione dell’ultima lettera dell’alcano
corrispondente (etano
etanolo).
Un tempo si usava impiegare il suffisso –ilico
facendo precedere il nome dal termine alcole
(etano
alcole etilico)
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Alcoli
Nel numerare la catena principale, il numero più
basso possibile dovrà essere assegnato
all’atomo di C cui è legato il gruppo -OH.
Dal punto di vista della struttura chimica gli
alcoli possono essere classificati a seconda dei
gruppi alchilici (alcano – H) legati all’atomo di
C a sua volta legato al gruppo OH:
Gruppo alcolico primario: -CH2OH
Gruppo alcolico secondario: =CHOH
Gruppo alcolico terziario: ≡COH
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alcoli primari
H H
H
H C OH
H C
H
metanolo
C OH
H H
etanolo
alcole metilico
alcole etilico
H H H
H C C
H H H
1-propanolo
alcole n-propilico
H H H
H C
alcole
secondario
H
2-propanolo
alcole isopropilico
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CH3
C C H
H O H
C OH
CH2
H3C
alcole
terziario
C CH3
OH
2-metil-2-butanolo
alcole isobutilico terziario
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Alcoli
La presenza del gruppo ossidrile rende gli alcoli
idrosolubili, anche se in maniera limitata dalla
lunghezza della catena carboniosa.
L’alcole etilico (o spirito di vino) è quello
contenuto nelle bevande alcoliche. Si ottiene per
distillazione o fermentazione.
Con una concentrazione del 95% (in volume) viene
detto alcol puro, mentre al 100% è detto alcol
assoluto.
In commercio si trova l’alcol denaturato ottenuto
aggiungendo sostanze di odore e sapore
sgradevoli.
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Alcoli
Quando più gruppi ossidrile sono presenti nella
stessa molecola si parla di polialcoli (o polioli).
I dioli presentano 2 gruppi -OH. Vengono anche
chiamati genericamente glicoli (esempio: glicole
etilenico o 1,2-etandiolo e glicole propilenico o
1,2 propandiolo).
Tra i polialcoli riveste particolare importanza
biologica un triolo (3 gruppi –OH): il glicerolo o
glicerina (C3H8O3 derivata dal propano per
aggiunta di 3 gruppi OH), costituente
fondamentale dei lipidi.
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Fenoli
Gli alcoli derivanti dagli idrocarburi
aromatici prendono il nome di fenoli.
In essi si ha la sostituzione di 1 o più
atomi di H con gruppi ossidrile –OH.
A differenza degli
alcoli alifatici hanno
un comportamento
debolmente acido.
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Eteri
Sono composti in cui l’atomo di O ha legati a sé
2 gruppi alchilici (alcano – H) o arilici (anello
aromatico - H).
Gruppo funzionale:
R-O-R’
Si ottengono per disidratazione degli alcoli.
Formula generale: CnH2n+2O.
La nomenclatura prevede l’uso del suffisso
–etere.
L’etere più importante è il dietiletere o etere
etilico, avente formula di struttura:
CH3-CH2-O-CH2-CH3
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Tiolo
I tioli (o mercaptani ) sono composti assimilabili
agli alcoli in cui l’atomo di O è stato sostituito
da un atomo di zolfo (sulfidrile).
Gruppo funzionale solfidrico: -SH
La nomenclatura prevede l’uso del suffisso –tiolo
in sostituzione dell’ultima lettera dell’alcano
corrispondente (metano
metantiolo).
Si ottengono per disidratazione degli alcoli.
L’ossidazione di 2 gruppi –SH porta alla
formazione di un disolfuro: -S-SA cura del prof. Luvisi Lorenzo
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Aldeidi
Aldeidi e chetoni sono anche detti composti
carbonilici perchè possiedono il gruppo
carbonile (C=O presente in molte delle classi
di composti organici analizzate in seguito).
In particolare le aldeidi recano il gruppo
funzionale formile —CHO (non scriviamo
—COH in quanto H e O non sono legati fra
loro ma direttamente a C).
Il loro nome deriva da “alcol deidrogenato”, che
è una delle possibili modalità di preparazione.
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Aldeidi
Formula generale: CnH2nO.
La nomenclatura prevede l’uso del suffisso –ale
in sostituzione dell’ultima lettera dell’alcano
corrispondente (etano
etanale).
L’aldeide più semplice è il metanale (aldeide
formica o formaldeide): H-CHO
L’aldeide acetica (etanale o acetaldeide): CH3CHO. È una sostanza tossica, probabilmente
cancerosa le cui tracce sono contenute anche
nel fumo di tabacco e nella marjuana.
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Chetoni
I chetoni sono composti organici che recano nella
loro struttura il gruppo funzionale acile (-CO).
Formula generale: CnH2nO.
La nomenclatura prevede l’uso del suffisso –one.
Il chetone più semplice ha necessariamente 3
atomi di C e prende il nome di propanone
(più comunemente acetone). Il suo impiego
principale è come solvente.
La sua formula è CH3-CO-CH3.
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Acidi carbossilici
Gli acidi carbossilici (o acidi organici) sono
composti in cui è presente il gruppo
carbossile (-COOH).
Gli acidi carbossilici si preparano
principalmente per ossidazione di alcoli
primari e aldeidi:
Gruppo ossidrile (-OH) + CO = -COOH.
Gruppo formile (-CHO) + O = -COOH.
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Acidi carbossilici
La riduzione di un acido carbossilico porta
quindi alla formazione di un aldeide, e
se fatta proseguire, ad un alcol primario.
Gli acidi carbossilici sono acidi deboli e
mostrano un basso grado di
dissociazione.
Possono presentare 2 o più gruppi
carbossilici.
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Acidi carbossilici
La nomenclatura IUPAC si basa sul conteggio degli
atomi di C della catena principale, con l’aggiunta
del prefisso acido e del suffisso –oico.
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Acidi carbossilici
I più noti acidi carbossilici saturi sono:
Acido formico (o metanoico): H-COOH,
rappresenta il prodotto di ossidazione dell’aldeide
formica (si trova nelle formiche rosse).
Acido acetico (o etanoico): CH3-COOH, si trova
libero nell’aceto e si usa nell’industria
farmaceutica, in tintoria, ecc. In presenza di
catalizzatori l’etanolo (alcole etilico) può
generare direttamente acido acetico.
Il più semplice acido carbossilico insaturo:
Acido acrilico: CH2=CH-COOH
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Acidi carbossilici
L’ossidazione per via biologica è catalizzata
da una speciale sostanza, l’ossidasi
prodotta dai batteri. Essendo questa un
catalizzatore organico prende il nome di
enzima.
Quando l’enzima viene prodotto da
microrganismi il processo chimico prende
il nome di fermentazione (lattica,
alcolica, acetica, ecc.).
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Acidi carbossilici
Alcuni importanti acidi organici sono contenuti
nei grassi neutri (composti dal glicerolo
esterificato con 1, 2 o 3 acidi grassi).
Alcuni saturi:
Acido palmitico C15H31COOH
C16H32O2
Acido stearico
C17H35COOH
C18H36O2
Altri insaturi:
Acido oleico
Acido linoleico
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C17H33COOH
C17H31COOH
C18H34O2
C18H32O2
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Esteri
Gli esteri derivano da una reazione di
esterificazione in cui un acido (carbossilico)
reagisce con un alcol o un fenolo con
eliminazione di una molecola d’acqua. La
reazione di esterificazione è reversibile, ed il
processo inverso prende il nome di
saponificazione.
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Esteri
Dal punto di vista biologico, gli esteri si possono
suddividere in 3 classi a seconda della
lunghezza della catena di atomi di C e del tipo
di alcol e di acido.
Esteri di frutta: con meno di 10 atomi di C
Cere: catene di 10-30 e più atomi di C
Gliceridi: sono esteri della glicerina (o alcol npropilico). Gli acidi che reagiscono con la
glicerina possono essere monoinsaturi o
polinsaturi e monocarbossilici (mono- di- e
trigliceridi)
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Ammine
Le ammine sono composti organici contenenti
azoto.
Si possono considerare derivanti dall’ammoniaca
(NH3) per sostituzione di 1, 2 o 3 atomi di H
con altrettanti gruppi alchilici (alcano privato di
1 idrogeno) o arilici (benzene privato di 1
idrogeno). Gruppo funzionale amminico: C-NLe ammine sono denominate aggiungendo alla
radice, rappresentata dal gruppo
alchilico/arilico, il suffisso –ammina.
(esempio: metilammina CH3NH2).
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Ammine
In base al numero dei gruppi
alchilici/arilici legati agli atomi di N, le
ammine vengono classificate in
primarie, secondarie e terziarie.
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Immine
Le immine sono composti organici con gruppo
funzionale –C=N-. Si formano mediante
condensazione tra un ammina primaria e un
aldeide o chetone. Si distinguono in:
primarie (-C=NH);
secondarie (-C=NR) chiamate anche Basi di
Schiff.
La formazione di basi di Shiff è una reazione
fondamentale nel metabolismo dell’azoto degli
amminoacidi.
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ISOMERIA
L’isomeria è quel fenomeno per il quale
sostanze diverse per proprietà fisiche e
talvolta per comportamento chimico,
hanno la stessa formula molecolare.
Possiamo distinguere:
Un’isomeria strutturale (o costituzionale)
già vista nella forma di posizione nel caso
degli alcani.
Un’isomeria spaziale (o stereoisomeria) in
parte già vista nella forma geometrica o
cis-trans.
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ISOMERIA
La stereoisomeria oltreché geometrica può
essere configurazionale o ottica.
L’isomeria ottica genera una coppia di complessi
che sono l’uno l’immagine speculare non
sovrapponibile dell’altro.
Tali due complessi prendono il nome di
enantiomeri; distinguendosi così dai
diastereoisomeri che non sono speculari
(situazione espressa nell’isomeria geometrica
o cis-trans).
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ISOMERIA
Ogniqualvolta un atomo di C si trova legato a 4
costituenti diversi dà origine ad una
asimmetria di cui rappresenta il centro di
asimmetria o centro chirale (dal greco, con
significato di mano, ovvero di specularità non
sovrapponibile).
I quattro costituenti diversi di 1 atomo di C
asimmetrico possono essere disposti in 2 modi
diversi generando così 2 enantiomeri.
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ISOMERIA
Due enantiomeri sono tra loro del tutto simili
tranne che per la proprietà fisica che permette
di far rotare, di un certo angolo, la luce
polarizzata da cui vengono attraversati.
Tale rotazione avverrà verso destra (destrogiro
o D) o verso sinistra (levogiro o L).
Se si mescolano in parti uguali l’isomero
destrogiro e levogiro, il potere rotatorio si
annulla e si ottiene un terzo isomero detto
racemico.
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ISOMERIA
La stereochimica è quella parte della
chimica che studia i composti
stereoisomeri.
In campo biologico l’isomeria
ottica ha enormi
implicazioni; ad esempio
solo gli zuccheri della serie
D- hanno importanza per
l’uomo, come pure solo gli
L-amminoacidi ecc.
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Grazie per l’attenzione
A cura del prof. Luvisi Lorenzo