Scarica Riassunto chimica organica programma 5 superiore e più Appunti in PDF di Chimica organica solo su Docsity! La chimica organica I composti del carbonio ● Definizione di composto organico. Fino agli inizi dell'Ottocento, i composti del carbonio erano considerati essenzialmente di origine naturale, cioè prodotti dall'attività biologica di organismi animali e vegetali, per questo essi si chiamavano e vengono spesso ancora chiamati composti organici. ● Le caratteristiche dell’atomo di carbonio I composti del carbonio sono costituiti principalmente da sei elementi: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo, appartenenti alla classe dei non metalli. Il numero elevato di composti organici è dovuto alla versatilità del carbonio che è in grado di formare un'infinita varietà di molecole: 1. Nel livello energetico esterno sono presenti quattro elettroni singoli, con i quali il carbonio forma sempre quattro legami covalenti. FORME DI IBRIDAZIONE: L’atomo di carbonio che nello stato fondamentale ha configurazione elettronica 2 2 , quando si𝑠2 𝑝2 combina con altri atomi assorbe energia e trasferisce un elettrone dell’orbitale 2s a un orbitale 2p vuoto. in questo modo aumenta il numero degli elettroni singoli e varia la configurazione elettronica esterna, che nello stato eccitato è quindi 2 2 . In seguito𝑠1 𝑝3 alla combinazione di un orbitale s con uno, due o tre orbitali p, il carbonio ha la capacità di ibridarsi rispettivamente sp, s , s . Con gli orbitali ibridi l’atomo di carbonio forma𝑝2 𝑝3 legami covalenti di tipo mentre con gli orbitali non ibridi p forma legami covalenti diσ, tipo π. 1 2. Il numero di ossidazione che assume tutti i valori compresi tra +4 e -4, permette al carbonio di formare infiniti composti. 3. Il valore medio di elettronegatività ( per il carbonio fa sì che questo atomo non𝐸 𝑛 = 2. 5) abbia tendenza a perdere acquistare elettroni ma solo a condividerli con altri atomi. 4. Il piccolo raggio atomico (r=77pm) dell'atomo di carbonio comporta un minimo ingombro sterico che permette di formare legami covalenti singoli, doppi, tripli e questa possibilità conferisce a un carbonio la facoltà di formare più molecole costituite dagli stessi atomi, ma disposti in modo diverso nello spazio. 5. La grande tendenza alla concatenazione con altri atomi di carbonio è giustificata dall'assenza, nel livello energetico esterno, di doppietti elettronici e le catene possono essere aperte o chiuse, (lineari o ramificate). ● Le formule di struttura di Lewis e razionali Organici si rappresentano con formule: 1. Di Lewis, che evidenziano tutti i legami chimici. 2. Razionali che evidenziano legami carbonio, carbonio. 3. Topologiche che evidenziano solo la catena carboniosa. ● Isomeria 2 propagazione come la luce ordinaria, vibrano su un solo piano. L'attività ottica delle molecole chirali può essere determinata mediante un polarimetro.Questo strumento è costituito da: 1. Un polarizzatore che permette alla luce di ordinare di divenire luce polarizzata (un prisma di nicol, costituito da carbonato di calcio cristallino o una lente di Polaroid). 2. Un tubo porta campione in cui viene inserita la soluzione contenente il composto da esaminare. 3. Un prisma analizzatore che permette di determinare l'angolo di cui viene dotato il piano della luce polarizzata, tale valore angolare si chiama rotazione osservata. ● Le proprietà fisiche dei composti organici 5 Lo stato fisico di un composto organico dipende dal numero e dalla forza dei legami intermolecolari che si possono stabilire tra le molecole del composto stesso. Se i legami intermolecolari sono pochi e deboli (interazioni di Van der waals), il composto è nello stato aeriforme, se sono numerosi, relativamente più forti (legami a idrogeno) il composto è liquido o solido. I punti di ebollizione dei composti organici dipendono dalla apolarità o polarità delle molecole, dalla forza dei legami intermolecolari. Tra molecole apolari si formano legami intermolecolari deboli, per cui i punti di ebollizione sono bassi. Quando presentano gruppi capaci di formare legami idrogeno, le molecole organiche hanno punti di ebollizione più alti. All'aumentare del numero degli atomi della molecola, ovvero la massa molecolare, aumenta il numero di tali legami intermolecolari quindi composti della stessa classe, hanno valori crescenti della temperatura di ebollizione. La solubilità in acqua (molecola polare) dei composti organici dipende dalla presenza delle molecole di gruppi idrofili o idrofobici. Composti contenenti gruppi idrofili sono solubiliin acqua, mentre i composti contenenti gruppi idrofobici sono insolubili in acqua. Sono gruppi idrofili i gruppi atomici (−OH, −NH2, −COOH) capaci di formare legami a idrogeno con l’acqua. I composti contenenti gruppi idrofobici sono insolubili in acqua, ma solubili in solventi apolari (benzene). Sono gruppi idrofobici i gruppi atomici (−CH3, - (CH2)n−CH3, −C6H5) che non possono formare legami a idrogeno con l’acqua. ● Reattività La reattività di un composto organico è determinata dalla presenza nella sua molecola di un legame multiplo, di un atomo molto elettronegativo (ossigeno, alogeni) o di un gruppo atomico che attira o respinge elettroni. 6 L’etilene,pur avendo lo stesso numero di atomi di carbonio, è molto più reattivo dell’etano in quanto nella sua molecola è presente un legame multiplo. La reattività di un composto organico e determinata dalla presenza nella sua molecola di uno specifico gruppo atomico che attira o respinge elettroni. Il normal-propano è meno reattivo dell’1-cloropropano, perché nell’1-cloropropano è presente un atomo molto elettronegativo (il cloro). L’1-butanolo è molto più reattivo del n-butano, in quanto nella sua molecola è presente un gruppo atomico (il gruppo −OH) che ha un’elevata tendenza a reagire. Un legame multiplo, un atomo molto elettronegativo o un gruppo atomico che determina la reattività e di un composto organico si chiama gruppo funzionale. Anche il tipo di reazioni dipende dal gruppo funzionale. 7 Gli alogeni sono gli atomi di fluoro, cloro, bromo e iodio rappresentati dai rispettivi simboli indicati dai nomi: Per assegnare il nome degli isomeri di catena degli alcani: 1. si identifica la catena carboniosa più lunga, denominata con il nome corrispondente al numero di atomi di carbonio; 2. si numera questa catena partire dall'estremità che permette di utilizzare i numeri più piccoli per i sostituenti; 3. quando presente un solo sostituente, il nome precisato dal numero che indica la posizione e il nome del sostituente e dal nome della catena carboniosa più lunga: ● Isomeria conformazionale Negli alcani i legami tra gli atomi di carbonio (ibridati s ) sono legami semplici per cui è𝑝3 possibile la rotazione di un atomo di carbonio rispetto agli altri atomi di carbonio. Ne consegue che una molecola pur conservando la stessa concatenazione di atomi di carbonio assume diverse disposizioni spaziali. Si chiamano isomeri conformazionali o conformeri forme diverse della stessa molecola che si interconvertono per rotazione intorno ad un legame semplice carbonio-carbonio. i conformeri sono stereoisomeri con le stesse proprietà fisiche e chimiche che non possono essere separati. 10 ● Reazioni Negli alcani i legami interatomici (carbonio-idrogeno e carbonio-carbonio) sono legami covalenti molto forti. Gli alcani sono quindi molto stabili e poco reattivi. Solo in eccesso di ossigeno o con alogeni sono possibili, rispettivamente, reazioni di combustione e di alogenazione. 1. La combustione è una reazione redox in presenza di ossigeno , con formazione di𝑂 2 diossido di carbonio C e acqua e liberazione di calore Q.𝑂 2 2. L'alogenazione avviene in presenza di luce, con formazione di un alcano alogenato R-C X e di un acido alogenidrico HX.𝐻 2 SOSTITUZIONE RADICALICA: 3 fasi. Guarda pagina 38 CICLOALCANI Esistono idrocarburi saturi a catena chiusa chiamati cicloalcani. Sono composti ciclici di formula generale: 𝐶 𝑛 𝐻 2𝑛 Per la loro nomenclatura si usano il prefisso ciclo- e la desinenza –ano. I primi idrocarburi della serie dei cicloalcani sono: 11 ALCHENI Gli alcheni sono idrocarburi alifatici insaturi per la presenza di un doppio legame carbonio-carbonio con formula molecolare generale: 𝐶 𝑛 𝐻 2𝑛 Il nome è costituito dal prefisso corrispondente alla radice del nome degli alcani e dal suffisso -ene. 12 Quando alla catena carboniosa sono legati dei sostituenti si verifica isomeria di catena. Per assegnare il nome si individua la catena carboniosa più lunga contenente il triplo legame e si numera la catena dall’estremità che permette di utilizzare il numero più piccolo per la posizione del triplo legame. ● Reazioni La reattività degli alchini è legata alla presenza del triplo legame (uno σ e due π) tra i due atomi di carbonio. I legami π, deboli e reattivi, reagendo con idrogeno molecolare e con agenti elettrofili, dà origine a reazioni di addizione. Si rompono i legami π, con formazione di quattro legami σ più forti. Le reazioni di addizione degli alchini sono di due tipi. 1. La reazione di idrogenazione o riduzione catalitica avviene con idrogeno molecolare (H2) in presenza di un catalizzatore metallico (Pt) e forma il corrispondente alcano. 2. La reazione di addizione elettrofila avviene con alogeni (alogenazione) e acidi alogenidrici. L’alogenazione del propino forma un alcano alogenato. La reazione di un alchino asimmetrico con acidi alogenidrici segue la regola di Markovnokov. IDROCARBURI AROMATICI Gli idrocarburi aromatici, o areni, sono una classe di composti organici costituiti da almeno un anello a sei atomi di carbonio. Tra gli idrocarburi aromatici monociclici (con un solo anello) il più semplice è il benzene. La formula molecolare C6H6 fa pensare a una struttura con tre doppi legami, insatura e quindi instabile: 15 In realtà il benzene è molto stabile e tutti i legami carbonio- carbonio hanno la stessa lunghezza. Si deve quindi ammettere che tre dei quattro elettroni di ciascun atomo formano tre legami covalenti singoli, mentre i sei elettroni non condivisi sono delocalizzati su tutti gli atomi a formare un legame a elettroni delocalizzati: ● Nomenclatura Il nome degli idrocarburi aromatici monociclici si basa sia su regole sistematiche sia sull’uso di nomi comuni. 1. Per i Derivati Monosostituiti, composti formati da un anello benzenico e da un atomo o gruppo atomico legato all’anello, si usa generalmente il nome comune 2. Per i derivati bisostituiti occorre indicare la posizione dei due sostituenti con appositi prefissi: 3. Nei derivati polisostituiti le posizioni dei sostituenti sono indicate numerando gli atomi di carbonio dell’anello in modo da utilizzare i numeri più piccoli possibile. Se i sostituenti presenti nell’anello sono diversi, questi devono essere denominati in ordine alfabetico. 16 ● Reazioni REAZIONE SOSTITUZIONE ELETTROFILA PAGINA 61 La reazione più comune del benzene è la sostituzione elettrofila, con uno o più atomi di idrogeno dell’anello che vengono sostituiti con altri atomi o gruppi atomici. 1. La Reazione Di Nitrazione Consiste Nel Trattare il benzene con una soluzione di acido nitrico e di acido solforico (catalizzatore): il prodotto è il nitrobenzene. 2. La reazione di alogenazione avviene trattando il benzene con un alogeno (Cl2 o Br2), in presenza di un corrispondente alogenuro FeCl3 o FeBr3 (catalizzatore): il prodotto è un derivato aromatico. I derivati degli idrocarburi I derivati degli idrocarburi sono composti organici che si ottengono dagli idrocarburi per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con atomi o gruppi atomici diversi, detti gruppi funzionali. In base al tipo di atomo presente nei gruppi funzionali, i derivati degli idrocarburi sono suddivisi in: ● alogenati (atomo di alogeno); ● ossigenati (atomo di ossigeno); ● azotati (atomo di azoto). ALOGENURI ALCHILICI Gli alogenuri alchilici sono composti organici in cui uno o più atomi di alogeni sono direttamente legati a uno o più atomi di carbonio di un alcano. Sono insolubili in acqua e hanno punti di ebollizione più alti rispetto a quelli degli idrocarburi con lo stesso numero di atomi di carbonio. ● Reazioni Il legame carbonio-alogeno è polarizzato; l’atomo di carbonio con una parziale carica positiva può pertanto essere attaccato da un agente nucleofilo per dare origine a due tipi di reazione: di eliminazione e di sostituzione nucleofila. 17 Gli alcoli sono acidi molto più deboli dell'acqua per cui la loro dissociazione acida può avvenire solo con base molto forti. Tuttavia è possibile rompere il legame O-H degli alcoli mediante una reazione di ossidoriduzione con metalli alcalini. In questa reazione il metallo si ossida mentre l'idrogeno liberato dall'alcol si riduce a idrogeno molecolare H2 e si forma un sale detto alcossido. ● Rottura legame C-O: In questa reazione gli alcoli comportandosi da basi accettano uno ione idrogeno da un acido. Una delle reazioni più comuni di rottura del legame C-O che interessano gli alcoli è la reazione di disidratazione. In questa reazione vi è l'eliminazione di una molecola di H2O che avviene in presenza di un catalizzatore, un acido solforico, e alla temperatura di 180°, il prodotto che si forma è un alchene . ● Ossidazione Gli alcoli che possiedono almeno un atomo di idrogeno legato al carbonio nel gruppo ossidrile possono essere ossidati facilmente a composti carbonilici. Coinvolti in queste reazionii sono solo gli alcol primari e secondari e non terziari perché non hanno nessun idrogeno sul carbonio che porta il gruppo -OH. In questa reazione gli angoli primari secondari in presenza di forti ossidanti e in ambienti acido sono ossidati rispettivamente ad aldeidi e chetoni. ● Polioli I polioli o alcoli polivalenti sono composti che derivano dagli alcani per sostituzione di due o più atomi di idrogeno con due o più gruppi ossidrili. Il glicerolo (o glicerina) è molto diffuso nelle cellule dei viventi sotto forma di trigliceridi. È usato per preparare prodotti cosmetici e farmaceutici. Reagendo con l’acido nitrico, forma la nitroglicerina, un potente esplosivo. ● Fenoli I Fenoli sono composti organici con un gruppo idrossido legato direttamente all’anello benzenico. Hanno punti di ebollizione elevati ma sono poco solubili per la presenza dell’anello aromatico idrofobico. In acqua si comportano da acidi e possono reagire con basi forti (reazione di rottura del legame O-H) per dare composti detti fenossidi. 20 Un composto fenolico molto diffuso nei viventi è la vitamina E. ● Eteri Gli eteri sono composti in cui il gruppo funzionale è un atomo di ossigeno legato a due gruppi organici (alchilici o arilici). ALDEIDI E CHETONI Le aldeidi e i chetoni sono composti caratterizzati dalla presenza del gruppo funzionale carbonile, in cui l’atomo di carbonio ibridato sp2 è legato a un atomo di ossigeno da un doppio legame. Hanno punti di ebollizione più alti degli idrocarburi, ma più bassi degli alcoli. I primi termini di aldeidi e chetoni sono solubili in acqua, ma la solubilità diminuisce all’aumentare della massa molecolare. I composti carbonilici danno reazioni di addizione nucleofila con rottura del doppio legame carbonio-ossigeno, ma anche reazioni di riduzione e di ossidazione. Le aldeidi reagiscono anche con particolari reattivi (reattivo di Fehling o reattivo di Tollens) usati come saggi di laboratorio. ● Reazioni Nella reazione di addizione nucleofila, cge avviene in presenza di un catalizzatore acido h+, il prodotto di reazione è un emiacetale se il composto carbonilico è un aldeide o un emichetale il composto è un chetone. Nella Reazione di riduzione di aldeidi e chetoni in presenza di agente riducente [H] forma rispettivamente alcol primari e secondari. L'ossidazione delle aldeidi in presenza di opportuni ossidanti [O] genera gli acidi carbossilici corrispondenti. questa reazione avviene solo con le aldeidi perché nei chetoni l'ossidazione porterebbe alla rottura di un legame C-C. 21 ACIDI CARBOSSILICI Gli acidi carbossilici sono composti organici caratterizzati dal gruppo funzionale carbossilico o carbossile. Questo è costituito da due gruppi funzionali, il gruppo carbonile e il gruppo ossidrile. A temperatura ambiente i primi quattro termini degli acidi carbossilici sono allo stato liquido, i termini superiori sono allo stato solido. I punti di ebollizione degli acidi carbossilici sono più alti rispetto a idrocarburi e alcoli. I primi quattro termini della serie sono solubili in acqua, ma la solubilità diminuisce al crescere della massa molecolare. Sono acidi deboli. ● Reazioni Rottura legame O-H: La reazione avviene in presenza di una base forte che favorisce la rottura eterolitica del legame O-H e porta la formazione di un sale organico. Sostituzione nucleofila acilica: In questa reazione si ha la sostituzione del gruppo -OH dell'acido con un nucleofilo. il gruppo funzionale di un acido carbossilico che si forma per eliminazione del gruppo -OH si chiama acile. DERIVATI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI I derivati degli acidi carbossilici sono composti nei quali l’ossidrile del gruppo carbossile è sostituito da un altro gruppo funzionale. I derivati più comuni degli acidi carbossilici sono: •gli esteri, nei quali il gruppo ossidrile è stato sostituito con il gruppo alcossido (gli esteri sono molto diffusi in natura, a essi si deve il profumo dei fiori e il sapore di molti frutti); 22