Chimica Organica PDF

Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Capitolo 1 Introduzione alla chimica organica Per la de nizione storica di chimica organica, essa riguarda lo studio di tutti i compos...

Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Capitolo 1 Introduzione alla chimica organica Per la de nizione storica di chimica organica, essa riguarda lo studio di tutti i composti de niti “organici”, ovvero provenienti da piante ed animali. Oggi però l’uomo è capace di produrre composti organici anche in laboratorio, come per esempio i farmaci e pesticidi e coloranti. I composti organici sono inoltre di cili da isolare e puri care, hanno pure un basso punto di fusione. L’importanza del carbonio Per la chimica organica moderna, i composti organici sono quei composti che contengono CARBONIO. Il carbonio appartiene al secondo periodo ed è del gruppo 4A. Ha dunque 4 elettroni di valenza, permettendogli quattro legami con altri atomi, anche con sé stesso a formare delle catene! Questi sono gli elementi che si trovano nei composti organici. → Teoria del legame chimico Perché gli atomi si uniscono tra di loro? Beh, il motivo dell’esistenza del legami sta nel fatto che i composti sono DECISAMENTE più stabili dei singoli atomi e possiedono una energia minore. Quando avviene un legame, dell’energia viene rilasciata dal sistema chimico. Per rompersi invece ha bisogno di energia. LEGAME COVALENTE: Legame formato dalla condivisione di elettroni tra gli atomi. MOLECOLA: Insieme elettricamente neutro di atomi tenuti insieme da legami covalenti. L’obiettivo dei legami chimici, per i singoli atomi, è quello di raggiungere una con gurazione elettronica uguale al gas nobile dello stesso periodo di appartenenza dell’atomo. Il carbonio, per esempio, vuole diventare neon. I legami formati dalla sovrapposizione di due orbitali atomici lungo una linea tracciata tra i due nuclei si chiamano legami sigma σ. Esiste una distanza ottimale tra i nuclei che porta alla massima stabilità del legame, chiamata lunghezza del legame. Se sono troppo vicini l’energia è eccessiva, se troppo lontani l’energia è troppo bassa per mantenere un legame. Orbitali ibridi e strutture Etano C2H6: Ha una struttura tetraedrica con gli angoli di 109.5°. Le due molecole di carbonio si legano insieme, e i restanti sp3 ibridi di ogni carbonio si sovrappongono con l’orbitale 1s dell’idrogeno. Pagina 1 di 50 fi fi  fi  ffi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Etilene C2H4: Ha una struttura particolare, con i due atomi di carbonio legati con doppio legame (condividono 4 elettroni!) e gli orbitali ibridi sp2 sono legati all’idrogeno ad angoli di 120°. In questi casi si può formare pure un legame pi greco π quando due legami non ibridi 2p si sovrappongono lateralmente. Acetilene C2H2: Qua esiste un triplo legame C-C lineare, gli angoli di legame sono di 180°. Due orbitali ibridi sp si sovrappongono lateralmente per formare due legami π. Metanolo CH3OH: Qua avviene l’ibridazione dell’ossigeno. I legami sono vicini all’angolo di 109.5°, e due dei quattro orbitali ibridi sp3 sono lone pairs. Metilfosfato CH3OPO3 2-: Orbitali ibridi sp3 sul fosforo. Si tratta di un organofosfato (atomo di P legato a 4 atomi di O, di cui uno di essi legato ad un C). Zolfo: Lo zolfo può formare due tipi di molecole: tioli (un atomo di S legato a uno di H ed uno di C) o solfuri (Un atomo di S legato a due atomi di C). Entrambi i composti presentano una ibridazione sp3. Teoria orbitali molecolari OM Il legame covalente non è altro che il risultato di una combinazione matematica degli orbitali atomici! Gli orbitali atomici OA si fondono per formare gli orbitali molecolari OM. - Combinazione additiva di due orbitali 1s: forma OM di legame σ a bassa energia (forma ovale); - Combinazione sottrattiva di due orbitali 1s: forma OM di antilegame σ* ad alta energia (forma di manubrio allungato); - Combinazione additiva di due orbitali 2p: forma OM di legame π a bassa energia (combinando due orbitali p di stesso segno, nessun nodo tra i nuclei); - Combinazione sottrattiva di due orbitali 2p: forma OM di antilegame π* ad alta energia (combinando due orbitali p di segno diverso, presente nodo tra i nuclei). Ovviamente solo gli orbitali molecolari di legame possono possedere elettroni. Disegnare le strutture chimiche Per sempli care la rappresentazione gra ca di molecole organiche più complesse, i chimici hanno inventato due tipologie di strutture gra che. - Strutture condensate: Alcuni legami esistenti, come C-H o C-C, sono sempli cati. Invece di rappresentare il legame, esso viene scritto come CH2, CH3, C2, e così via. Risparmiando linee di troppo. - Strutture a scheletro: In questo caso, i legamenti con molecole di C vengono sottintesi ed indicati come i vertici di strutture bidimensionali (quali esagoni, pentagoni). Questo però funziona solo seguendo regole speci che. 1. Alcuni atomi di carbonio sono assunti (spudoratamente indicati, per dare chiarezza sulla struttura); 2. Si presume che, di base, gli atomi di idrogeno non indicati siano legati al carbonio; 3. Gli atomi diversi da carbonio o idrogeno sono disegnati. L’ordine di scrittura di certi atomi può a volte essere invertito per dare chiarezza sulle connessioni di legame. Pagina 2 di 50   fi fi fi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Capitolo 2 Gruppi Funzionali I gruppi funzionali sono delle strutture organiche localizzabili nelle molecole organiche. Ogni gruppo funzionale ha una sua reattività chimica caratteristica, e dunque la chimica di una molecola organica - indipendentemente da dimensioni e complessità - è determinata soprattuto dai gruppi funzionali che possiede. Classi cazione Alcheni: Possiedono un doppio legame Alchini: Possiedono un triplo legame Areni/Aromatici: Possiedono un anello aromatico Halide: Contengono alogenuri, un alogeno (F, Cl, Br, I) Alcoli: Possiedono il gruppo -OH Eteri: Possiedono il gruppo -COC- Monofosfati: Possiedono un gruppo fosfato Difosfati: Possiedono due gruppi fosfato Ammine: Contengono azoto Immine/Basi di Schi : Possiedono un azoto legato al carbonio tramite doppio legame Nitrili: Possiedono un azoto legato al carbonio tramite triplo legame Tioli: Possiedono il gruppo SH Solfuri: Lo zolfo si lega al carbonio -C-S-C- Disolfuri: Due molecole di zolfo -C-S-S-C- Solfossidi: Legati a due carboni ed a un ossigeno Aldeidi, Chetoni, Acidi Carbossilici: Possiedono un legame tra carbonio ed ossigeno chiamato carbonile Esteri: Oltre al legame carbonile possiedono anche un ossigeno ed un carbonio legati precedentemente Tioesteri: Oltre al carbonile presentano zolfo al posto dell’ossigeno Ammidi: Oltre al carbonile presentano un azoto Cloruri acilici: Oltre al carbonile presentano un cloro Similarità tra gruppi funzionali I gruppi funzionali si comportano pressoché allo stesso modo in ogni tipo di molecola. GRUPPI FUNZIONALI CON LEGAMI MULTIPLI CARBONIO-CARBONIO Pagina 3 di 50  fi  ff  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Gli alcheni possiedono legami doppi, negli alchini addirittura tripli. Negli aromatici, l’anello di carbonio è unito da legami singoli e doppi alternati. GRUPPI FUNZIONALI CON CARBONIO SINGOLARMENTE LEGATO AD UN ATOMO ELETTRONEGATIVO - In questi casi, il legame risulterà sempre polare ed il carbonio porta una carica parziale positiva. - Si tratta di alogenuri alchilici, alcoli, eteri, fosfati alchilici, ammine, tioli, solfuri, disolfuri. GRUPPI FUNZIONALI CON DOPPI LEGAMI CARBONIO-CARBONIO (GRUPPI CARBONILICI) - Nel gruppo carbonile, C ed O sono legati tramite doppio legame, in cui il carbonio presenta carica parziale positiva mentre l’ossigeno carica parziale negativa. - Si tratta di aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri, tioesteri, ammidi, cloruri acilici. Ripasso sui legami Sappiamo già la di erenza tra legami covalenti e ionici. Entrambi hanno diversi gradi di elettronegatività. - Legami covalenti non polari: Elettronegatività < 0.5 - Legami covalenti polari: 0,5 < Elettronegatività < 2 - Legami ionici: Elettronegatività > 2 Nel carbonio, legami C-H non sono polari (2,5 - 2,1 = 0,4) mentre legami con ossigeno (3,5) e azoto (3,0) sì, perché sono molto elettronegativi. In questa immagine sono rappresentate le mappe del potenziale elettrostatico di Metanolo CH3OH e metillitio CH3Li. La mappa descrive le aree in rosso come ricche di elettroni, quelle in blu povere di elettroni. Gli elettroni si spostano nella direzione della freccia. Capitolo 3 Alcani Gli alcani sono la famiglia più semplice di molecole organiche. Sono un composto di carbonio ed idrogeno, dove le molecole di carbonio sono legate con legami semplici. La formula base è CnH2n+2. Sono spesso descritti come idrocarburi saturi (saturi perché contengono il numero massimo di atomi di idrogeno per carbonio). Isomeri negli alcani Alcuni alcani possono essere il metano CH4, o l’etano CH3CH3. Pagina 4 di 50   ff  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Più si aumentano gli atomi di carbonio presente, e più le strutture si di erenziano. In base a come si collocano i carboni l’uno rispetto all’altro, una molecola può assumere forma e funzione di erenti. - Si dicono alcani lineari (a catena lineare) gli alcani in cui gli atomi di carbonio sono legati senza alcuna rami cazione. - Si dicono alcani rami cati quelli che invece HANNO rami cazioni. ISOMERO: Dal greco isos + meros “costituiti dalle stesse parti”. Si tratta di composti che hanno la stessa formula molecolare (stessi tipi e numeri di atomi) di un altro composto, ma di eriscono dalla struttura (come gli atomi sono legati tra di loro). Questa particolare tipologia di isomeria è detta COSTITUZIONALE. Più atomi di carbonio ha un alcano, maggiore è la quantità di isomeri che può avere. In chimica organica troviamo sempre tanti isomeri. I chimici preferiscono le strutture condensate per la rappresentazione di grandi molecole e diversi isomeri. Questa tabella rappresenta la nomenclatura degli alcani. Seguono di norma i pre ssi numerici normali, eccetto per i primi quattro (metano, etano, propano, butano). Gruppi alchilici I gruppi alchilici sono dei gruppi molecolari instabili che si generano rimuovendo un atomo di idrogeno da un qualsiasi alcano. Per denominarli basta togliere il su sso -ano e mettere -ile. Metano → Metile (o gruppo metilico). I gruppi alchilici lineari si generano rimuovendo un atomo di idrogeno da un carbonio terminale, mentre i gruppi alchilici rami cati si generano rimuovendo un atomo di idrogeno da un carbonio interno. Per i gruppi alchilici C4 (Un atomo C interno legato ad altri 4 atomi) distinguiamo in carbonio primario, secondario, terziario, quaternario (in base al numero di idrogeni e carboni legati. Nel primo caso il carbonio è legato a 1 atomo di carbonio, nell’ultimo il carbonio è legato ad alti 4 carboni). La stessa regola vale per gli idrogeni! Possono essere primari, secondari o terziari. Pagina 5 di 50 fi fi   ff ff fi fi ffi fi ff  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Nomenclatura composti organici Per la nomenclatura dei composti organici, ogni termine si basa su 3 parti (colori) di erenti. Pre sso: Indica dove si trovano i sostituenti e la posizione del gruppi funzionali; Radice: Indica la quantità di atomi di carbonio nella molecola; Su sso: Indica a quale gruppo funzionale o famiglia appartiene la molecola. Nomenclatura alcani Gli alcani possono essere denominati seguendo questi passaggi. - STADIO 1 - TROVARE L’IDROCARBURO DI RIFERIMENTO: Trovare la catena continua di atomi di carbonio più lunga. Se esistono due catene lunghe di uguale lunghezza, scegliere quella con più rami cazioni. La catena scelta sarà la nostra radice. - STADIO 2 - NUMERARE GLI ATOMI DELLA CATENA: Si numerano gli atomi della catena a partire dall’estremità più vicina al primo punto di rami cazione. Se da entrambe le estremità le rami cazioni sono equidistanti, si prende come riferimento la seconda rami cazione più vicina. In pratica dobbiamo fare in modo che i carboni con sostituenti abbiano il numero PIÙ BASSO POSSIBILE. - STADIO 3 - IDENTIFICARE E NUMERARE IL SOSTITUENTE: Assegnare un numero a ciascun sostituente, individuando la sua posizione di attracco. Se due sostituenti sono attraccati allo stesso atomo di carbonio, verrà assegnato lo stesso numero ad entrambi. - STADIO 4 - SCRIVERE IL NOME COME PAROLA UNICA: Usiamo i trattini per separare i pre ssi e le virgole per separare i numeri. Se ci sono due o più sostituenti diversi, vanno scritti in ordine alfabetico. Se sono presenti due o più sostituenti identici, utilizziamo i pre ssi per la numerazione (di- tri- tetra-). - STADIO 5 - DENOMINARE I SOSTITUENTI RAMIFICATI: Se il sostituente è a sua volta rami cato, iniziamo a numerare il sostituente dal punto in cui è legato alla catena principale, poi disporre il sostituente in ordine alfabetico secondo la prima lettera del suo nome (compresi pre ssi numerici), per poi sistemarlo tra parentesi nel nome della molecola intera. Esempi di denominazione alcani, anche applicando lo stadio 5 Alcuni gruppi alchilici hanno nomi comuni da imparare: Gruppi alchilici a 3 atomi di carbonio - Nome comune: Isopropyl (i-Pr). IUPAC: 1-metiletil. Gruppi alchilici a 4 atomi di carbonio - Nome comune: sec-butile (sec-but). IUPAC: 1-metilpropil - Nome comune: isobutile. IUPAC: 2-metilpropil - Nome comune: terz-butile (t-Bu). IUPAC: 1,1-dimetiletil Pagina 6 di 50 ff ffi fi   fi fi fi fi fi fi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Gruppi alchilici a 5 atomi di carbonio - Nome comune: isopentile o isoamile (i-amile). IUPAC: 3-metilbutil - Nome comune: neopentile. IUPAC: 2,2-dimetilpropil - Nome comune: terz-pentile o terz-amile (t-amile). IUPAC: 1,1-dimetilpropil (Bisogna fare pratica perché onestamente non ci ho capito una sega) Proprietà degli alcani E siamo ancora qui. Gli alcani derivano dal latino “Parum A nis”, para ni, poco reagenti. Essi sono relativamente inerti in campo biologico. Però hanno comunque delle proprietà da non sottovalutare. Reazione con l’ossigeno e con il cloro L’alcano può essere usato come combustibile durante il processo di combustione. Per esempio, il metano CH4 reagisce con l’ossigeno in una reazione fortemente esotermica. CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + 890 kJ/mol Le reazioni con il cloro avvengono con una miscela di alcani e Cl2 gassoso è irradiato da una luce ultravioletta. A seconda della quantità dei due reagenti o il tempo di contatto, avviene una lenta reazione di sostituzione: Gli atomi H dell’alcano si sostituiscono con Cl. Nel metano, da CH3Cl diventa CCl4 con il tempo. Stereochimica Gli alcani mostrano un aumento del punto di ebollizione e del punto di fusione più la molecola è grande. Più atomi sono presenti, maggiore forze di dispersione si accumulano. Sarà dunque più di cile bollire o far fondere alcani se ci sono tanti atomi di carbonio. La stereochimica è quella branca della chimica che studia l’aspetto tridimensionale delle molecole. Anche ciò, infatti, comporta molto sulle sue proprietà intrinseche. Le conformazioni sono le diverse disposizioni spaziali assunte dagli atomi come conseguenza alla rotazione attorno ad un legame semplice. Sono rappresentate in due modi: - Rappresentazioni a cavalletto: Mostrano il legame C-C da una angolazione obliqua, evidenziando relazioni spaziali e tracciando ogni legame C-H. - Proiezioni di Markovnikov: Mostrano il legame C-C in una angolazione perfettamente frontale, e per capire che ci sono due carboni legati insieme, vengono rappresentati con un cerchio. I legami che interessano il C anteriore sono indicati con segmenti che partono dal centro del cerchio. I legami che interessano il C posteriore sono indicati con segmenti che partono dalla circonferenza. Pagina 7 di 50   ffi ffi ffi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Nell’etano, per esempio, sono possibili solo due tipi di conformazioni. Una sfalzata (la più stabile, tutti i sei legami C-H sono più distanti possibili l’uno dall’altro) e una eclissata (meno stabile, tutti i legami C-H sono più vicini possibili l’uno dall’altro). Conformazioni eclissate possiedono tensione torsionale e tensione sterica (interazione repulsiva quando gli atomi si avvicinano oltre le distanze consentite dai raggi atomici). La conformazione ad energia minore è la conformazione ANTI: nel butano, per esempio, i due gruppi metilici sono il più distante possibile (180°). Ma il butano può avere pure una conformazione GAUCHE, con energia intermedia dove i due gruppi metilici si trovano ad un angolo di 60°. Capitolo 4 Cicloalcani Con il pre sso ciclo- intendiamo tutte quelle molecole che nella loro struttura contengono anelli. Le molecole cicliche si trovano con estrema facilità in ogni classe di biomolecole. Considera che gli anelli possono essere triangoli, quadrati, pentagoni, esagoni e così via. I cicloalcani, o composti aliciclici, sono idrocarburi saturi contenenti anelli di atomi di carbonio. Formula generale: (CH2)n. Nomenclatura dei cicloalcani - REGOLA 1 - TROVARE LA RADICE: Confronta il numero di atomi di carbonio dell’anello con quello della catena carboniosa più lunga presente. Se il numero di atomi di carbonio dell’anello è uguale a quello della catena, abbiamo un cicloalcano alchil- sostituito. Se il numero di atomi di carbonio è invece maggiore, abbiamo un alcano ciclocalchil-sostituito. - REGOLA 2 - NUMERARE I SOSTITUENTI E SCRIVERE IL NOME: Questo nel caso del cicloalcano alchil-sostituito (l’altro seguirà le regole normali degli alcani). Iniziare a numerare da un punto di attracco, facendo si che i sostituenti abbiano il numero più basso possibile nella numerazione. Quando sono presenti due o più gruppi alchilici a cui è possibile assegnare gli stessi numeri, si numera in ordine alfabetico del nome del gruppo alchilico. Se sono presenti alogeni, sono da trattare come gruppi alchilici Pagina 8 di 50  fi   Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Cicloalcani e alcani L’unica similitudine che questi due tipi di molecola hanno è che sono entrambi composti apolari e piuttosto inerti. Si di erenziano invece per la essibilità: I cicloalcani non possono ruotare liberamente intorno ai legami semplici C-C, le strutture ad anello sono un vincolo di movimento ed una rotazione potrebbe causare la rottura della molecola. Tuttavia più gli anelli sono grandi (C25 in sù) e più sono liberi di muoversi. Stereoisomeri I cicloalcani inoltre presentano due facce: una superiore ed una inferiore. La di erenza delle due facce è presente solo se sono sostituiti, dunque con gruppi associati. E questo crea un nuovo tipo di isomeria: gli STEREOISOMERI presentano atomi collegati allo stesso modo, ma di eriscono per orientamento degli atomi nello spazio (forma tridimensionale). Questi isomeri si de niscono cis-trans. Cis = “sullo stesso lato”, Trans = “attraverso”. Per poter rappresentare bene la tridimensionalità e gli stereoisomeri, si usano legamenti cuneiformi spessi quando il legame si proietta nella parte anteriore, e legamenti tratteggiati quando il legame si proietta nella parte posteriore. Per concludere, speci chiamo che l’energia di un cicloalcano deriva da tre contributi: - Tensione angolare, ovvero la tensione legata all’espansione o alla compressione degli angoli di legame. - Tensione torsionale, ovvero la tensione dovuta ai legami eclissati su atomi adiacenti. - Tensione sterica, ovvero la tensione dovuta alla repulsione di atomi troppo vicini. Conformazioni dei cicloalcani Ciclopropano Il ciclopropano è il cicloalcano più semplice, contenente un anello a tre atomi di carbonio. Avendo l’anello più semplice è anche quello che risente di più per la tensione angolare (per i legame C-C-C di 60°) e torsionale (Per i legami C-H eclissati sugli atomi di C adiacenti). I legami C-C sono molto piegati e dunque gli orbitali si sovrappongono con una leggera angolazione. L’energia di legame C-C è 255 kj/mol e 355 kj/mol nel propano a catena aperta. Ciclobutano Nel ciclobutano, la tensione totale è la stessa che nel ciclopropano ma ha una minore tensione angolare, e dunque una tensione torsionale maggiore per via della presenza di più idrogeni sull’anello. Non è planare perché uno dei 4 atomi di C si trova ad una angolazione di 25° rispetto agli altri. Ciclopentano Ha una minor tensione. La tensione angolare è molto poca, invece la tensione torsionale è elevatissima. Per questo assume una formazione non planare (distorta) rispetto che a quella planare. Pagina 9 di 50 ff   fi fi ff fl ff  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ 4 dei 5 atomi di C sono su un piano, il quinto si ri ette fuori. Cicloesano I cicloesani sostituiti sono i cicloalcani più importanti ed i più presenti in natura. Adotta una specie di conformazione “a sedia” che gli permette di non avere tensione torsionale o angolare. Nella conformazione a sedia i sostituenti possono stare in due posizioni. In posizione assiale (6 posizioni), sono perpendicolari all’anello e quindi parallele sul suo asse immaginario. In posizione equatoriale (6 posizioni), giacciono sullo stesso piano immaginario intorno all’asse. Ogni faccia dell’anello ha tre atomi di idrogeno assiali e tre equatoriali. Per commutazione dell’anello, o ring- ip, si intende quando in una conformazione a sedia le posizioni assiali diventano equatoriali e viceversa. L’anello viene girato. Nei cicloesani monosostituiti il sostituente è sempre in posizione equatoriale. Se invece sono disostituiti, troviamo un caso di isomero cis (dove i gruppi metilici sono sulla stessa faccia dell’anello e dunque uno in assiale ed uno in equatoriale) o un isomero trans (i gruppi metilici stanno su due facce di erenti, quasi esclusivamente in conformazione diequatoriale). Può anche avere una conformazione a “barca distorta”, dove cambia il suo rapporto con le tensioni (tensione angolare minima, tensione torsionale non trascurabile, tensione sterica non trascurabile). Il comportamento chimico di molti cicloesani dipende dalla loro conformazione. Capitolo 5 Alcheni ed Alchini Alcheni ed alchini sono gruppi funzionali che presentano doppi legami, ancora non incontrati nelle pagine precedenti. Un alchene è anche detto ole na (“che produce olio”) ed è composto da un idrocarburo con doppio legame C-C. È presente nella maggior parte delle molecole organiche. L’alchene ha una formula generale del tipo CnH2n. Un alchino invece contiene un triplo legame C-C. Raramente presenti in molecole biologiche. Pagina 10 di 50   fi fl fl ff  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Grado di insaturazione A causa del doppio legame, un alchene possiede meno atomi di idrogeno rispetto agli alcani e ciò lo rende insaturo. Si può così misurare un grado insaturazione, indice di de cienza di idrogeni, ed è uguale al numero di anelli e/o legami multipli nella molecola. Per composti organoalogenati (ovvero dove troviamo anche F, Cl, Br, o I insieme a C ed H) aggiungo il numero di alogeni e di idrogeno per arrivare ad una formula equivalente all’idrocarburo PRIMA di calcolare il grado di insaturazione. Per composti organoossigenati (dove troviamo anche O), l’ossigeno non in uisce sul calcolo dell’insaturazione e può essere sottinteso. Per composti organoazotati (dove troviamo anche N), bisogna rimuovere l’azoto ed un idrogeno associato prima di calcolare l’insaturazione. Nomenclatura degli alcheni Regole molto simili a quelle degli alcani - Stadio 1: Individuare il nome dell’idrocarburo di riferimento. Troviamo dunque la catena carboniosa più lunga contenente il doppio legame C-C. - Stadio 2: Numerare gli atomi di carbonio della catena. Il doppio legame deve avere il numero più basso possibile. Se equidistante dalle due estremità di partenza, si parte da quella più vicina alla rami cazione. - Stadio 3: Scrivere il nome completo usando il su sso -ene. Se sono presenti più di un doppio legame, usiamo -diene, -triene… Per i cicloalcheni, si fa in modo che il doppio legame sia compreso tra C1 e C2 e che il primo sostituente abbia il numero più basso possibile. Alcuni alcheni (quelli in tabella) vengono chiamati con dei nomi comuni, accettati pure dalla comunità IUPAC. Per la nomenclatura degli alchini, essa è identica, solo con la di erenza che si usa il su sso -ino. Si numera la catena facendo sì che il triplo legame abbia il numero più basso possibile. Isomeria cis-trans Negli alcheni non è possibile alcuna rotazione attorno al doppio legame, a meno che non si rompa il legame π. L’isomeria cis-trans avviene quando i due carboni del doppio legame C-C sono legati a due gruppi di erenti. Se però anche solo uno dei due carboni è legato a gruppi identici, non ci sarà isomeria. Notazione E, Z Questa notazione è un insieme di regole per assegnare certi livelli di priorità ai sostituenti legati agli atomi di carbonio di doppio legame. Bisogna considerare singolarmente i due atomi del doppio legame e stabilire quale dei due ha priorità maggiore. Poi si vede come sono posizionati i gruppi nella molecola. - Se i gruppi ad alta priorità si trovano dalla stessa parte del doppio legame, allora abbiamo un alchene Z (“zusammen”, insieme). Se invece si trovano dal lato opposto Pagina 11 di 50 ffi fi   ff fi ffi ff fl  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ del doppio legame, abbiamo un alchene E (“entgegen”, opposto). Le regole di sequenza per assegnare la priorità si chiamano regole di Cahn-Ingold-Prelog. - Regola 1: Prendiamo in considerazione gli atomi direttamente legati ai due atomi di Carbonio del doppio legame e troviamo il loro numero atomico. - Regola 2: Se non è possibile assegnare le priorità ordinando i primi atomi del sostituente, allora si passerà a quelli dopo no a che non noteremo una di erenza. - Regola 3: Gli atomi legati con legami multipli si considerano equivalenti ad un pari numero di atomi legati con legami semplici. Stabilità degli alcheni Gli isomeri cis degli alcheni sono meno stabili di quelli trans per via della tensione sterica tra i due sostituenti ingombranti sullo stesso carbonio del legame. Ciò può essere notato trattando un alchene con acido. Oppure possiamo valutare la composizione della miscela cis-trans a seguito dell’idrogenazione con H2 gassoso. Si analizza come viene rilasciata più energia con l’idrogenazione dell’isomero cis. Gli alcheni diventano più stabili con l’aumentare della sostituzione. L’ordine di stabilità dipende da 2 fattori. - Iperconiugazione: Interazione stabilizzante tra il legame π C = C ed i legami adiacenti σ C-H - Un legame tra un carbonio sp2 ed uno sp3 è più forte che tra due atomi di carbonio sp2. Negli alcheni molto sostituiti, sono presenti più legami sp2-sp3. Capitolo 6 Reazioni organiche Le reazioni organiche possono essere classi cate secondo due criteri: - Che tipo di reazioni si veri cano. Possono essere reazioni di addizione, eliminazione, sostituzione, trasposizione. - Come queste reazioni si veri cano. Descrizione di come una reazione si veri ca, legami che si formano, velocità di reazione, reagenti consumati, prodotti formati. Che tipo di reazioni si veri cano ADDIZIONE: Due reagenti si sommano per formare un prodotto senza resti di atomi. ELIMINAZIONE: Un unico reagente si divide in due prodotti, e solitamente, c’è formazione di acqua. SOSTITUZIONE: Due reagenti scambiano alcune delle loro parti per formare due nuovi prodotti diversi. TRASPOSIZIONE: Un unico reagente riorganizza i suoi atomi e legami per formare un prodotto isomerico. Come queste reazioni si veri cano In ogni reazione organica possono avvenire processi di scissione e formazione. Per scissione si intende rottura dei legami, e può avvenire in due modi: Pagina 12 di 50   ff fi fi fi fi fi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ SCISSIONE SIMMETRICA: Alla rottura di un legame, ogni prodotto formato ottiene un elettrone. In pratica gli elettroni si distribuiscono ugualmente. SCISSIONE ASIMMETRICA: Alla rottura di un legame, solo un prodotto prenderà per sé tutti e due gli elettroni. Distribuzione disuguale. Analogamente ci sono due modi in cui può avvenire il processo di formazione: FORMAZIONE SIMMETRICA: Anche dette reazioni radicaliche, un elettrone è donato da ciascun reagente. FORMAZIONE ASIMMETRICA: Anche dette reazioni polari, gli elettroni sono donati da un solo reagente. Reazioni radicali In questo contesto possiamo descrivere l’esistenza dei RADICALI, ovvero una specie chimica che possiede un numero dispari di elettroni. Ovvero, uno dei suoi orbitali contiene un elettrone spaiato e dunque lo rende altamente reattivo per delle reazioni chimiche. Per raggiungere l’ottetto, il radicale può o estrarre un atomo ed un elettrone di legame da un altro reagente (reazione radicalica di sostituzione) o aggiungendosi ad un doppio legame già consolidato, prendendo un elettrone dal doppio legame e lasciare l’altro da solo formando un nuovo radicale (reazione di addizione radicalica). Le reazioni radicaliche hanno un inizio, una propagazione, ed una terminazione. Reazioni polari Le reazioni polari si veri cano a causa dell’attrazione elettrostatica tra centri positivi e negativi presenti sui gruppi funzionali nelle molecole. Ciò può portare pure alla formazione di legami polari, dove la di erenza di elettronegatività degli atomi porta gli elettroni ad essere distribuiti in maniera non simmetrica. Il carbonio, per esempio, è sempre polarizzato positivamente, eccetto quando legato a dei metalli. I legami polari possono anche derivare da interazione dei gruppi funzionali con acidi o basi. POLARIZZABILITÀ DI UN ATOMO: Misura del cambiamento nella distribuzione degli elettroni di un atomo a causa di una in uenza elettrica esterna. Più grandi sono gli atomi, più sono polarizzabili. I legami C-I e C-S, seppur in teoria non polari, si comportano come polari. I legami polari si formano quando un atomo ricco di elettroni dona un’intera lone pair ad un atomo elettron-povero. I legami polari si rompono quando i due atomi si staccano, ma l’atomo elettron-povero si tiene i due elettroni del legame. In questo contesto possiamo distinguere nucleo li ed elettro li. Rispettivamente sono atomi polarizzati negativamente e positivamente, e dunque tengono a donare lone pairs/accettare lone pairs. I composti neutri possono agire sia come nucleo li o elettro li. La de nizione di nucleo li ed elettro li è simile alla de nizione di acidi e basi secondo Lewis. Reazioni polari: Elettro lo-Nucleo lo (etilene + H3O+) Questa reazione polare avviene in 3 passaggi: 1. Parte tutto dopo che un elettronico H3O+ è attratto dagli elettroni π del doppio legame del nucleo lo, formando un legame C-H. Sull’atomo di carbonio resta una Pagina 13 di 50  fi  fi fi fi fi fi fl fi fi fi fi fi ff fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ carica +. Due elettroni del legame H-O si spostano sull’ossigeno per formare una molecola d’acqua. 2. L’acqua, ora nucleo lo, dona una sua lone pair al catione carico positivamente (carbocatione, elettro lo), e ciò forma un legame C-O. 3. In ne una seconda molecola di acqua reagisce da nucleo lo per rimuovere un idrogeno dall’alcool elettro lo. Viene meno ora la carica positiva sull’O e si forma un alcool neutro e stabile. Regole per l’utilizzo delle frecce curve - REGOLA 1: Gli elettroni si muovono sempre da una fonte nucleo la (Nu: o Nu-) a un serbatoio elettro lo (E o E+). Ovviamente bisogna avere la disponibilità di donare ed accettare un lone pair. - REGOLA 2: Il nucleo lo può essere sia carico negativamente che neutro. Giustamente se di base è neutro, donando un lone pair diventerà carico positivamente. - REGOLA 3: L’elettro lo può essere sia carico positivamente che neutro. Same rules apply. - REGOLA 4: Sempre rispettare la regola dell’ottetto! Se un atomo completo riceve una lone pair, dovrà necessariamente poi donare due elettroni per mantenere l’equilibrio. Reazioni degli alcheni La chimica degli alcheni è dominata dalle reazioni elettro le. Partiamo innanzitutto dal vedere le reazioni per la preparazione degli alcheni. Preparazione alcheni: reazioni di eliminazione Per preparare alcheni tramite l’eliminazione di qualcosa, potremmo utilizzare alcuni precursori degli alcheni quali alcoli o alogenuri alchilici. Gli alcoli eliminano H2O per formare alcheni. Le reazioni di eliminazione sono due: - Deidroalogenazione: Perdita di HX da un alogenuro. Di solito avviene reagendo con una base forte; - Disidratazione: Perdita di H2O da un alcol. Di solito avviene reagendo con un acido forte. Reazioni di addizione Esistono 7 reazioni di addizione possibili. - Addizione di un alogeno per dare 1,2-dialogenuro; - Addizione di acqua per dare un alcol (addizione di HX per dare alogenuro alchilico); - Addizione di idrogeno per dare un alcano (riduzione); - Addizione di un acido ipoalegonoso per dare un aloidrina; - Addizione di un singolo ossigeno per dare un epossido, composto ciclico a tre termini; - Addizione di due gruppi ossidrilici per dare 1,2-diolo; - Addizione di radicali: i polimeri. - Addizione di H2O agli alcheni: Gli alcheni subiscono una reazione acida catalizzata di addizione di acqua per formare alcol. È una reazione che richiede però elevate temperature, in alternativa in laboratorio si utilizza idroborazione o ossimercuriazione. È più comune nelle vie biologiche vedere un processo di idratazione acido-catalizzata di doppio legame adiacente al gruppo carbonile; Pagina 14 di 50 fi  fi  fi fi fi fi fi fi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ - Addizione di HX: I doppi legami carbonio-carbonio si comportano come nucleo li (basi di Lewis) donando un lone pair ad un elettro lo (acidi di Lewis). Ciò succede non solo con H2O, ma anche con HCl, HBr, HI, ottenendo alogenuri alchilici. Funziona seguendo la regola di Markovnikov’s: Nell’addizione di HX ad un alchene ASIMMETRICO, H si va a legare al carbonio con il minor numero di sostituenti, ed X al carbonio con il maggior numero. Perché la regola di Markovnikov’s funziona? Bisogna capire la struttura dei carbocationi. Sono planari, inoltre il carbonio trivalente ha un orbitale p vuoto perpendicolare al piano del carbonio. Il carbonio ha tre gruppi legati, orientati a forma di triangolo equilatero, ed i 6 elettroni sono occupati nei 3 legami π, lasciando un orbitale p vuoto. La stabilità dei carbocationi aumenta all’aumentare della sostituzione. Gli elettroni possono spostarsi in risposta all’elettronegatività di atomi vicini. Quanti più gruppi alchilici sono attaccati al carbocatione, più la densità elettronica si sposta verso la carica esterna, ed il carbocatione si stabilizza. Dato che nelle reazioni di addizione si formano carbocationi, è giusto dire che nell’addizione di HX ad un alchene si forma come intermedio di reazione un carbocatione più altamente sostituito. - Alogenazione degli alcheni: Aggiungiamo Br2 e Cl2 ad alcheni per dare 1,2- dialogenuri. Nell’addizione dei cicloalcheni, si forma solo lo stereoisomero trans- del prodotto dialogenuro. I due alogeni arrivano da facce opposte del doppio legame. - Riduzione degli alcheni, idrogenazione: é il processo di addizione di H2 con cui gli alcheni sono ridotti in alcani. Il doppio legame C=C è stato RIDOTTO o ossigenato, ovvero ha ottenuto elettroni ed aumenta la densità elettronica sul carbonio. Per addizione di idrogeno si forma un legame C-H, o si rompe un legame C-O, C-N, C-X. Questo processo può avvenire con idrogenazione catalitica: L’H2 viene assorbito sulla super cie di un catalizzatore, che si lega all’alchene tramite l’interazione tra un orbitale p vuoto e l’orbitale π pieno dell’alchene. Dunque l’idrogeno si addiziona al legame ed il catalizzatore si stacca. In natura, il processo di idrogenazione completa porta alla produzione di acidi grassi saturi, il processo di idrogenazione non completa invece forma acidi grassi insaturi. Se nella riduzione si forma un legame C-H, nell’ossidazione si spezza questo legame (e si forma invece un legame C-O, C-N, o C-X). Ciò dunque comporta ad una diminuzione della densità elettronica sul carbonio. Spesso l’ossidazione aggiunge ossigeno, mentre la riduzione aggiunge idrogeno. - Addizione di un singolo ossigeno per dare un epossido: Nella epossidazione, gli alcheni vengono trattati con acidi perossicarbossilici per dare epossidi (o ossirani). Il processo permette all’acido di trasferire l’ossigeno all’alchene, ed entrambi i legami C- O si formano sulla stessa faccia di C=C. È un meccanismo ad unico stadio senza intermedio di reazione ed è un processo di ossidazione. L’ossidrilazione è anche esso un processo di ossidazione degli alcheni. - Addizione di due gruppi ossidrilici per dare 1,2-diolo: In laboratorio o in natura può accadere che gli epossidi possono subire con l’acqua un’idrolisi in presenza di un acido, un’apertura dell’anello per formare 1,2 dioli o dialcoli. L’idrolisi epossidica è comune nei processi animali per detossi care sostanze nocive. Pagina 15 di 50 fi   fi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ - Addizione di radicali per formare polimeri: I radicali possono sommarsi ai doppi legami di un alchene. Si formano polimeri, ovvero una grande molecola ottenuta dalla concatenazione di unità più piccole, i monomeri. Un alchene viene trattato con una piccola quantità di radicale come iniziatore, esiste una grande varietà in base alla natura dei monomeri e condizioni di reazione. Le reazioni polimeriche avvengono in 3 stadi: 1. Iniziazione: Si forma un piccolo numero di radicali grazie ad un catalizzatore. Il radicale si attacca al legame C=C, che formerà da una parte un legame C-O, dall’altra il legame con il radicale in grado di espandersi; 2. Propagazione: Il carbonio radicale aggiunge ad un’altra molecola di etilene per produrre un altro radicale; 3. Terminazione: Il processo di propagazione termina a causa di una reazione che consuma un radicale. Le plastiche che usiamo tutti i giorni sono polimeri: Polietilene (PE) per buste di plastica e contenitori, Polipropilene (PP) per cruscotti, tappi di bottiglia, custodie dei CD, polistirene (PS) per il polistirolo, o polivinilcloruro (PVC). Le addizioni radicaliche sono di cili da controllare perché gli intermedi di reazione continuano spegnendosi raramente. Dieni coniugati Molti composti hanno numerosi siti di insaturazione. Se i siti sono ben separati, essi agiscono indipendentemente. Ma se sono vicini, allora possono interagire fra di loro. Si possono formare legami coniugati, ovvero doppi legami che si alternano a legami singoli. Un diene coniugato è stabile perché hanno un legame formato dalla sovrapposizione di due orbitali sp2. E la stabilità è dovuta all’ibridazione degli orbitali. Dieni coniugati reagiscono velocemente a reazioni di addizione elettro la. Si ottiene una miscela di prodotti. Per esempio nell’addizione tra HBr e Buta-1,3-diene si formano due prodotti: il primo 3-bromobuti-1-ene, il secondo 1-bromobut-2-ene, un prodotto inatteso. Dipende dalla formazione di un carbocatione allilico intermedio. Reazione degli alchini Gli alchini hanno le stesse regole di addizione degli alcheni ma sono meno reattivi. Gli alchini terminali RC≡CH (triplo legame) sono relativamente acidi, e reagendo con una base formano sodio ammine NaNH2. Gli alchini sono più acidi di alcani o alcheni. Hanno un pKa basso, e ciò li rende acidi più forti con più tendenza a donare ioni H+ alle basi (secondo la de nizione di acido di Bronsted-Lowry). La di erenza di acidità è dovuta all’ibridazione dell’atomo di carbonio a carica negativa. Pagina 16 di 50 ff   ffi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Capitolo 7 Composti aromatici Andiamo avanti con un nuovo gruppo funzionale! Finalmente 😍 Il termine “aromatico” era prima associato soltanto per descrivere sostanze aromatiche. Ora è più speci catamente associato a composti con un anello a sei membri, come il benzene che possiede ben 3 doppi legami. Molte sostanze aromatiche hanno nomi non sistematici, accettati dalla comunità IUPAC (non incoraggiati). Puoi vedere qui accanto i composti aromatici più comuni. Il toluene è in realtà metilbenzene, i l f e n o l o è i d ro s s i b e n z e n e , a n i l i n a è amminobenzene (ammino aromatica). Benzeni monosostituiti Sono denominati sistematicamente come gli idrocarburi. Il termine “-benzene” è utilizzato come radice. Abbiamo per esempio il bromobenzene C6H5Br o il nitrobenzene C6H5NO2. Benzeni alchil-sostituiti sono anche chiamati areni. Se il sostituente alchilico è più grande dell’anello del benzene (> C6) allora il composto è un alcano fenil-sostituito. Nei benzeni monosostituiti troviamo pure il fenile ed il benzile. Benzeni disostituiti Sono nominati con i pre ssi. -Orto- (o-): Il benzene orto-disostituito ha due sostituenti in posizione 1,2 uno rispetto all’altro; -Meta- (m-): Il benzene meta-disostituito ha i suoi sostituenti in 1,3 uno rispetto all’altro; -Para- (p-): Il benzene para-disostituito ha i suoi sostituenti in 1,4 uno rispetto all’altro. Se il benzene ha più di due sostituenti, allora si numerano le posizioni facendo in modo che abbiamo i numeri più bassi possibili. I sostituenti sono ordinati in ordine alfabetico nel nome. Struttura e stabilità Seppur il benzene sia insaturo, non ha la stessa reattività di un tipico alchene. Inoltre tutti i suoi legami hanno la stessa identica lunghezza (139 pm). Tutti gli angoli di legame sono 120° (è planare), tutti e sei gli atomi di C sono ibridati sp2, orbitali p perpendicolari al piano dell’anello ed equivalenti. Il benzene è un ibrido tra due forme equivalenti. Nessuna forma è corretta di per sé, la struttura vera è una versione intermedia fra le due. Il benzene ed altre molecole aromatiche condividono caratteristiche analoghe: - Il benzene è ciclico e coniugato; Pagina 17 di 50   fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ - Il benzene è insolitamente stabile; - Il benzene è planare, a forma di esagono regolare; - Il benzene subisce reazioni di sostituzione piuttosto che di addizione. Ciò serve per mantenere la coniugazione ciclica; - Il benzene è un ibrido di risonanza e la sua struttura è intermedia. Per la regola Huckel 4n + 2, una molecola è aromatica solo se possiede 4n + 2 elettroni π, n è un numero intero. Quindi le molecole con 2, 6, 10, 14.. elettroni π sono aromatiche. Molecole con solo 4n elettroni π (4, 8, 12, 16) sono invece dette antiaromatiche, la delocalizzazione degli elettroni π avrebbe e etto destabilizzante. Forme di risonanza Una forma di risonanza è una struttura legame-trattino di una molecola o ione che di eriscono solo per la posizione degli elettroni π e degli elettroni di valenza di non legame. Indicata con una freccia a due punte. Come disegnare ed interpretare le forme di risonanza! 1. Le forme di risonanza individuali sono immaginarie. La struttura real è un mix, un ibrido di risonanza; 2. Ripeto, le forme di risonanza di eriscono solo per gli elettroni π ed elettroni di non legame; 3. Le diverse forme di risonanza di un substrato non sono necessariamente equivalenti; 4. Le forme di risonanza seguono le normali regole di valenza (come la regola dell’ottetto). Eterocicli aromatici Gli eterocicli sono composti ciclici che contengono atomi di due o più elementi diversi nel suo anello, tipo carbonio insieme ad azoto, ossigeno, zolfo. Un esempio è la piridina, molto simile al benzene poiché è un anello a sei membri, contiene azoto. Questo atomo di azoto è ibridato sp2, ha un elettrone nell’orbitale p quindi mantiene 6 elettroni π. Abbiamo pure la pirimidina (con due atomi di azoto nell’anello, è l’anello presente nella timina, citosina, ed uracile), pirrolo (anello a 5 atomi ma sempre 6 elettroni π), imidazolo (analogo al pirrolo, con due atomi di azoto in un anello a 5 membri). Composti policiclici aromatici Tutti gli idrocarburi policiclici aromatici possono essere rappresentati da diverse forme di risonanza. Come il naftalene, che ne ha 3. Il naftalene presenta tante caratteristiche dell’aromaticità, tra cui essere poco reattivo, con 10 elettroni π. Molti anelli enterociclici sono analoghi al naftalene, come la chinolina, isochinolina, indolo e purina. Pagina 18 di 50 ff   ff ff  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Reazioni dei composti aromatici I benzeni, come già detto prima, non vanno incontro a reazioni di addizione, ma solo di sostituzione! Ciò serve per mantenere la stabilità dell’anello aromatico. Sostituzione elettro la aromatica Processo in cui un elettro lo reagisce con un anello aromatico, sostituendosi ad un atomo di idrogeno. È la reazione più comune nei composti aromatici. L’anello può ottenere alogeni (come -Cl, -Br), nitrogruppi (-NO2), gruppi ossidrili (-OH), gruppi alchilici ed acilici. NON gruppi solfonici. Gli anelli aromatici sono molto meno reattivi degli alcheni e spesso è necessario l’utilizzo di un catalizzatore. ALOGENAZIONE AROMATICA: Reazioni di sostituzione elettro la aromatica possono introdurre alogeni in anelli aromatici. Come nella clorurazione (Introduzione di Cl2 tramite il catalizzatore FeCl3), o la iodurazione (lo iodio deve prima essere ossidato da agenti come H2O2, o CuCl2, diventando I+). Il uoro invece è troppo reattivo per dare un prodotto mono- uorinato. NITRAZIONE AROMATICA: Gli anelli possono essere nitrati con una miscela di acido nitrico concentrato e solforico. L’elettro lo in questo caso è lo ione nitronio NO2+, che reagisce con il benzene formando nitrobenzene. Questo non è un processo che avviene in natura, ma utilissimo in laboratorio. OSSIDRILAZIONE AROMATICA: Rappresenta l’ossidrilazione diretta di un anello per produrre idrossibenzene, un fenolo. Di cile da realizzare in laboratorio ma avviene più spesso per vie biologiche. Alchilazione anello aromatico L’introduzione di un gruppo alchilico in un anello aromatico è detta reazione di Friedel- Crafts. La reazione è e ettuata trattando il composto aromatico con un cloruro alchilico RCl, in presenza di AlCl3 (che catalizza la reazione) per generare un carbocatione elettro lo. Il carbocatione si legherà all’anello. Nel primo stadio una coppia elettronica dell’anello si lega al carbocatione, formando un legame C-C e quindi un nuovo carbocatione intermedio. Nel secondo stadio il carbocatione perde un idrogeno e genera un prodotto alchilato di sostituzione. La reazione di Friedel-Crafts ha però delle limitazioni! Possono essere usati solo gli alogenuri alchilici. I carbocationi arilici e vinilici hanno energia troppo alta. La reazione non può funzionare su anelli aromatici sostituiti da un gruppo fortemente elettrone-attrattore (gruppi carbonile, gruppi amminici). La reattività dell’anello verso un altro elettro lo viene alterata. L’ultima limitazione dipende dalla trasposizione che può interessare il carbocatione alchilico nel corso della reazione. Le reazioni di acilazione sono molto simili a quelle di alchilazione. Nelle reazioni di acilazione un anello aromatico è acilato da una reazione con un cloruro di un acido carbossilico, in presenza di AlCl3. Viene inserito un gruppo acilico per sostituzione. Pagina 19 di 50  fi  fi fl ff fi fi ffi fi fl fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Classi cazione dei sostituenti I sostituenti che vengono inseriti nell’anello possono attivarlo o disattivarlo, rendendolo più o meno attivo del benzene singolo. I sostituenti possono persino in uenzare l’orientamento di una reazione. Sapendo questo, i sostituenti possono essere divisi in 3 gruppi: - Attivanti orto- e para- orientati; - Disattivanti orto- e para- orientati; - Disattivanti meta- orientati. Non esistono attivanti meta- orientati, e gli altri sono quasi tutti attivanti (solo gli alogeni sono debolmente disattivanti). I gruppi attivanti donano elettroni all’anello, rendendolo ricco di elettroni, stabilizzando il carbocatione intermedio e diminuendo l’energia di attivazione. I gruppi disattivanti tolgono elettroni dall’anello, rendendolo più elettron-povero, destabilizzando il carbocatione ed aumentando l’energia di attivazione. La donazione o sottrazione di elettroni possono accadere per e etto induttivo o di risonanza. - Induttivo: Dovuto dalla di erenza di elettronegatività tra anello e sostituente; - Risonanza: Dovuto dalla sovrapposizione tra un orbitale p sull’anello e un orbitale del sostituente. - E etti orientanti: tramite sostituenti orto- e para- orientanti. OSSIDAZIONE E RIDUZIONE DI COMPOSTI AROMATICI Di per sé gli anelli aromatici non reagiscono con gli ossidanti usati per ossidare alcheni. Tuttavia, la presenza dell’anello comporta conseguenze al sostituente alchilico collegato. Infatti reagiscono prontamente ad agenti ossidanti comuni. Il meccanismo di ossidazione a catena laterale va a formare un legame C-H accanto all’anello aromatico per formare un radicale benzilico intermedio. Essi sono stabilizzati dalla risonanza e formano più facilmente radicali alchilici. Capitolo 8 Stereochimica Come già detto in precedenza, la stereochimica è lo studio delle proprietà spaziali delle molecole, e di come queste proprietà si ri ettano sul comportamento chimico delle sostanze. In chimica esistono molecole identiche alle loro immagini speculari, e molecole diverse dalle loro immagini speculari. Si de niscono enantiomeri e sono un tipo di stereoisomeri. Ecco un esempio: l’acido lattico. Anche i gruppi funzionali sono invertiti! Per questo non sono la stessa molecola. Pagina 20 di 50 ff  fi  ff fi fl ff fl  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Poi esistono anche molecole che sono chirali. Una molecola è chirale quando esistono in due forme enantiomeriche ED INOLTRE non possiedono un piano di simmetria che divida la molecola in due parti identiche. Le molecole achilari, invece, hanno un piano di simmetria in una qualsiasi delle sue possibili conformazioni (deve essere identica alla sua immagine speculare). Attività ottica Lo studio della stereochimica origina all’inizio del XIX secolo con Jean-Baptiste Biot, sulla luce piano-polarizzata. Sappiamo che un fascio di luce è composto da onde elettromagnetiche che oscillano in un numero in nto di piani perpendicolari alla direzione di propagazione. Quando un fascio di luce passa attraverso una soluzione di molecole organiche, il piano di polarizzazione viene ruotato. Le molecole di questo tipo sono dette otticamente attive, e l’entità della rotazione si misura con uno strumento detto polarimetro. Le molecole possono essere levogire (-) se ruotano la luce polarizzata verso sinistra, senso antiorario. Le molecole destrogire (+) invece ruotano la luce polarizzata verso destra, senso orario. In contesto di attività ottica, gli enantiomeri sono molecole con identiche proprietà siche, ma di eriscono per la direzione in cui le soluzioni fanno ruotare il piano della luce polarizzata. Con gurazione Per con gurazione si intende disposizione tridimensionale dei sostituenti intorno ad un centro di chiralità. Le regole di sequenza per la con gurazione seguono quelle di Cahn, Ingold e Prelog, ed una volta assegnate le priorità bisogna orientare la molecola in modo tale che il gruppo a minore priorità sia posizionato dietro rispetto alla direzione di osservazione. La con gurazione può essere R se per passare dal gruppo di priorità maggiore al minore bisogna ruotare in senso orario. È invece S se bisogna ruotare in senso antiorario. Le molecole che hanno più di un centro chirale (n) possono avere no a 2^n stereoisomeri. La maggior parte delle molecole biologiche in natura sono chirali e con un solo stereoisomero. Il centro chirale è lo stereocentro, ovvero una molecola di Carbonio C legata a 4 diversi sostituenti. Genera appunto chiralità nella molecola (generano enantiomeri). Oltre agli enantiomeri esistono pure i diastereomeri: sono stereoisomeri che non sono immagini speculari. In molecole con più centri chirali possono avere stessa con gurazione in alcuni, ma diversa in altri. Una molecola è detta prochirale se può essere trasformata da achirale a chirale in un solo stadio di rotazione. Composti meso I composti meso sono composti achirali anche se contengono stereocentri, perché hanno un piano di simmetria. Per esempio, l’acido tartarico ha due enantiomeri (stesse Pagina 21 di 50 fi fi ff  fi fi  fi fi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ proprietà siche, cambia solo la direzione di rotazione della luce) ma anche un isomero meso. Un isomero meso è un composto totalmente di erente con di erenti proprietà siche. In una miscela racemica (racemato), abbiamo una miscela con uguale concentrazione di enantiomeri destrogiro e levogiro. La luce non mostra rotazione ottica, poiché le rotazioni degli enantiomeri si annullano a vicenda. Relazioni tra i vari isomeri Ripassino! Sappiamo che gli isomeri sono composti che hanno stessa formula chimica ma strutture di erenti. Gli isomeri possono essere divisi in isomeri costituzionali e stereoisomeri. Nell’isomeria costituzionale gli atomi hanno connessioni di erenti. Possono essere isomeri che di eriscono per lo scheletro, per i gruppi funzionali, e per posizione dei gruppi funzionali. Nell’isomeria di stereoisomeri, gli atomi sono connessi con lo stesso ordine, ma con una geometria di erente. Si di eriscono in enantiomeri (immagini speculari non sovrapponibili) o diastereomeri (non speculari, non sovrapponibili). Capitolo 9 Alogenuri Alchilici Quelli che abbiamo visto no ad adesso erano solo idrocarburi! (Paura). Ora passiamo allo studio di molecole più complesse con atomi diversi dal carbonio. Gli alogenuri alchilici sono composti contenenti un atomo di alogeno collegato ad un atomo di carbonio saturo ed ibridato sp3. Come tali essi non partecipano alle reazioni biologiche, ma la tipologia di reazioni in cui sono coinvolti si incontrano frequentemente. Nomenclatura 1. Individuare la catena più lunga ed utilizzare il suo nome come radice. Se presente un doppio o triplo legame, scegliamo la catena con tale legame. 2. Numerare i carboni nella catena a partire dall’estremità più vicina al primo sostituente (che sia alchile o alogeno). 3. Se la catena può essere numerata correttamente da entrambe le estremità, scegli la catena con il sostituente che viene prima in ordine alfabetico. Metodi di preparazione Gli alogenuri alchilici sono preparati attraverso i metodi di addizione HX e X2 agli alcheni, o con reazione degli alcani con cloro gassoso sotto raggi UV. Il metodo più utile e quello che parte dagli alcoli. Possiamo inoltre trasformare gli alcoli con HCl, HBr o HI. La reazione funziona meglio con alcoli terziari, più veloci in reazione. Reattivi di Grignard RMgX Gli alogenuri alchilici sono in grado di reagire con magnesio metallico in tetraidrofurano (THF) o etere come solvente, formando alogenuri di alchilmagnesio. Sono esempi di composti organometallici, contengono un legame carbonio-metallo. Pagina 22 di 50 fi ff  fi  ff ff fi ff ff ff ff  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ In questo tipo di legame, il carbonio ha proprietà nucleo le e basiche. I reattivi di Grignard reagiscono con acidi deboli come H2O o ROH per estrarre un protone e produrre idrocarburi. La sostituzione nucleo la I processi di sostituzione nucleo la sono stati scoperti da Paul Walden nel 1896, scoprendo che due enantiomeri puri degli acidi (+) (-) -malico potevano essere interconvertiti l’un l’altro con reazioni di sostituzione (Ciclo di Walden). Oggi queste trasformazioni prendono il nome di reazioni di sostituzione nucleo la e sono reazioni molto comuni in chimica organica. In ogni stadio del ciclo di Walden si realizza la sostituzione di un nucleo lo per mezzo di un altro nucleo lo. Alcune reazioni del ciclo, tra l’altro, causano un cambiamento nella con gurazione al centro di chiralit Questo porta a separare le sostituzioni nucleo le in due meccanismi: Sn1 e Sn2. Indipendentemente dal meccanismo, la sostituzione nucleo la segue questo percorso: 1. Il nucleo lo ( Nu: o Nu:- ) reagisce con un substrato (R-X). 2. Sostituisce il gruppo X. 3. Forma il prodotto nale R-Nu o R-Nu+. Dipende dal nucleo lo di partenza. Studiamo ora la reazione Sn2! L’acronimo indica sostituzione nucleo la bimolecolare. Questa reazione avviene in un unico passaggio senza intermedi, ed il nucleo lo di entrata si attacca al substrato con una rotazione di 180° rispetto al gruppo uscente. La reazione Sn2 è una reazione del secondo ordine. Ciò signi ca che se raddoppia la concentrazione di nucleo li (come OH-), allora raddoppia anche la velocità di reazione (secondo le regole della cinetica chimica). La velocità di reazione dipende linearmente dalla concentrazione dei due reagenti. Variabili che possono in uenzare la reazione Sn2 -Substrato: Più un substrato è ingombrante, maggiore è la di coltà nella formazione del legame. Come puoi vedere nell’immagine a anco il substrato è progressivamente meno accessibile, le reazioni Sn2 sono più lente. Gli alogenuri vinilici ed arilici non sono reattivi con le reazioni Sn2 proprio per il substrato ed un suo impedimento sterico. - Nucleo lo: O la sua natura possono agire in maniera di erente. Qualsiasi specie (che sia neutra o carica negativamente) può essere un nucleo lo se possiede un lone pair. Se il nucleo lo sarà negativo, allora il prodotto risulterà neutro. Se nucleo lo neutro, prodotto positivo. Quando si comparano nucleo li la “nucleo lia” (l’a nità di una base di Lewis ad un atomo di carbonio per la reazione Sn2) è parallela alla “basicità” (l’a nità per un protone). - La nucleo lia aumenta scendendo lungo un gruppo della tavola periodica. Poiché gli elettroni di valenza sono sempre più distanti dal nucleo e quindi reattivi. Inoltre i nucleo li basici sono più reattivi dei neutri. - Gruppo uscente: I gruppi uscenti negativi sono migliori perché stabilizzano la carica nello stato di transizione, dunque sarà minore l’energia dello stato e la reazione avverrà più facilmente. Le basi più deboli come Cl- sono uscenti migliori di basi forti come OH-. Pagina 23 di 50 ffi ffi  fi fi fi  fi fi fi fi fl fi fi fi fi fi fi fi fi ff fi fi fi fi fi fi ffi fi fi fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ - Solventi protici: I solventi protici sono solventi polari con un idrogeno che può legarsi ad atomi elettronegativi. Contengono un gruppo -OH o -NH. Non sono indicati per le reazioni Sn2 poiché abbassano l’energia fondamentale del nucleo lo (lo solvatano) rendendolo stabile e meno reattivo. - Invece i solventi polari aprotici sono MOLTO indicati per le Sn2. Sono polari ma non contengono -OH o -NH, alzano l’energia fondamentale del nucleo lo. Ed ora… *rullo di tamburi*… studiamo la sostituzione nucleo la Sn1!! Questo tipo di sostituzione avviene soltanto con substrati terziari, in ambiente neutro/ acido e in solventi protici quali acqua/alcoli. Nella sostituzione Sn1 PRIMA avviene la completa fuoriuscita del gruppo uscente e DOPO si immette il nucleo lo. Invece nella Sn2 le due reazioni avvengono CONTEMPORANEAMENTE. La velocità di reazione dipende solamente dall’alogenuro alchilico, ovvero dal substrato, e non dal nucleo lo. Studiamo la reazione Sn1 sul 2-bromo-2-metilpropano con acqua: 1.Spontaneamente, il bromuro si dissocia per dare il carbocatione. È lo stato cineticamente determinante (o limitante, è la reazione più lenta in una reazione multistadio). 2.Il carbocatione intermedio reagisce con il nucleo lo (l’acqua) per dare alcol protonato. 3.Perdita del protone per formare l’alcol. La reazione Sn1 decorre con un carbocatione intermedio, dunque la sua stereochimica è diversa da una reazione Sn2. Dato che avviene tramite un enantiomero achirale insieme ad un carbocatione intermedio a sua volta achirale, il prodotto è otticamente inattivo. Inoltre teoricamente parlando si dovrebbe produrre un racemato (50:50 dei due enantiomeri) perché il carbocatione può reagire indipendentemente con un nucleo lo da entrambe le facce. Ma in realtà esiste un leggero eccesso di inversione del 0-20%. Variabili che possono in uenzare la reazione Sn1 - Substrato: Più è stabile il carbocatione intermedio, più la reazione è veloce. I cationi allilici e benzilici sono favoriti per risonanza, infatti i carbocationi primari allilici e benzilici sono stabili quanto i carbocationi secondari alchilici e i carbocationi secondari sono stabili quanto i terziari alchilici (i più stabili). - Gruppo uscente: Stesso ordine di reattività, sia per Sn1 come per Sn2. Nelle reazioni in condizioni acide, l’acqua neutra può essere il gruppo uscente. - Nucleo lo: Come già detto prima, NON INFLUENZA la velocità di reazione. - Solvente: Il solvente ha la capacità di stabilizzare o destabilizzare lo stato di transizione. Se stabilizza l’intermedio carbocationico, allora aumenta anche la velocità di reazione. Pagina 24 di 50  fi fi fi  fi fi fi fl fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Le reazioni Sn1 sono più veloci in solventi polari come acqua o metanolo che in solventi non polari come etere o cloroformio. Capitolo 10 Reazioni di eliminazione Sappiamo che quando un nucleo lo/Base di Lewis reagisce con un alogenuro alchilico, possono avvenire reazioni di sostituzione. Ma possono ANCHE avvenire reazioni di eliminazione! In cui si forma un alchene. Le reazioni di eliminazione sono complesse e portano alla formazione di miscele di alcheni. Si può solo prevedere quale sarà il prodotto prevalente. Ciò si può prevedere con la regola di Zaitsev: Eliminando un HX da un alogenuro alchilico, in genere si forma l’alchene più sostituito perché è più stabile. Le reazioni di eliminazione possono accadere con 3 diversi meccanismi che si di erenziano per tempistica di scissione dei legami C-H e C-X. - Reazioni E1: Reazioni di eliminazione unimolecolare, avviene in laboratorio. Prima si rompe il legame C-X per dare un carbocatione intermedio, poi un protone viene strappato alla base per dare un alchene. - Reazioni E2: Reazioni di eliminazione bimolecolare, avviene in laboratorio, il più comune. I legami C-H e C-X avvengono insieme per dare un alchene in un unico stadio. - Reazioni E1cb: Predominano nei processi biologici. Qua prima si rompe il legame C-H per dare un carbocatione intermedio, poi si perde X- e si forma l’alchene. Reazione E2 Avviene quando un alogenuro alchilico è trattato come una base forte. Avviene in un solo stadio poiché il doppio legame inizia a formarsi contemporaneamente alla scissione del legame C-X e l’uscita di X. La reazione avviene con geometria periplanare. Giace tutto sullo stesso piano, e dunque può essere anti periplanare quando H ed X sono sui lati opposti della molecola o sin periplanare quando sono sullo stesso lato. Reazione E1 Analogamente alla reazione Sn1, la reazione E1 avviene in due parti. Il primo stadio è quello cineticamente limitante, difatti il primo stadio rappresenta la stessa dissociazione della Sn1, poi però al posto della sostituzione, avviene l’eliminazione di un protone. Le reazioni E1 ed Sn1 sono molto in sincronia, e in una situazione dove abbiamo un nucleo lo non basico in un solvente protico le due reazioni avvengono insieme. Si ottiene una miscela di prodotto di sostituzione ed eliminazione. Reazione E1cB Anche la reazione E1cB è di eliminazione unimolecolare. Il legame C-H si rompe prima del legame C-X, generando un carbanione intermedio (NON carbocatione, ma carbanione!!!). L’estrazione di un protone promossa da una base in uno stadio cineticamente determinante genera l’anione che espelle in gruppo uscente. La reazione è più comune su substrati con gruppo uscente scadente come -OH. Pagina 25 di 50 ff  fi  fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Riepilogo della reattività IN ALOGENURI ALCHILICI PRIMARI - Se c’è un buon nucleo lo -> Sostituzione Sn2 - Vene usata una base forte -> Eliminazione E2 - Il gruppo uscente è a due carboni di distanza da un gruppo carbonilico -> Eliminazione E1cB IN ALOGENURI ALCHILICI SECONDARI - Nucleo lo debolmente basico in solvente polare aprotico -> Sostituzione Sn2 - Viene usata una base forte -> Eliminazione E2 - Il gruppo uscente è a due carboni di distanza da un gruppo carbonilico -> Eliminazione E1cB - Nucleo lo debolmente basico in solvente polare protico -> Sostituzione Sn1 ed Eliminazione E1 IN ALOGENURI ALCHILICI TERZIARI - Viene usata una base -> Eliminazione E2 - In condizioni neutre ed in etanolo o acqua -> Sostituzione Sn1 ed Eliminazione E1 - Il gruppo uscente è a due carboni di distanza da un gruppo carbonilico -> Eliminazione E1cB Capitolo 11 Alcoli, Fenoli, Eteri, Tioli, Solfuri Studiamo ora questi gruppi funzionali! Sono tutti derivati organici dell’acqua, dove uno o entrambi gli idrogeni della molecola sono sostituiti da un gruppo organico. - Alcoli: R-O-H (limitati ai composti con -OH legato ad un carbonio saturo ibridato) - Fenoli: Ar-O-H (limitati ai composti con -OH o -SH legati ad un anello aromatico) - Eteri: R-O-R’ - Tioli: R-S-H (limitati ai composti con -SH legato ad un carbonio saturo ibridato) - Solfuri: R-S-R’ Alcoli Ampiamente di usi in natura, con molte applicazioni farmaceutiche ed industriali. - Metanolo CH3OH, uno dei prodotti più importanti nell’industria chimica. Tossico per l’uomo; - Etanolo CH3CH2OH, uno dei primi composti organici ad essere preparati e puri cati. Per fermentazione di cereali e zuccheri. In base al numero di gruppi organici legati al carbonio con il gruppo OH, gli alcoli si dividono in primari, secondari, e terziari. Fenoli La parola fenolo indica sia un singolo composto che una classe di composti. - Abbondantemente presenti negli esseri viventi, intermedi per la sintesi industriale di prodotti quali adesivi e disinfettanti. - Un fenolo usato in essenze di alcuni tè è il metilsalicilato. Pagina 26 di 50  fi fi  ff fi fi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ Eteri Gli eteri si nominano identi cando i due sostituenti organici ed aggiungendo alla ne il termine “etere”. Se sono presenti altri gruppi funzionali, allora la parte eterea è come un sostituente alcossi. - L’etere più conosciuto è il dietil etere (etere dietilico o semplicemente etere), anestetico in medicina e solvente comune in laboratorio. - Abbiamo poi l’anisolo usato in profumeria ed il tetraidrofurano, un etere ciclico usato in laboratorio come solvente. Tioli La caratteristica principale dei tioli è il loro odore sgradevole. Stinkyyyyy. Sono preparati tramite sostituzione Sn2 con alogenuri alchilici. I tioli possono essere ossidati da Br2 o I2 per dare disolfuri. E la formazione di disolfuri è coinvolta in molti processi biologici, come nella formazione degli amminoacidi cisteine. Solfuri I solfuri sono denominati seguendo le stesse regole degli eteri: nei composti semplici si usa il termine “solfuro” alla ne, nei composti più complessi si usa “alchilito” (negli eteri si usa “alcossi”). Nomenclatura alcoli, fenoli, tioli Gli alcoli semplici si denominano come derivati dell’alcano genitore, inserendo il su sso -olo. 1. Selezionare la catena di atomi di carbonio più lunga contenente il gruppo -OH, si ottiene il nome dell’alcol corrispondente all’alcano genitore con su sso -olo. 2. Numerare la catena principale iniziando dall’estremità più vicina a -OH. 3. Si assegna un numero a ciascun sostituente, corrispondente alla posizione nella catena, poi si scrive il nome elencando i sostituenti in ordine alfabetico, identi cando la posizione in cui è legato -OH. Alcuni alcoli hanno nomi comuni accettati dalla IUPAC (come alcol benzilico o glicerolo). I tioli (o mercaptani perché il gruppo -SH è detto mercapto) sono nominati come gli alcoli ma si usa il su sso -tiolo. Alcoli e fenoli hanno la stessa geometria attorno all’atomo di ossigeno, quasi tetraedro (108.5°). Nei tioli è più stretto (96.5°). Alcoli e fenoli hanno un alto punto di ebollizione come l’acqua per via dei legami ad idrogeno. Nei tioli non ci sono legami ad idrogeno: Lo zolfo non è abbastanza elettronegativo. Alcoli e fenoli, come l’acqua, possono essere sia debolmente acidi che debolmente basici. I tioli e fenoli sono più acidi dell’acqua. Preparazione degli alcoli La preparazione degli alcoli segue 4 step di reazioni. 1. Riduzione di composti carbonilici; 2. Riduzione di aldeidi e chetoni; 3. Riduzione degli acidi e degli esteri carbossilici; Pagina 27 di 50   ffi fi fi ffi fi fi ffi  Gioele Caputo - Currently not in the mood ❤ 4. Reazioni di Grignard. Come si può osservare, gli alcoli possono essere preparati a partire da molti altri