Chimica del CarbonioCarbonio

La chimica organica o chimica del carbonio si occupa di tutti i composti

contenenti C, detti organici Composti sintetizzati dagli esseri viventi Friedrich WohlFriedrich Wohl

Sintetizzazione dell’urea, composto organico presente nell’urina, dall’ammoniaca.

Monossido di carbonio

Diossido di carbonio

Acido carbonico

Quasi 5 milioni grazie alla versatilità del carbonio(tutti i non metalli e quasi tutti i metalli)

Contengono non solo atomi di carbonio ma anche Idrogeno, Ossigeno, Azoto

Esistono solo pochi composti inorganici contenti carbonio:

IL CARBONIOIL CARBONIO Appartiene al 4° gruppo e al secondo periodo

Tetravalente, quindi forma 4 legami covalenti condividendo gli elettroni di valenza

Elettronegatività intermedia 2,5 della scala di Pauli

Forma catene carboniose molto stabili grazie all’elevata energia di legame, che possono essere: lineari

ramificate

chiuse o cicliche

tramite la formazione di legami: semplici

doppi

tripli

Formando quindi o 4 legami semplici o due doppi o uno triplo e uno semplice

possiede 6 protoni e 6 elettroni disposti negli orbitali nel seguente modo:

I due elettroni presenti nell’orbitale 2s, al momento della formazione del legame assorbono energia e sono “promossi” nell'orbitale seguente 2p

Formando 4 orbitali ibridi con 4 elettroni spaiati

Lasciando che si verifichi l’ IBRIDAZIONE, cioè la creazione di più orbitali ibridi (misti), che può essere di 3 tipi:

Sp3

Sp2

Sp

Ibridazione Ibridazione SPSP33

• Si ottiene dal rimescolamento dell'orbitale s con 3 orbitali p

• Forma 4 legami semplici (sigma σ) con 1 elettrone di valenza

• Gli elettroni si dispongono in maniera tetraedrica. Ciò rende il carbonio poi molto resistente e stabile perchè le particelle possono ruotare senza rompere i legami.

Ibridazione SP2

• L’orbitale s si ibrida con i due p e si formano 3 orbitali ibridi con 1 elettrone

• Forma 3 legami semplici σ e un legame doppio π, più debole di quello semplice poiché più rigido ed incapace di ruotare

• Gli elettroni si dispongono in

maniera trigonale piana: i 3 orbitali ibridi si dispongono sullo stesso piano mentre l'orbitale p non ibridato si pone verticalmente

Ibridazione SP• Si formano due orbitali ibridi e due atomici

2p

• Si forma un legame semplici σ e un triplo legame: uno σ e due π. Anche in questo caso il legame è rigido e non ruotabile

• I due ibridi si pongono lungo un asse, in

maniera lineare, mentre gli orbitali p non ibridati si pongono perpendicolari tra loro e agli orbitali ibridi.

La teoria della RisonanzaElettroni delocalizzatiElettroni delocalizzati

In certe molecole organiche la struttura dei legami formati dal carbonio non può essere adeguatamente non può essere adeguatamente spiegataspiegata perché gli elettroni di legame sono localizzati tra due atomi di carbonio

Benzene

ISOMERIAISOMERIA(isos = "uguale", méros = "parte“)

I composti isomeri sono le sostanze dalla stessa formula bruta (stesso peso molecolare e stessa composizione percentuale di atomi) ma che differiscono per struttura, quindi assumono proprietà fisiche e chimiche diverse.

Grazie alla capacità delle catene carboniose di assumere configurazioni diverse viene spiegato perché esistano così tanti composti organici in natura.

Principalmente varia:

Il modo in cui gli atomi si legano tra loro

La loro disposizione spaziale

Esistono diversi tipi Esistono diversi tipi didi

Isomeri costituzionali o Isomeri costituzionali o strutturalistrutturali

hanno formula bruta identica ma diversa connettività. In altre parole, sono composti aventi la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura. Ciò implica differenti proprietà fisiche e chimiche, dovute ai legami differenti degli elementi che compongono la molecola.

Possono essere:Possono essere:

Di Di CATENACATENA

che interessa la struttura dello "scheletro" di carbonio, ossia la presenza e posizione di ramificazioni o anelli; isomeri di questo tipo hanno proprietà fisiche diverse, ma reattività chimiche simili

Di Di POSIZIONEPOSIZIONE

che interessa la posizione di legami multipli o di gruppi contenenti atomi diversi da carbonio e idrogeno; hanno generalmente reattività chimica simile, diverse sono invece le loro proprietà fisiche

DiDi GRUPPO GRUPPO FUNZIONALEFUNZIONALE

che pur avendo formula bruta uguale, presentano gruppi funzionalmente diversi, ed hanno quindi proprietà chimiche e fisiche molto differenti.

StereoisomeriStereoisomeri(o isomeri spaziali)(o isomeri spaziali)

hanno formula bruta identica, stessa connettività, ma la diversa orientazione spaziale degli atomi li rende non sovrapponibili.

possono essere:

CONFORMAZIONALI

la rotazione di un legame semplice del carbonio produce possibili conformazioni di molecole con stessa formula bruta e stessa connettività ma non sovrapponibili. Un isomero conformazionale si dice anche conformero o rotamero

CONFIGURAZIONALI

ne fanno parte gli atomi con doppi legami, non ruotabili, che hanno bisogno di rompersi per dare origine a una rotazione e ad una interconversione. Ne derivano isomeri che sono uno la forma speculare non sovrapponibile dell'altro.

Isomeri Geometrici

Isomeri Ottici

Isomeria Geometrica o spaziale

È presente in tutti quei composti in cui è impedita la libera rotazione dei gruppi atomici attorno ad un legame tra due atomi di carbonio, ciò dovuto alla presenza di doppi legamidoppi legami

Isomeri CIS Isomeri TRANS

Nel quale i sostituenti si trovano dallo stesso lato del legame

Nel quale i sostituenti si trovano sui lati opposti

Stereoisomeri

Isomeria Ottica

È presente nei composti in cui un atomo di C ibridato SP3 è legato ad atomi diversi tra loro

Un composto di questo tipo esiste in due forme diverse che non possono essere sovrapposte tra loro né per traslazione né per rotazione pochè

speculari tra loro

Enantiomeri

- Identiche proprietà chimiche e fisiche

- Differiscono solo per l’attività ottica

L’atomo di carbonio posto al centro di questo tipo di composti isomeri è chiamato Carbonio ChiraleCarbonio Chirale o StereocentroStereocentro

Le molecole chirali sono molecole otticamente attive in quanto i loro enantiomeri fanno ruotare il piano della luce polarizzata in due angoli uguali ma di senso opposto

(sono cioè antipodi ottici):

Molecola Levogira:

Fa ruotare la polarizzazione verso sinistra

In senso antiorario

Molecola Destrogira:

Fa ruotare la polarizzazione verso destra

In senso orario

La loro differenza regola la specificità di molte reazioni biochimiche e di attività biologiche, infatti anche in campo farmaceutico le molecole destrogire e levogire

hanno principi ed usi diversi.

Il miscuglio al 50% di due enantiomeri è chiamato racemo e non è otticamente attivo.

Classificazione dei composti organiciClassificazione dei composti organici (basata sulla loro struttura e sul loro comportamento)

• Composti aciclici

• Composti carbociclici

• Composti eterociclici

Catene carboniose linearilineari o ramificateramificate

Formano strutture chiusechiuse costituite da un anello di atomi di carbonio di forme e dimensioni diverse e possono essere legate a catene carboniose

Presenza negli anelli carboniosi di altre sostanze quali ossigeno, zolfo o azoto.

Si definiscono eteroatomi tutti gli atomi appartenenti ad una molecola organica, o catena carboniosa (lineare o ciclica), che siano diversi da carbonio ed idrogeno.

Gruppi funzionali

Le relazioni organiche avvengono in maggioranza nei gruppi funzionali, che costituisce il centro della reattività chimica della molecola, mentre il resto della

molecola conserva la sua struttura originaria e viene segnata con R che indica “radicale”

Conviene perciò focalizzare l’attenzione sull’attività dei gruppi funzionali e sulle classi di composti che li contengono

Gli IdrocarburiGli IdrocarburiGli idrocarburi sono i composti binari di carbonio e idrogeno (la cui formula generale è CnHmCnHm). Sono l’unica caterogia di composti organici privi di gruppo funzionale, infatti

sono composti solo da atomi di C e H.

Ampiamente usati come combustibili, la loro principale fonte in natura è di origine fossile. Non sono presenti come tali nel nostro organismo (anzi sono spesso tossici),

ma sono importanti perchè ogni composto organico e' descritto con riferimento all'idrocarburo più simile.

Gli idrocarburi possono essere classificati come segue:

Alifatici Aromatici

Monociclici

Policiclici

Aciclici

Ciclici (alchilici)

Insaturi

Alcheni

Alchini

Saturi

AlcaniSaturi

Insaturi

CicloalcaniCicloalcheni

AromaticiAromaticidotati di "aromaticitàaromaticità", una proprietà chimica impartita da un anello benzenico, una

struttura ciclicastruttura ciclica, che li rende particolarmente stabili.

AlifaticiAlifaticiSaturi Saturi (cioè contenenti solo legami semplici)

AlcaniAlcani (o paraffine, caratterizzate da scarsa reattività): non ciclici, cioè aventi una catena non richiusa su sé stessa, lineari o ramificati;

Hanno desinenza –ano e si denominano in base alla quantità degli atomi di carbonio, rispettivamente in ordine crescente da 1 a 8 sono:

1)Metano 2)Etano 3)Propano 4)Butano 5)Pentano 6)Esano 7)Eptano 8)Ottano

La loro formula generale è: CCnnHH(2n + 2)(2n + 2)

Insaturi Insaturi (cioè contenenti almeno un legame doppio o triplo)

CicloalcaniCicloalcani (o nafteni): ciclici presentano formula bruta CCnnHH2n2n.

Entrambi sono composti apolari che fungono da solventi per sostanze apolari. Sono insolubili in acquainsolubili in acqua perché non riescono a formare legami dipolo-dipolo e non sono particolarmente reattivi, tranne in specifici casi dove vengono usati come combustibili perché reagiscono con l’Ossigeno.

AcheniAcheni: non ciclici, contengono un solo doppiodoppio legame e hanno formula bruta CCnnHH2n2n

Il più semplice alchene esistente è l‘etilene (o etene), avente formula CHCH22=CH=CH

22

Hanno desinenza –ene e si denominano in base alla quantità degli atomi di carbonio

AchiniAchini: aciclici, contenenti almeno un triplotriplo legame aventi formula bruta CCnnHH(2n - 2)(2n - 2)

L'alchino più semplice esistente è l'etinoetino (comunemente detto acetilene), avente formula

HC≡CHHC≡CH.

Per questo motivo questa serie di idrocarburi viene chiamata anche serie acetilenica

Hanno desinenza –ino e si denominano in base alla quantità degli atomi di carbonio

(etino, propino, butino, pentino, esino, eptino, ottino…)

CicloalcheniCicloalcheni: monoclici, contenenti un doppiodoppio legame hanno formula bruta CCnnHH(2n-2)(2n-2)

Sono molecole con una certa tensione di anello, per cui la reazione di apertura di esso non è molto difficile.

Ciclopropene Ciclobutene

Ciclopentene Cicloesene

Alogenuri alchilici Si formano tramite reazioni di alogenazione, cioè la sostituzione di Idrogeni con degli alogenuri (F, Cl, Br o I) in un alcano o in un cicloalcano.

Hanno formula generale R-XR-X

CFC (clorofluorocarburi, anche chiamati commercialmente FreonFreon))Bromometano

Dannosi per l’ozonoDannosi per l’ozono

TriclorofluorometanoTriclorofluorometano

Idrocarburi aromatici

Provengono tutti dal benzenebenzene CC66HH66 Presentano doppi legami π delocalizzati nella molecola

Sono stabili, tossici ed inquinanti

Per indicarli viene usata la nomenclatura tradizionale

Benzene

Antracene

Capsaicina

Sostanze cancerogene pericolose per la contaminazione

Infiammatorio e antidolorifico

Alcoli Il loro gruppo funzionale è un ossidrile OH legato ad un gruppo alchilico R

Ha desinenza –olo–olo

R-OH

Gruppo alchilico

Gruppo ossidrilico

Tioli Strettamente correlati agli alcoli sostituiscono nel gruppo ossidrilico un ossigeno con uno zolfo (O con S)

Formano un gruppo tiolico

Hanno desinenza –tiolo–tiolo

Sono caratteristici per il proprio fetore

R-SH

Gruppo alchilico

Gruppo tiolico

MetantioloMetantiolo

I tioli sono derivano dal metabolismo della metioninametionina; il catabolismo di questo amminoacido avviene a livello del fegato. In caso di insufficienza epatica è impossibile catabolizzare anche i tioli per concludere il ciclo catabolico. Ciò fa sì che questo composto sia eliminato senza ulteriori modifiche tramite urine e alito. Vista la presenza di zolfo l'eliminazione di questi composti determina la comparsa di un odore caratteristico particolarmente sgradevole. Ciò viene descritto con il termine "Foetor hepaticus" ed è un tratto distintivo dei pazienti cirrotici.

Eteri Il gruppo funzionale è un ossigeno legato a due carboni sostitui

Può essere indicato con ROR’ dove R e R’ possono essere uguali o diversi.

Ha desinenza -etere-etere

CH3OCH3

Ammine

Possono essere considerati derivati organici dell’ammoniaca (NHNH33) Hanno desinenza -ina-ina

Ha proprietà analgesicheanalgesiche, soporifere soporifere ed euforizzantieuforizzanti e si estrae dalle capsule acerbe che contengono i semi del papavero dell’oppio. Il principale costituente è la morfina. L’eroina è invece un prodotto sintetico della morfina.

Metilammina Dimetilammina Trimetilammina

Aldeidi e chetoni Presentano il gruppo carbonilico in cui uno dei carboni della catena principali ha un doppio legame con un ossigeno

C

O

Gruppo carbonilico

Presenta desinenza -ale-ale Presenta desinenza -one-one

Acidi carbossidrilici Il suo gruppo funzionale è composto da un doppio legame con un ossigeno e un . gruppo ossidrilico. Quindi viene chiamato gruppo carbossidrilico

Viene indicato con -COOH oppure -CO2H

Ha prefisso acidoacido e desinenza -oico-oico

Es: acido formico e acido acetico o acido benzoico o acido salicilicoEs: acido formico e acido acetico o acido benzoico o acido salicilico

C

O

OHR

Esteri e ammidi Hanno una struttura correlata agli acidi carbossidrilici a cui è legato, al posto dell’-

OH, rispettivamente per gli esteri un gruppo amminicogruppo amminico -OR’ e per le ammidi un gruppo amminicogruppo amminico -NR2’

Gli esteri hanno desinenza -oato-oato Gli ammidi hanno desinenza –ammide–ammide e i polimeri sinteticipolimeri sintetici (poliammidi) del Nylon ne

sono un esempio, molecole tenute insieme da un legame ammidico