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Cos’è la chimica organica

La prima definizione di chimica organica si deve al chimico svedese Jacob Berzelius nel 1807:

la chimica organica è la scienza che studia i comportamenti chimici e fisici dei composti elaborati dagli organismi viventi

Allora si credeva che i composti organici fossero del tutto speciali, in particolare si riteneva che potessero essere prodotti solo dagli organismi viventi e non fosse possibile la loro sintesi in laboratorio.

Cos’è la chimica organica

Nel 1828 il chimico tedesco FriedrichWöhler riuscì per primo a sintetizzare un composto organico (l’urea) e da allora i composti organici persero la loro aura di sostanze particolari.

Oggi la definizione più corretta di chimica organica è:

la scienza che si occupa delle caratteristiche chimiche e fisiche dei composti del carbonio

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Per ragioni storiche, tuttavia, non tutti i composti del carbonio rientrano nella chimica organica. Fanno eccezione:

l’anidride carbonica (biossido di carbonio)

il monossido di carbonio

l’acido carbonico ed i suoi derivati (carbonati e bicarbonati)

l’acido cianidrico ed i suoi derivati (cianuri)

i carburi (composti binari del carbonio con metalli)

I composti organici

I composti organici attualmente conosciuti sono milioni e continuamente ne vengono scoperti di nuovi.

Essi vengono suddivisi in tre grandi raggruppamenti:

I composti organici

Perché il carbonio è in grado di formare un così gran numero di composti?

Il motivo sta nella sua particolare configurazione elettronica che fa sì che l’atomo acquisti alcuni aspetti particolari:

1. la possibilità di ibridazione2. il particolare numero di ossidazione3. il valore di elettronegatività4. il peculiare raggio atomico5. la capacità di concatenazione

Il carbonio

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Il carbonio

Il carbonio ha 6 elettroni: 2 nel primo livello energetico e 4 nel secondo, di questi ultimi due stanno nell’orbitale 2s e due nell’orbitale 2p (1s22s22p2)

Nel carbonio ibridato uno degli elettroni del 2s passa nel 2p (1s22s12p3) → promozione

I tre elettroni 2p si dispongono in orbitali diversi (regola di Hund): 2px

12py12pz

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Si hanno così quattro orbitali incompleti: il 2s e i tre 2p

Successivamente l’orbitale 2s si fonde con uno o più orbitali 2p formando orbitali di tipo sp (una via di mezzo tra gli s e i p) → ibridazione

Il carbonio

L’ibridazione può essere di tre tipi differenti:

1. ibridazione di tipo sp3

è quella tra un orbitale s e tre orbitali p, si formano quattro nuovi orbitali ibridi detti sp

2. ibridazione di tipo sp2

tra un orbitale s e due orbitali p, si formano tre nuovi orbitali ibridi sp e rimane un orbitale p normale

3. ibridazione di tipo spè quella tra un orbitale s e un orbitale p, si formano due nupvi orbitali ibridi sp e rimangono due p normali

Ibridazione sp3

I 4 nuovi orbitali sp si dispongono secondo i vertici di un tetraedro, con un angolo di circa 109°.

Nell’ibridazione sp3 il carbonio forma 4 legami di tipo σperfettamente equivalenti tra loro.

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Ibridazione sp2

I 3 nuovi orbitali si dispongono secondo i vertici di un triangolo equilatero, a 120° tra loro.

Nell’ibridazione sp2 il carbonio forma 3 legami equivalenti tra loro (legami σ) e, con l’orbitale p non ibridato, un legame π con un altro atomo di carbonio nello stesso stato di ibridazione.

Uno dei legami σ e il legame π formanoun doppio legame.

Ibridazione sp

I 2 nuovi orbitali si dispongono secondo una linea, a 180° l’uno dall’altro.

Nell’ibridazione sp il carbonio forma 2 legami equivalenti tra loro (legami σ) e, con i due orbitali p non ibridati, due legami π con un altro atomo di carbonio nello stesso stato di ibridazione.

Uno dei legami σ e i due legami π formanoun triplo legame.

video: l’ibridazione del carbonio dal sito del libro di testo

Il numero di ossidazione del carbonio assume tutti i valori compresi tra +4 e −4.

Ciò permette all’atomo di formare un numero praticamente infinito di composti.

Inoltre, nella stessa molecola, il carbonio può assumere valori diversi, per cui si deve attribuire il n. o. a tutti gli atomi di carbonio singolarmente.

Il carbonio

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Per il calcolo del n. o. di un atomo di carbonio, si deve tenere conto dei seguenti criteri:

1. in ogni legame con altri atomi di carbonio il n. o. è zero perché gli elettroni di legame sono equamente condivisi;

2. nel legame con l’idrogeno o con i metalli il n. o. del carbonio è –1 (il carbonio è più elettronegativo);

3. nel legame con non metalli il n. o. del carbonio è +1 (il carbonio è meno elettronegativo).

Il carbonio

Il carbonio ha un valore medio di elettronegatività(2,5) per cui non ha tendenza a perdere o ad acquistare elettroni, ma unicamente a condividerli.

Si formano così legami covalenti poco polari e quindi forti e stabili.

Inoltre la formazione di legami multipli (doppi o tripli) conferisce al carbonio la caratteristica di formare molecole costituite dagli stessi atomi ma disposti in modo diverso nello spazio e quindi con differenti proprietà fisiche e chimiche (isomeri).

Il carbonio

Il raggio atomico (77 pm) è molto piccolo e lo scarso ingombro facilita la formazione di legami stabili.

L’assenza di coppie elettroniche libere nel livello energetico esterno e il piccolo raggio atomico consentono al carbonio una grande tendenza alla concatenazione.

Le catene che si formano possono essere aperte (lineari o ramificate) o chiuse.

Il carbonio

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A causa delle particolarità del carbonio, i composti organici non possono essere rappresentati con le consuete formule chimiche.

Per essi si adottano altre simbologie rappresentate da:

formule di Lewisevidenziano tutti ilegami tra gli atomidella molecola

Le formule

formule razionalimettono in evidenza solo i legami tra atomi di carbonio

Le formule

formule condensate

evidenziano solo alcuni atomi e i gruppi atomici che costituiscono la molecola

Le formule

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formule topologicheevidenziano solo la catena carboniosa mediante l’uso di segmenti

Le formule

Le formule

Gruppi funzionali

La reattività di un composto organico è determinata dalla presenza nella molecola di un legame multiplo, di un atomo molto elettronegativo (ossigeno, alogeni…) o di uno specifico gruppo atomico che attira o respinge elettroni.

Il componente molecolare da cui dipende la reattività prende il nome di gruppo funzionale.

Composti con lo stesso gruppo funzionale, avendo proprietà e comportamento chimico simile, vengono riuniti in una stessa classe.

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Gruppi funzionali

Quando si studiano i diversi composti organici è necessario riferirsi alle loro proprietà chimiche e fisiche.

Le proprietà fisiche sono quelle che dipendono dallastruttura e dalla composizione della molecola, leproprietà chimiche dipendono invece dalla capacità della molecola di reagire con altre.

Naturalmente ogni diverso composto ha proprietà differenti, tuttavia ci sono alcuni punti in comune per tutti.

Proprietà dei composti organici

Lo stato fisico di un composto a temperatura ambiente dipende principalmente dalla forza e dal numero dei legami che si possono stabilire tra le molecole del composto.

Se i legami intermolecolari sono pochi e/o deboli il composto è allo stato aeriforme; se invece sono più forti e/o più numerosi, il composto è liquido o solido.

A parità di legami intermolecolari, inoltre, lo stato fisico dipende anche dalla massa molecolare: all’aumentare di questa, lo stato fisico tende verso gli stati più condensati.

Proprietà fisiche

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La solubilità in acqua dei composti organici dipende dalla presenza di gruppi idrofili e idrofobi.

Se prevalgono i gruppi idrofili, i composti sono solubili in acqua. Sono gruppi idrofili −OH, −NH2, −COOH.

Se prevalgono i gruppi idrofobi i composti sono insolubili in acqua. Sono gruppi idrofobi −CH3, −(CH2)n−, −C6H5.

Proprietà fisiche

Se un composto contiene gruppi idrofili e idrofobici più o meno nella stessa quantità, esso viene definito anfipatico o anfifilico.

I composti anfipatici in soluzione acquosa tendono aformare micelle, doppi strati e liposomi.

Importanti composti anfipatici, con un rilevante ruolo biologico, sono i fosfolipidi e il surfattante.

Proprietà fisiche

La presenza di un atomo con elettronegatività molto diversa dal carbonio o di un gruppo atomico che attira o respinge elettroni influenza la reattività delle molecole organiche.

La differenza di elettronegatività porta a una polarizzazione del legame e ciò comporta uno spostamento di elettroni anche su tutti i legami.

La trasmissione della polarizzazione lungo la catena carboniosa si chiama effetto induttivo

L’effetto induttivo può essere di tipo attrattivo o repulsivo.

Proprietà chimiche

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Un atomo X, fortemente elettronegativo, attira verso di sé gli elettroni di legame.

Esso assume quindi una parziale carica negativa (δ−) e il carbonio a cui è legato una parziale carica positiva (δ+).

Ciò provoca uno spostamento di elettroni dagli atomi adiacenti, indebolendo il legame C−C e aumentando di conseguenza la reattività della molecola.

Questo effetto induttivo è di tipo attrattivo

Proprietà chimiche

Si dicono sostituenti elettron-attrattori gli atomi più elettronegativi del carbonio (alogeni e ossigeno), i gruppi atomici con carica positiva (gruppo nitro) e gli atomi di carbonio con legami multipli.

Proprietà chimiche

Un atomo Y meno elettronegativo del carbonio determina un allontanamento degli elettroni.

In questo caso Y diventa δ+ e il carbonio a cui è legato δ−.

Anche qui si ha uno spostamento di elettroni dagli atomi adiacenti che indebolisce il legame C−C.

Questo effetto induttivo è di tipo repulsivo

Proprietà chimiche

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Si dicono sostituenti elettron-donatori gli atomi molto meno elettronegativi del carbonio (metalli), i gruppi atomici in cui il carbonio è legato a molti atomi di idrogeno (gruppi alchilici) e gli atomi con cariche negative (O–, S–).

Proprietà chimiche

Nel corso di una qualunque reazione i legami dei reagenti devono rompersi per poterne formare di nuovi. Così accade anche per i composti organici.

Un aspetto essenziale di una reazione organica è la rottura del legame covalente tra gli atomi di carbonio, che si può realizzare secondo due modalità: omoliticaed eterolitica.

Proprietà chimiche

Nella rottura omolitica o radicalica ciascun atomo di carbonio trattiene uno dei due elettroni condivisi.

Si ha così la formazione di radicali o radicali liberi: atomi o gruppi atomici aventi un elettrone spaiato.

La rottura omolitica può essere provocata dal calore (termolisi) o dalla radiazione ultravioletta (fotolisi).

I radicali liberi (H, Cl, CH3) sono fortemente instabili, per cui tendono a reagire con altri radicali o con molecole per ricostituire legami covalenti.

Proprietà chimiche

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Nella rottura eterolitica o polare l’atomo più elettronegativo trattiene entrambi gli elettroni prima condivisi.

Si formano così carbanioni e i carbocationi.

Il carbanione è un anione la cui carica negativa è localizzata su un atomo di carbonio.

Il carbocatione è un catione la cui carica positiva è localizzata su un atomo di carbonio.

Proprietà chimiche

Le reazioni eterolitiche, le più frequenti tra i composti organici, coinvolgono sempre specie chimiche povere di elettroni (elettrofili) e specie chimiche ricche di elettroni (nucleofili).

Gli elettrofili sono specie chimiche con una parziale o totale carica positiva oppure con l’ottetto incompleto

Gli elettrofili tendono a reagire con specie chimiche ricche di elettroni (nucleofili).

I nucleofili sono specie chimiche con una parziale o totale carica negativa oppure con un doppietto

elettronico disponibile

Proprietà chimiche