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Introduzione alla chimica organica

� Generalità sui composti organici� Catene carboniose� Formule di struttura� Isomeria � Classi di composti organici� Nomenclatura

Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Proff. M. De Rosa/C. Schiraldi

I COMPOSTI ORGANICIIl carbonio è l’elemento centrale attorno al quale la

chimica della vita si è sviluppata

La spiegazione va ricercata nellaSTRUTTURA ATOMICA DEL CARBONIO

Tale struttura lo rende capace di formare una varietà maggiore di composti che non qualunque altro elemento.

Il Carbonio forma legami C-C per dare lunghe catene carboniose(SCHELETRO CARBONIOSO).

Può formare legami C-H, C-N, C-O, C-S e legami con gli alogeni dando vita a numerosi classi di composti organici.


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Composti organici saturi ed insaturi

� COMPOSTI SATURIcomposti organici il cui scheletro carbonioso contiene

solo LEGAMI SINGOLI

� COMPOSTI INSATURIcomposti organici in cui è presente

un DOPPIO o un TRIPLO LEGAME.

� COMPOSTI POLIINSATURIcomposti organici in cui sono presenti due o più legami DOPPI o TRIPLI.


Catene carboniose

• L’atomo di carbonio in una catena carboniosa si dice:– Primario, se è legato ad un altro atomo di C– Secondario se è legato a due altri atomi di C– Terziario, se è legato a tre altri atomi di C– Quaternario, se è legato a quattro altri atomi di C



Catene carboniose

�Lineari: costituite da atomi di carbonio primari e secondari

�Ramificate: costituite anche da atomi terziari e quaternari

�Aperte: almeno due atomi di carbonio primari�Cicliche: nessun atomo di C primario; solo atomi

secondari e terziari


Catene carboniose

� = atomo di carbonio primario

�=atomo di carbonio secondario

�= atomo di carbonio terziario

•�= atomo di carbonio quaternario


catena lineare catene ramificate


Catene cicliche

�Ciclica: solo atomi secondari e terziari


Catene cicliche

Omocicliche: catene formate solo da atomi di carbonio

Eterocicliche: catene formate da atomi di carbonio ed atomi di altri elementi (N, S, O)



Tipi di formuleFormula bruta: indica il tipo di atomi che costituiscono lamolecola e in che rapporto stanno tra loro

Formula di struttura: definisce quali e quanti atomi costituisconola molecola e come sono legati (concatenati)

Formula tridimensionale: rappresentazione spaziale degli atomiin una molecola (es. modello a sfere e aste, rappresentazione acuneo ecc.)

Formula razionale o condensata: gli atomi di idrogeno sonoraggruppati intorno all’atomo di carbonio cui sono legati

Formula condensata semplificata: rispetto alla precedente, gliatomi di H e di C sono sottintesi

Formula contratta: gruppi simili vengono raggruppati inun’unica sequenza.Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Proff. M. De Rosa/C. Schiraldi

Tipi di formule

Tabella 2.1 libro rosso



Formule del propanolo


C3H8O formula bruta

Formule di struttura

Formula condensata

Formula condensatasemplificata

Modello tridimensionale (a sfere e aste)

CH3(CH2)2OH Formula contratta

formule• ..come visto per il propanolo, le formule

razionali (o condensate) possono essere ulteriormente semplificate

CH3

CHCH2

CH

CH3

CH3

CH3

CH CH

CH3

C CH CH3CH3CH3

CH3

CH3



Formule tridimensionali(rappresentazione a cuneo)

I composti sono rappresentati mediante figure geometriche piane.In realtà, la maggior parte delle molecole organiche non è piana!!

E’ possibile usare rappresentazioni bidimensionali che“contengono” informazioni tridimensionali. Un esempio è datodalle rappresentazioni a cuneo.

C

Legami orientati al di sopra del pianoLegami orientati al di sotto del piano


esempio di molecola con 4 legami distribuiti intorno ad un C centrale

in modo tetraedrico

I legami nel piano del foglio sono rappresentati da una linea continua

�

Altre formule tridimensionali.Es. Rappresentazione a cuneo, a cavalletto e

proiezione di Newman per la molecola di etano



Isomeria

Costituzionale

Stereoisomeria

Catena

Posizione

Funzione

CONFORMAZIONALE

CONFIGURAZIONALE

Diastereoisomeria

Enantiomeria

Si definiscono ISOMERI i composti chimici che presentano identica formula bruta (e quindi medesima massa molecolare), ma diverse caratteristiche chimiche e/o fisiche.


Gli isomeri costituzionali differiscono per l’ordine con cui sono legati i loro atomi (concatenamento) e presentano pertanto diversa formula di struttura

FORMULA BRUTA C2H6O


Esempio di isomeri costituzionali (di funzione)


ISOMERI COSTITUZIONALI

ISOMERIA DI CATENADiversa concatenazione degli

atomi di carbonio

n-butano Isobutano (2-metilpropano)

CH3 – CH2 – CH2 – CH3 CH3 – CH – CH3|CH3

1-propanolo 2-propanolo

CH3 – CH2 – CH2|

OH

CH3 – CH – CH3|OH

Etanolo Etere dimetilico

CH3 – CH2|OH

CH3 – O – CH3

ISOMERIA DI GRUPPO FUNZIONALEDiverso gruppo funzionale

ISOMERIA DI POSIZIONEDiversa posizione del medesimo

gruppo funzionale


TAUTOMERIA(isomeri di funzione)

• Due isomeri (di funzione) che possono trasformarsi reversibilmente l’uno nell’altro.

CH3

C

COOH

O

CH2

C

COOH

OH

Ac. piruvico Ac. enol-piruvico

Es. Tautomeria cheto-enolicaEquilibrio cheto-enolico:



L'ISOMERIA CONFIGURAZIONALE è una forma di isomeria spaziale in cui gli isomeri possono essere

trasformati l’uno nell’altro solo rompendo legami chimici e scambiando di posizione i gruppi legati ad un atomo di

carbonio. Sono fisicamente separabili

Descrive gli isomeri che differiscono per la disposizione degli atomi nello spazio

STEREOISOMERIA

L'ISOMERIA CONFORMAZIONALE è una forma di isomeria spaziale (stereoisomeria) in cui gli isomeri sono convertibili

l’uno nell’altro senza rompere legami, ma attraverso rotazioni attorno al legame semplice C-C.

Non sono fisicamente separabili


Stereoisomeria conformazionale


Es. Cicloesano


STEREOISOMERIA CONFIGURAZIONALE

ENANTIOMERIA o isomeria ottica DIASTEREOISOMERIA

ENANTIOMERI: STEREOISOMERI

CONFIGURAZIONALI CHE SONO L’UNO L’IMMAGINE SPECULARE

NON SOVRAPPONIBILE DELL’ALTRO

DIASTEREOISOMERI: TUTTI GLI STEREOISOMERI

CONFIGURAZIONALI CHE NON SONO ENANTIOMERI

(Es: isomeri cis-trans)


Gli enantiomeri hanno proprietà fisiche identiche (p. ebollizione, p. fusione,solubilità etc), ad eccezione dell’attività ottica e proprietà chimiche identiche,con l’esclusione della interazione con altri reattivi otticamente attivi (chirali).

MOLECOLE CHIRALI: non sono sovrapponibili alle loro immagini speculari(non possiedono piani o centri di simmetria)


LA CHIRALITA’ E’ UNA CONDIZIONE NECESSARIA PER LA PRESENZA DI ENANTIOMERI

H

F

BrCl

HBr

Cl

F

Il clorobromofluorometano èuna molecola chirale: le duestrutture sono immaginispeculari non sovrapponibili(enantiomeri).

Cl

H

F F

Cl

H

F F

Il clorodifluorometano èuna molecola achirale:le due strutture sonoimmagini speculari manon sono enantiomeriperché sovrapponibili


Un C asimmetrico, cioè legato a quattro atomi o gruppidiversi è un CENTRO CHIRALE anche denominatoSTEREOCENTRO.

STEREOISOMERIA CONFIGURAZIONALE

C

X

Y

Z

W

Una molecola con uno stereocentro è chirale.

Una molecola con due o più centri stereogenici può essere o puònon essere chirale


Isomeri ottici dell’acido lattico. Il centro di asimmetria è rappresentato dal carbonio asimmetrico.

Un antipode ottico risulta l’immagine speculare dell’altro.

ENANTIOMERI



Es. di diastereoisomeria: Isomeria cis-trans• Cis: i due gruppi uguali sono dalla stessa parte rispetto al

piano che passa per i due carboni legati dal doppio legame.• Trans: i due gruppi uguali sono da parti opposte rispetto

allo stesso piano.

Gli stereoisomeri cis-trans hanno proprietà fisiche diverse


N.B.: L’isomeria geometrica non esistese anche solo uno dei 2 C impegnatinel doppio legame è legato a gruppi oatomi uguali.

ClNon c’è isomeria!

HH CH3HHH CH3HC C

CH3H3C HC C

H3C

cis-2-butene trans-2-butene

Stereoisomeria



Classificazione delle sostanze organiche

Composti organici

Alifatici

Aromatici

Eterociclici

Aciclici

Aliciclici

Ciclici� ��


Classificazione delle sostanze organiche

�Composti alifatici: composti aciclici, a catena aperta e composti ciclici affini (aliciclici)

�Composti aromatici: composti ciclici con particolari proprietà.

�Composti eterociclici: composti ciclici con atomi diversi dal carbonio nell’anello.



CLASSI DI COMPOSTI ORGANICI

� I composti organici sono suddivisi in classi aseconda dei tipi di atomi che li costituiscono edel tipo di struttura e a seconda del gruppofunzionale, che rappresenta spesso il centrodella reattività chimica.

� Spesso la parte della molecola che non reagisce viene indicata con la lettera R (radicale)Es. R-OH, R-O-R, R-NH2


PRINCIPALI GRUPPI FUNZIONALI



A seconda del numero di atomi di carbonio che costituiscono la catena “principale” di un composto organico, si usano i seguenti prefissi seguiti

poi dalle desinenze che indicano la classe a cui appartengono

REGOLE DI NOMENCLATURA ORGANICA


ALIFATICI AROMATICI

(benzene, naftalina ecc.)Saturi

ALCANI

(CnH2n+2)

Insaturi

ALCHENI

(CnH2n)

CH2 CH2

ALCHINI

(CnH2n-2)

CH CH

DIENI (e polieni)

(CnH2n-2)

CH2 CH CH CH2

Composti organici che contengono carbonio e idrogeno

IDROCARBURI



Nomenclatura IUPAC

1. Il nome base di un idrocarburo ramificato è dato dalla catena lineare carboniosa più lunga possibile

2. Gli atomi di carbonio della catena sono numerati in ordine crescente di modo che la numerazione parta dall’estremità della catena normale più vicina ad una catena laterale.

3. La posizione della catena laterale è individuata dal numero del carbonio della catena normale da cui si ramifica


Nomenclatura IUPAC

4. Quando un atomo di carbonio porta diversi sostituenti, si ripete il numero del carbonio sostituito tante volte quanti sono i sostituenti.

5. Quando due o più sostituenti sono identici, si usa il prefisso di-,tri-, tetra-, ecc.

6. Se vengono individuate nel composto due catenenormali della stessa lunghezza, la catena normale chedà luogo al maggior numero di sostituenti definisce ilnome base dell’idrocarburo.



Nomenclatura dei radicali� I sostituenti (ramificazioni) di un idrocarburo sono

radicali (alchilici o arilici)� I radicali sono le strutture che derivano da

idrocarburi in seguito a rimozione di un atomo diidrogeno.

� I radicali alchilici (R-) derivano da idrocarburialifatici o aliciclici.

� I radicali arilici (Ar-) derivano da idrocarburiaromatici.

� Il nome dei radicali alchilici si ottiene sostituendo ilsuffisso –ano con –ile (es: metile, etile, propile, butileetc..).




CH3CH2CH2CH2CH2CHCH3

C(CH )23

CH2

CH31

2

3

456789

•Individuare la catena carboniosa più lunga•Assegnare ai gruppi sostituenti il numero più piccolo

REGOLE DI NOMENCLATURA ORGANICA


3,3,4-trimetil-nonano

Diverse modalità di rappresentare la stessa catena carboniosa



Nomenclatura





IDROCARBURI ALIFATICI

SATURI INSATURI

ALCANICICLOALCANI

ALCHENICICLOALCHENI

ALCHINICICLOALCHINI



ALCANI

I NOMI BASE SI OTTENGONO DAL PREFISSO CHE INDICA IL NUMERO DI C DELLA CATENA PIU’ LUNGA SEGUITO DAL SUFFISSO –ANO:

Atomi C prefisso nome formula1 Met- Metano CH4

2 Et- Etano C2H6

3 Prop- Propano C3H8

4 But- Butano C4H10

5 Pent- Pentano C5H12

6 Es- Esano C6H14

7 Ept- Eptano C7H16

8 Ott- Ottano C8H18

9 Non- Nonano C9H20

10 Dec- Decano C10H22


Alcani o paraffine: tutte le valenze degli atomi di C sono saturate da legami con altri C o atomi di H.

CH3CCH3

CH3

CH3

1. La catena carboniosa più lunga ha tre atomi di carbonio2. A questa catena sono legati due metili3. Non è necessario specificare che i due metili sono legati al

carbonio 2

dimetilpropano

L’idrocarburo la cui formula è riportata sotto non si chiama trimetiletano ma dimetilpropano.

ESEMPIO



CH

Cl HH

C

Cl

Cl Cl

Cl

Clorometano(cloruro di metile)

CH

Cl ClH

Diclorometano

CH

Cl ClCl

Triclorometano(cloroformio)

Tetraclorometano(tetracloruro di carbonio)

ALOGENURI ALCHILICILa radice del nome è quella della catena idrocarburica più lunga che contiene

l’alogeno. La posizione dell’alogeno è indicata dal numero dell’atomo di C a cui è legato. In alternativa, il nome deriva dal nome comune del gruppo alchilico

preceduto dall’alogeno (-uro)


1-bromopropano(bromuro di propile)

CH3CH2CH2Br

triclorofluorometano(freon 11)

diclorodifluorometano(freon 12)

C

Cl

Cl Cl

F

C

Cl

Cl F

Fdiclorofluorometano

(freon 21)

C

F

Cl H

Cl



C

C

Cl H

Br

F

FF

1-cloro-1-bromo-2,2,2-trifluoroetano(alotano) C

C

Cl H

H

H

HH

cloroetano(cloruro di etile)

C

C

ClH

ClCltricloroetene

(trielina)


Nomenclatura degli idrocarburi aliciclici

Il nome degli idrocarburi aliciclici siottiene numerando il ciclo in sensoorario, oppure antiorario, in modo datrovare il gruppo di valori numerici piùbassi per indicare la posizione deiradicali alchilici.



La numerazione deve partire dall’atomo di carbonio del ciclo cui è legato il metile e procedere in senso orario così da assegnare i valori numerici più bassi ai sostituenti.


La numerazione può partire (a) dall’atomo di carbonio in alto,recante il gruppo metilico come sostituente, e procedere insenso orario oppure (b) può iniziare dal carbonio in basso adestra, recante l’etile, e procedere in senso antiorario.

In generale, se si hanno 2 sostituenti in posizioni equivalenti, siassegna il numero più basso a quello che viene prima in ordinealfabetico. Il nome esatto è quindi 1-etil-2,3-dimetilciclopentano

(a) (b)



Quando la catena laterale di un idrocarburo aliciclico ènotevolmente complessa, la struttura ciclica può essereconsiderata a sua volta come sostituente.

2, 3, 4, 5 –tetrametil-3-cicloesilesano


IDROCARBURI INSATURI

ALCHENI

(CnH2n)

CH2 CH2

ALCHINI

(CnH2n-2)

CH CH

DIENI

(CnH2n-2)

CH2 CH CH CH2

CH2 CH2

Etene o etilene

H3C CH CH CH2 CH3

2-pentene

CH2

HC

CH2

H2C

CH

Ciclopentene

ALCHENI e CICLOALCHENI:



Nomenclatura degli idrocarburi insaturi

�Gli idrocarburi contenenti un doppio legame traatomi di carbonio sono detti alcheni

� Il nome dei composti a catena lineare vienecostruito aggiungendo al prefisso, che specifica ilnumero di atomi di carbonio, il suffisso –ene

�La posizione del doppio legame è individuatanumerando la catena carboniosa a partiredall’estremità che consente di assegnare il valorenumerico più basso al primo degli atomi dicarbonio impegnati nel doppio legame.


CH2

CH

CH2

CH2

CH3

CH3

CH

CH

CH2

CH3

CH2

C

CH2

CH3

CH3CH2

CH

CH

CH3

H3C

1-pentene2-pentene

2-metil-1-butene

3-metil-1-butene

CH3

CH

C

CH3

CH3

2-metil-2-butene

Alcheni



C CCH3

C2H5

H3C

HC C

CH3

C3H7

H3C

H3CC C

CH3

C2H5

H

H3C

cis-3-metil-2-pentene trans-3-metil-2-pentene2,3-dimetil-2-esene

Alcheni


Principali alcheni



ALCHENI CONTENENTI DUE O PIU’ DOPPI LEGAMI

• Se nella catena sono presenti due o più doppi legami,il loro nome si forma premettendo al suffisso –ene, leparticelle di-, tri-,tetra-, ecc.

CH2 CH CH CH2

1 2 3 4

1,3-butadiene


C C CCH3

H

H

H

C CH

H

H

C CC

H

H

HH

H

C CH

H

CH3

C CH

H

H1,2-butadiene 2-metil-1,3-butadiene

1,4-pentadiene



ciclobutano

ciclopropano

ciclopentano

CH2H2C

CH2

CH2

CH2H2C

H2C

H2C

CH2

CH2

CH2H2C

cicloesano

H2C

H2C

CH2

CH2

CH

CH


H2C

H2C

CH2

CH2

CH

CH

12

H2C

H2C

CH2

CH2

CH

CH

12

Il nome corretto è : cicloesene

cicloesanoloesoesae

È presente un doppio legame fra i carboni 1 e 2 dell’anello.



Alchini� Idrocarburi contenenti legami tripli.

� Il nome si forma aggiungendo il suffisso –ino alprefisso specificante il numero di atomi dicarbonio della catena più lunga.

� Il primo termine della serie, l’etino (CH CH),è noto come acetilene.


Principali alchini



GLI IDROCARBURI AROMATICI

Il termine aromaticità è adoperato per descrivere il carattere di un poliene ciclico, completamente coniugato, planare che è più stabile del suo analogo a catena aperta.

Il più semplice degli idrocarburi aromatici è il benzene: C6H6.

Forme limite di risonanza del benzene


CH3

Metilbenzene

(toluene)

Antracene

Fenantrene

CH2 CH3

Etilbenzene

ALTRI IDROCARBURI AROMATICI



Principali idrocarburi aromatici


COMPOSTI ORGANICI CON GRUPPI FUNZIONALI in cui sono presenti

eteroatomi

1. Saturi 2. Insaturi

-Alcoli, tioli , eteri e tioeteri

- Ammine

- Aldeidi e chetoni

- Acidi carbossilici

- Derivati degli ac. carbossilici



Nomenclatura composti organici contenenti gruppi funzionali con

eteroatomi

R-OH ALCOLIR-O-R ETERIR-SH TIOLIR-S-R TIOETERIR-NH2 AMMINE

Regole IUPAC•Scelta della catena di carboni più lunga che contiene il gruppo funzionale •Numerazione della catena in modo da attribuire al carbonio recante il gruppo funzionale il numero più basso possibile

Esaminiamo prima la nomenclatura dei seguenti composti organici:


ALCOLI E TIOLISi aggiunge la desinenza –olo o –tiolo rispettivamente al prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena più lunga contenente il gruppo funzionale

CH3OHmetanolo

CH3SHmetantiolo

CH3CH2CH2OHpropanolo

CH3CH2CH2SHpropantiolo

CH3CH2CHCH2OH2-metil-butanolo

CH3

CH3CH2CHCH2SH2-metil-butantiolo

CH3

ESEMPI



CH3OCH3dimetiletere

CH3SCH3dimetiltioetere

CH3CH2CH2OCH2CH2CH3dipropiletere

CH3CH2CH2SCH2CH2CH3dipropiltioetere

ETERI E TIOETERISi indicano i radicali (metile, propile, butile etc)

seguiti da etere o tioetere


C H

H

H

NH2metanammina

C H

C

H

H

NH2

C

H

HH

2-propanammina

H

N

C2H5

CH3

CH3

AMMINESi aggiunge la desinenza –ammina al prefisso che indica il numero diatomi di carbonio della catena carboniosa più lunga contenente ilgruppo funzionale.Le ammine si definiscono primarie, secondarie e terziarie a seconda delnumero di gruppi R legati all’atomo di N.Per le ammine secondarie e terziarie, i residui legati all’azoto si indicano preceduti dalla lettera N.

N,N-dimetil-etanammina



Nomenclatura composti organici contenenti gruppi funzionali

QUELLI CONTENENTI IL GRUPPO CARBONILICO C=OAldeidi: R-CHO Chetoni: R1-CO-R2

Si aggiunge la desinenza –ale al prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena principale

Si aggiunge la desinenza –one al prefisso che indica il numero di atomi di carbonio della catena principale

O

H

O

H

OO

propanale

2-propanone

2-metilpropanale

3-metil-2-butanone


o propanone

Acidi carbossilici e suoi derivati

Il nome di un acido carbossilico è dato dal nome della catena carboniosa più lunga che contiene il gruppo carbossilico a cui si aggiunge il suffisso –oico,

preceduto dalla parola “acido”

COH

O



DERIVATI DEGLI ACIDI

ESTERI

AMMIDI

ANIDRIDI

ALOGENURO ACILICOIl nome si forma facendo seguire a quello dell’alogenuro il nome dell’acido carbossilico corrispondente con la desinenza –oicocambiata in –ile. Es:CLORURO DI METANOILE

I nomi si ottengono dall’acido da cui derivano; basta sostituire il termine ”anidride” a quello di “acido”. Es: ANIDRIDE ETANOICA

Si ottengono per reazione di un acido con un alcol. Sono stati denominati come Sali alchilici degli acidi carbossilici. Es: PROPIONATO DI ETILE

I nomi si ottengono dall’acido da cui derivano, sostituendo al suffisso –oico, il suffiso –ammide:Es: PENTANAMMIDE


ORDINE DI PRECEDENZA NELLA NOMENCLATURA DI ALCUNI GRUPPI

FUNZIONALI

PRIO

RIT

A’ C

RE

SCE

NT

E



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