Corso di orientamento e preparazione ai Corsi di Laurea della Scuola di Medicina ad

accesso programmato a.a. 2019/2020

CHIMICA

«Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma.»

(Antoine-Laurent de Lavoisier)

La chimica è la scienza che studia la composizione della materia e il suo

comportamento in base a tale composizione.

Alessio Cesaretti, PhD Email: alex.cesaretti14@gmail.com

mailto:alex.cesaretti14@gmail.com

Programma • La costituzione della materia: gli stati di aggregazione della materia; sistemi eterogenei e sistemi

omogenei; composti ed elementi.

• Le leggi dei gas, le proprietà dello stato liquido; le leggi ponderali.

• La struttura dell'atomo: particelle elementari; numero atomico e numero di massa, isotopi. La

teoria atomica da Bohr alla meccanica quantistica; la configurazione elettronica degli atomi dei

vari elementi.

• Il sistema periodico degli elementi: gruppi e periodi; elementi di transizione; proprietà periodiche

degli elementi: raggio atomico, potenziale di ionizzazione, affinità elettronica; metalli e non

metalli; relazioni tra struttura elettronica, posizione nel sistema periodico e proprietà.

• Il legame chimico: legame ionico, legame covalente; polarità dei legami; elettronegatività. Le

forze intermolecolari.

• Fondamenti di chimica inorganica: nomenclatura e proprietà principali dei composti inorganici:

ossidi, idrossidi, acidi, sali.

Programma • Le reazioni chimiche e la stechiometria: peso atomico e molecolare, numero di Avogadro,

concetto di mole, calcoli stechiometrici elementari, bilanciamento di reazioni, vari tipi di reazioni

chimiche.

• La termodinamica chimica; la cinetica chimica. L’equilibrio.

• Le soluzioni: proprietà solventi dell'acqua; solubilità; principali modi di esprimere la

concentrazione delle soluzioni. Le proprietà colligative.

• Ossidazione e riduzione: numero di ossidazione, concetto di ossidante e riducente.

• Acidi e basi: concetti di acido e di base; acidità, neutralità, basicità delle soluzioni acquose; il pH.

• Fondamenti di chimica organica: legami tra atomi di carbonio; idrocarburi alifatici, ciclici e aromatici; i

gruppi funzionali.

• Fondamenti di biochimica.

Chimica Organica

In generale, un composto organico è un qualsiasi composto del carbonio che, almeno in origine, è sintetizzato da un essere vivente.

I composti organici contengono soprattutto atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto; altri elementi presenti in tracce sono zolfo, magnesio e fosforo.

1. I composti organici

I composti organici possono formare lunghe catene grazie alla capacità del carbonio di dare luogo a quattro legami.

A seconda che le coppie di elettroni condivisi siano una, due o tre, si possono formare:

Chimica Organica

1. I composti organici

Gli idrocarburi sono composti binari formati soltanto da atomi di carbonio e idrogeno.

Gli Idrocarburi

Gli idrocarburi vengono classificati, secondo la nomenclatura tradizionale, in:

• alifatici quando sono costituiti da catene lineari o ramificate;

• aromatici quando presentano una particolare struttura ciclica.

1. I composti organici Gli Idrocarburi

Il metano (CH4) è l’esemplificazione dell’ibridazione sp3 degli atomi di carbonio degli

idrocarburi saturi; la molecola di metano presenta quindi geometria tetraedrica con angoli di legame di 109,5.

Una serie omologa è una serie di composti in cui ciascun termine differisce dal successivo di un’unità costante. Per gli idrocarburi, l’unità è il gruppo —CH2—.

1. I composti organici Gli Alcani

Gli alcani sono idrocarburi alifatici con formula bruta CnH2n+2.

La forma di rappresentazione più semplice utilizza le formule condensate.

1. I composti organici I Cicloalcani

La formula generale dei cicloalcani è CnH2n.

I cicloalcani sono idrocarburi alifatici che, a partire dal propano, possono chiudere la catena di atomi di carbonio con la perdita di due atomi di idrogeno.

1. I composti organici I Cicloalcani

Il cicloalcano più interessante dal punto di vista biologico è il cicloesano, che presenta due strutture possibili: a sedia (più stabile) e a barca (meno stabile).

In rosso sono evidenziati gli

idrogeni assiali, in nero quelli equatoriali.

1. I composti organici L’Isomeria

Si dicono isomeri i composti che hanno medesima formula bruta, ma che differiscono per:

• il modo in cui gli atomi si legano tra loro (isomeri di struttura);

• la disposizione spaziale (stereoisomeri).

1. I composti organici L’Isomeria

All’aumentare del numero di atomi di carbonio, aumenta il numero dei possibili isomeri.

1. I composti organici L’Isomeria

L’isomeria di posizione si ha quando una molecola presenta atomi diversi oltre a quelli di carbonio e idrogeno; questi atomi si possono legare in punti diversi della catena carboniosa:

La stereoisomeria è riferita alla diversa orientazione degli atomi nello spazio.

L’isomeria geometrica è connessa alla presenza di doppi legami nella molecola.

1. I composti organici L’Isomeria

Si dicono chirali tutti gli oggetti distinguibili dalla loro immagine speculare, ovvero non sovrapponibili a essa. Le tue mani sono un esempio di oggetti chirali.

L’atomo di carbonio tetraedrico è un centro chirale o stereocentro e forma due isomeri ottici detti enantiomeri.

1. I composti organici L’Isomeria

Gli enantiomeri hanno identiche proprietà chimiche e fisiche, e differiscono solo per l’attività ottica.

Gli enantiomeri infatti fanno ruotare dello stesso angolo, ma in direzione opposta, il piano della luce polarizzata (sono cioè antipodi ottici).

Il miscuglio al 50% di due enantiomeri è chiamato

racemo e non è otticamente attivo.

4. La nomenclatura degli idrocarburi saturi

La nomenclatura degli alcani prevede la desinenza -ano.

I primi quattro termini presentano nomi particolari poi, a partire, dalla catena a 5 atomi di carbonio, il prefisso è numerico.

Atomi di carbonio prefisso

1 met-

2 et-

3 prop-

4 but-

5 pent-

6 es-

Alcani – Nomenclatura

Alle catene idrocarburiche lineari si antepone n- al nome della catena.

4. La nomenclatura degli idrocarburi saturi

I carboni di una catena si identificano in primari, secondari, terziari o quaternari a seconda che siano legati rispettivamente a uno, due, tre o quattro atomi di carbonio.

Alcani – Nomenclatura

4. La nomenclatura degli idrocarburi saturi

Nelle catene ramificate si numerano gli atomi di carbonio in modo che i radicali sostituiti abbiano il numero più piccolo possibile.

Alcani – Nomenclatura

5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi

I composti appartenenti alla stessa serie omologa presentano:

• proprietà chimiche simili;

• proprietà fisiche differenti dipendenti dal peso molecolare e dalla forma della molecola.

Alcani – Proprietà

Il punto di ebollizione aumenta all’aumentare della massa molecolare.

Le catene lineari hanno punti di ebollizione superiori a quelli delle catene ramificate (le forze di London sono più deboli).

5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi

I punti di fusione sono superiori per le catene ramificate rispetto a quelle lineari.

Alcani e cicloalcani sono composti apolari e fungono da solventi per le sostanze apolari, come per esempio i grassi.

Alcani e cicloalcani sono insolubili in acqua perché non riescono a formare legami a idrogeno né legami dipolo-dipolo.

Alcani – Proprietà

5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi

Alcani e cicloalcani non sono particolarmente reattivi; tuttavia, in specifiche condizioni, vengono usati come combustibili perché danno reazioni di combustione con l’ossigeno.

Alcani – Reazioni

𝐶𝑛𝐻2𝑛+2 + 𝑂2 (𝑒𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜) → 𝑛𝐶𝑂2 + (𝑛 + 1)𝐻2𝑂

5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi

Alcani e cicloalcani in opportune condizioni reagiscono con gli alogeni, dando luogo a reazioni di alogenazione in cui uno o più idrogeni sono sostituiti da alogeni.

Alcani – Reazioni

5. Proprietà fisiche e chimiche degli idrocarburi saturi

REAZIONE DI SOSTITUZIONE RADICALICA.

Alcani – Reazioni

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini

Gli alcheni sono idrocarburi che presentano almeno un doppio legame nella molecola, ibridazione sp2, geometria planare e angoli di legame di 120°.

Gli alchini sono idrocarburi con almeno un triplo legame nella molecola, ibridazione sp, geometria lineare e angoli di legame di 180°.

Alcheni e Alchini

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini

La formula generale degli alcheni è CnH2n

La formula generale degli alchini è CnH2n-2

Alcheni e Alchini – Nomenclatura

La nomenclatura degli alcheni è simile a quella degli alcani, con il suffisso -ene.

La nomenclatura degli alchini segue quella degli alcani, con il suffisso -ino..

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini

Per attribuire il nome ad alcheni ed alchini, gli atomi di carbonio della catena vanno numerati in modo da indicare la posizione dei doppi legami o dei tripli legami e degli eventuali radicali presenti.

Alcheni e Alchini – Nomenclatura

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini

Se due gruppi diversi si trovano dalla stessa parte del piano rispetto al doppio legame, l’isomero si dice cis; se i due gruppi si trovano da parti opposte l’isomero si dice trans.

Gli isomeri cis-trans sono stereoisomeri.

Alcheni e Alchini – Isomeria

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini

Le reazioni caratteristiche degli alcheni e degli alchini sono quelle di addizione elettrofila in due stadi al doppio e al triplo legame.

Alcheni e Alchini – Reazioni

Gli elettrofili sono molecole o ioni che possono accettare un doppietto

elettronico.

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini

Un carbocatione si forma in seguito alla rottura di un legame quando il doppietto elettronico inizialmente condiviso è acquisito da uno solo dei due atomi.

Si definiscono nucleofili gli anioni e le molecole neutre con doppietti elettronici.

Alcheni e Alchini – Reazioni

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Alcheni e Alchini – Reazioni

La REGOLA DI MARKOVNIKOV afferma che quando un agente asimettrico si addiziona a un alchene asimettrico, la componente nucleofila si unisce all’atomo di carbonio più sostituito (legato al minor numero di atomi di

idrogeno).

6. Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini

Alcheni e alchini danno REAZIONI DI IDROGENAZIONE, ovvero sommano idrogeno al doppio o al triplo legame trasformandosi nei corrispondenti idrocarburi saturi.

Alcheni e Alchini – Reazioni

7. Gli idrocarburi aromatici

Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene, C6H6.

Composti Aromatici

Tutti gli idrocarburi aromatici presentano doppi legami delocalizzati nella molecola, che pertanto risulta particolarmente stabile.

7. Gli idrocarburi aromatici

Il benzene viene rappresentato come ibrido di risonanza di due forme limite che differiscono per la posizione dei doppi legami.

Composti Aromatici

7. Gli idrocarburi aromatici

La nomenclatura dei composti aromatici usa nomi tradizionali.

Composti Aromatici – Nomenclatura

pirene

7. Gli idrocarburi aromatici

Nei composti aromatici bisostituiti si formano isomeri che prendono i prefissi:

• orto- se sono legati a carboni adiacenti

• meta- se legati ai carboni 1 e 3

• para- se sono legati a carboni opposti.

Composti Aromatici - Nomenclatura

7. Gli idrocarburi aromatici

Le reazioni caratteristiche degli idrocarburi aromatici sono di sostituzione elettrofila aromatica e avvengono in due stadi.

Composti Aromatici – Reazioni

7. Gli idrocarburi aromatici

• Primo stadio: l’elettrofilo si lega al carbonio dell’anello insieme all’idrogeno, con formazione di un carbocatione.

• Secondo stadio: si distacca uno ione H+ e si forma il prodotto sostituito, elettricamente neutro.

Composti Aromatici – Reazioni

7. Gli idrocarburi aromatici Composti Aromatici – Reazioni

7. Gli idrocarburi aromatici Composti Aromatici – Reazioni

7. Gli idrocarburi aromatici I Gruppi Funzionali

I composti organici possono essere suddivisi in base al gruppo funzionale presente, che ne condiziona le caratteristiche.

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I composti monofunzionali contengono un solo gruppo funzionale nella loro molecola e danno le reazioni tipiche di quel gruppo.

I composti polifunzionali contengono più gruppi funzionali nella loro molecola e danno tutte le reazioni tipiche dei gruppi presenti.

I Gruppi Funzionali

I Gruppi Funzionali

Gruppi funzionali in chimica

organica elencati in ordine di

PRIORITÀ decrescente.

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Gli alogenuri alchilici e gli alogenuri arilici possono essere considerati derivati dalla sostituzione di un atomo di idrogeno, rispettivamente di un alcano a catena aperta o di un idrocarburo aromatico, con un atomo di un alogeno.

Danno REAZIONE DI SOSTITUZIONE:

Gli alogenuri alchilici e arilici

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15.3 Gli alcoli

Gli ALCOLI possono essere considerati derivati dagli alcani per sostituzione di un idrogeno con il gruppo ossidrilico ⎯ OH.

Hanno formula generale R ⎯ OH.

Si classificano in primari, secondari o terziari sulla base del numero di atomi di carbonio legati al carbonio che porta il gruppo ossidrilico.

Gli Alcoli

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Il gruppo ⎯ OH può formare legami idrogeno: gli alcoli a corta catena sono solubili in acqua, se aumenta

il numero degli atomi di carbonio la solubilità diminuisce. Gli alcoli a basso PM sono liquidi, quelli a lunga catena solidi.

La nomenclatura IUPAC prescrive il suffisso -olo.

Gli Alcoli

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Gli alcoli sono molto più reattivi degli alcani, perché la presenza dell’ossigeno provoca

una polarizzazione dei legami.

L’atomo di ossigeno del gruppo ossidrilico è nucleofilo e reagisce quindi con atomi elettrofili come i metalli alcalini.

Si forma uno ione alcossido (RO–), una base molto forte.

Gli Alcoli

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Gli alcoli sono preparati tramite riduzione catalitica delle aldeidi e dei chetoni e l’idrolisi alcalina

degli alogenuri alchilici.

Gli Alcoli

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Il metanolo è un importante solvente organico.

L’etanolo è utilizzato come disinfettante, come solvente, nei profumi e nei liquori.

Può essere ottenuto attraverso la fermentazione alcolica ad opera dei lieviti, che trasformano il glucosio.

Gli Alcoli

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Si chiamano polialcoli i composti con più gruppi alcolici.

I grassi e gli oli sono sostanze derivate dal glicerolo.

Il più importante polialcol è il glicerolo, detto comunemente glicerina, un comune componente delle creme per la pelle.

Gli Alcoli

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15.5 I fenoli I fenoli sono composti organici che hanno

nella molecola uno o più gruppi ossidrilici ⎯ OH legati a un anello benzenico.

A differenza degli alcoli sono ACIDI DEBOLI.

Il primo componente di questa classe di composti è chiamato fenolo.

I Fenoli

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Hanno formula generale R ⎯ SH.

Possono essere considerati derivati dall’acido solfidrico H2S per sostituzione di

un idrogeno con un radicale alchilico.

L’attività di molti enzimi è legata alla presenza di gruppi ⎯ SH.

I Tioli

Il gruppo funzionale dei TIOLI o TIOALCOLI è il gruppo sulfidrilico o tiolico ⎯ SH

in cui l’atomo di zolfo sostituisce quello di ossigeno.

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15.7 Gli eteri

Gli eteri hanno formula generale R ⎯ O ⎯ R′. I due radicali R e R′ possono essere uguali o diversi

Non formano legami idrogeno, per cui, essendo poco polari la loro solubilità in acqua è limitata

e la temperatura di ebollizione è bassa. Sono poco reattivi e il loro uso

è in genere quello di solvente organico. Il più importante è l’etere etilico.

Gli Eteri

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15.8 Le aldeidi

L’atomo di carbonio è legato ad almeno un atomo di idrogeno.

Le aldeidi hanno formula generale R ⎯ CHO

e il gruppo ⎯ CHO è chiamato gruppo aldeidico.

Le Aldeidi

Le aldeidi sono composti organici caratterizzati dal gruppo carbonilico

La nomenclatura IUPAC assegna alle aldeidi

il suffisso -ale.

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Le Aldeidi

Le aldeidi, che possono essere prodotte per deidrogenazione di un alcol primario

e a loro volta si ossidano ad acido carbossilico:

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15.8 Le aldeidi Le aldeidi subiscono, in genere, le reazioni

di addizione caratteristiche del doppio legame.

L’ossigeno del gruppo aldeidico lega la parte elettrofila del reagente, la cui parte nucleofila si lega al carbonio.

Si forma un emiacetale.

Le Aldeidi

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15.8 Le aldeidi

Le aldeidi possono essere facilmente ridotte ad alcoli primari in presenza di catalizzatori

e di agenti riducenti, come idruri o idrogeno molecolare:

La più semplice aldeide è il metanale H ⎯ CO, detto comunemente formaldeide, un gas incolore

di odore pungente, solubilissimo in acqua. La sua soluzione acquosa è chiamata formalina.

Le Aldeidi

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15.9 I chetoni

Anche i chetoni contengono il gruppo carbonilico.

Nei chetoni il carbonio del gruppo carbonilico è legato

attraverso due legami singoli a due atomi di carbonio.

I Chetoni

La nomenclatura IUPAC prescrive il suffisso -one.

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15.9 I chetoni

Da un chetone ridotto con idrogeno si ottiene un alcol secondario:

I Chetoni

L’acetone è un liquido volatile, di odore grato, infiammabile e molto solubile in acqua.

È un ottimo solvente per molti composti organici, per vernici, lacche e celluloide.

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Il gruppo carbossilico ⎯ COOH è il gruppo funzionale degli acidi carbossilici, che hanno formula generale R ⎯ COOH.

La nomenclatura IUPAC assegna agli acidi carbossilici il suffisso -oico aggiunto al nome dell’alcano di partenza, preceduto dal termine acido.

Gli Acidi Carbossilici

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15.10 Gli acidi carbossilici

Gli acidi carbossilici sono acidi deboli, che trattati con una base formano un sale e acqua:

Gli acidi carbossilici hanno in genere punti di ebollizione elevati, in quanto possono stabilire legami idrogeno:

Gli Acidi Carbossilici

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Gli acidi si ottengono per ossidazione di un alcol primario o di un’aldeide:

Gli acidi danno luogo a reazioni di sostituzione formando nuove classi di sostanze.

Gli Acidi Carbossilici

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Gli Acidi Carbossilici

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15.11 Gli acidi carbossilici più importanti

L’acido formico H ⎯ COOH è stato chiamato così perché isolato per la prima volta dalle formiche.

L’azione irritante delle punture di molti insetti e delle ortiche è dovuta appunto all’acido formico.

L’acido acetico CH3 ⎯ COOH

è stato isolato per la prima volta dall’aceto, di cui costituisce dal 5 al 7%.

Acido formico e acido acetico sono solubili in acqua

in tutte le proporzioni.

Gli Acidi Carbossilici

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L’acido propionico CH3CH2 ⎯ COOH si forma nella maturazione dei formaggi.

Uno dei componenti caratteristici del burro è

un derivato dell’acido butirrico CH3CH2CH2 ⎯ COOH.

L’acido benzoico C6H5 ⎯ COOH è il più semplice acido carbossilico aromatico.

Un suo importante derivato è l’acido acetilsalicilico, l’aspirina.

Gli Acidi Carbossilici

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15.11 Gli acidi carbossilici più importanti

Importanti acidi bicarbossilici sono:

Tra gli acidi tricarbossilici ricordiamo l’acido citrico, che conferisce l’aroma e l’acidità al succo di limone.

Gli Acidi Carbossilici

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15.13 Gli esteri e le anidridi acide

Gli esteri sono composti che derivano dagli acidi carbossilici e hanno formula generale R ⎯ C(=O)O ⎯ R′.

Il nome si ottiene aggiungendo il suffisso -ato al tema dell’acido corrispondente,

seguito dal nome del radicale proveniente dall’alcol.

Si ottengono dalla reazione di esterificazione di un acido carbossilico con un alcol:

Gli Esteri e le Anidridi

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Una classe importante di derivati degli acidi carbossilici è rappresentata dalle anidridi acide.

Il termine anidride significa «senza acqua». Le anidridi acide si possono formare dalla condensazione

di un acido carbossilico con se stesso, eliminando una molecola d’acqua:

Gli Esteri e le Anidridi

73

15.14 Le ammine

Le ammine sono derivati organici dell’ammoniaca NH3.

Se sostituiamo uno, due o tutti e tre gli atomi di idrogeno dell’ammoniaca con uno, due o tre radicali, abbiamo rispettivamente le ammine primarie,

secondarie e terziarie:

Le Ammine

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A causa del doppietto elettronico sull’atomo di azoto le ammine sono basiche

e l’atomo di azoto è un nucleofilo.

L’anilina C6H5NH2 è uno dei prodotti base per la preparazione di colori, coloranti

e sostanze farmaceutiche.

Le Ammine

Le ammine reagiscono con gli acidi carbossilici e dalla loro unione per

condensazione si ottiene una famiglia di composti, le ammidi, caratterizzati

dal gruppo funzionale R — CO — NH2.

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Il processo di formazione di grandi molecole con elevato peso molecolare a partire da piccole unità

è detto polimerizzazione.

Le grandi molecole ad altissimo peso molecolare che si formano a partire dalla singola unità,

detta monomero, sono i polimeri.

A seconda delle condizioni in cui si svolge la reazione di polimerizzazione

si ottengono polimeri con caratteristiche diverse.

I Polimeri

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A seconda del meccanismo con cui avviene la polimerizzazione si possono avere due tipi di polimeri:

i polimeri di addizione, se la polimerizzazione avviene a seguito della trasformazione

di doppi legami in legami semplici;

i polimeri di condensazione quando si uniscono monomeri con gruppi funzionali diversi,

che reagiscono eliminando molecole d’acqua.

In base ai loro usi e alle loro proprietà, i polimeri sono classificati come: materiali gommosi o elastomeri; film flessibili; tessuti sintetici e fibre; resine o plastiche.

I Polimeri

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Nei polimeri di addizione, se il monomero è un composto insaturo come l’etene (CH2 = CH2),

il doppio legame si rompe e si ottengono due atomi di carbonio con un elettrone spaiato.

Si ha un’addizione radicalica.

I Polimeri

78

Alcuni composti chiamati perossidi organici R — O — O — R

sono utilizzati come iniziatori di reazioni di polimerizzazione radicalica.

Quando gli alcheni di base sono diversi si forma un copolimero.

I Polimeri

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I Polimeri

80

I Polimeri

83

I Polimeri