CHIMICA ORGANICA Studia tutti i composti contenenti atomi di carbonio (ad eccezione di pochi ossidi e acidi)

CHIMICA ORGANICA

Studia tutti i composti contenenti atomi di carbonio (ad eccezione di pochi ossidi e acidi)

Perché si parla di

«Organica»?

Perché inizialmente le molecole che son state analizzate erano state estratte da organismi viventi.

Wohler (1800- 1882) riesce ad estrarre l’urea, una sostanza organica, attraverso un reagente inorganico, il cianato

d’ammonio.

Senza l’intervento di nessuna forza magica.

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ATOMO PROTAGONISTA: CARBONIO

- Ha una notevole tendenza a legarsi sia con altri atomi di C che con altri atomi.

Il legame C-C è molto stabile ed è il motivo per cui è in grado di formare un numero elevato di composti.

- È in grado di creare legami doppi e tripli con se stesso. Riesce a legarsi anche con azoto, fosforo, ossigeno.

Di conseguenza esistono molti composti in cui non è legato con l’ossigeno.

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Rappresentazione di un composto organico

FORMULA MOLECOLARE (anche detta formula

bruta o formula grezza)

Si indica con il simbolo dell’elemento solo quali e quanti atomi (con pedice numerico) costituiscono la molecola del composto.

FORMULE DI

STRUTTURA e FORMULA RAZIONALE

Si indicano le formule che mostrino i legami che intercorrono tra gli atomi proiettandoli su di un piano o orientandoli nello spazio

mediante una simbologia convenzionale codificata.

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Isomeri (di struttura): formule molecolari di un composto che è comune a più composti.

Tipologie:

ISOMERI DI CATENA

ISOMERI DI FUNZIONE

ISOMERI DI POSIZIONE

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Isomeri di struttura

Isomeri di posizione

Isomeri di funzione

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1) Na ₂ CrO ₄ + H ₂ SO ₄ → Na ₂ Cr ₂ O ₇ + Na ₂ SO ₄ + H ₂ O

2) NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O

Analisi

+1 +6 -2 +1 +6 -2 +1 +6 -2 +1 +6 -2 +1 -2

1)

Na

CrO

+ H

SO

→ Na

Cr

O

+ Na

SO

+ H

O No redox

2Na

CrO

+ H

SO

→ Na

Cr

O

+ Na

SO

+ H

O

NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O

+1 +1 +4 -2 +1 +4 -2 +4 -2 +1 -2

NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O No redox

2NaHCO ₃ → Na ₂ CO ₃ + CO ₂ + H ₂ O

CO + I ₂ O ₅ → CO ₂ + I ₂

CO + I ₂ O ₅ → CO ₂ + I ₂

+2 -2 +5 -2 +4 -2 0

CO + I ₂ O ₅ → CO ₂ + I ₂

Redox

Ox (C)= 1 x 2e-= 2e- n(C)= 5

Rid (I)= 2 x 5 e-= 10 e- n(I) = 1 Quindi:

5CO + 1I ₂ O ₅ → CO ₂ + I ₂

5CO + 1I ₂ O ₅ → 5CO ₂ + I ₂

Calcolare quanti grammi di sodio e di azoto sono presenti in 15,30g di sodio nitrato

(NaNo ₃ )

Svolgimento

m.a (N) = 14,01 m.a(Na) = 22,99 m.m(NaNO₃) = 85,00 mol(NaNO₃) = ^15,3𝑔

85 ^𝑔

𝑚𝑜𝑙

= 0,18 mol M(N)= 0,18 mol x 14,01 ^𝑔

𝑚𝑜𝑙= 2,52 g M(Na) = 0,18 mol x 22,99 ^𝑔

𝑚𝑜𝑙= 4,14 g Per l’ossigeno come si potrebbe fare?

VALENCE BOND (VB)

Permette di descrivere la

sovrapposizione degli orbitali atomici occupati da e- singoli aventi spin

antiparalleli.

È necessario che gli atomi considerati abbiano elettroni spaiati.

Esempio del Cl_2::

Configurazione elettronica Cl [Ne]3s²3p⁵

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IBRIDAZIONE:

Per favorire la formazione di un legame covalente è necessario la sovrapposizione di orbitali atomici singoli convenienti

spaiati.

- STATO FONDAMENTALE:

- ENERGIA DI PROMOZIONE: l’energia necessaria per eccitare l’atomo di C dallo stato 2s2p2 allo stato 2s12p3

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IBRIDAZIONE:

processo che consiste nella combinazione lineare delle funzioni d’onda relative ai 4 orbitali atomici per ottenere le funzioni d’onda di quattro orbitali ibridi aventi la stessa forma e la stessa energia.

ENERGIA DI IBRIDAZZAZIONE: energia necessaria per portare il carbonio dallo stato eccitato allo stato ibridizzato.

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Gli ANGOLI DI LEGAME

Angolo formato dagli assi congiungenti i nuclei degli atomi legati. È una delle caratteristiche fondamentali del legame chimico.

Esso dipende dalla geometria della

molecola e dall'entità di certe repulsioni elettrostatiche, come quelle esercitate dai doppietti elettronici non condivisi.

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ibridazione nome angolo Sovrapposizione Orbitali sp³ Ibridi

tetraedrici

109° 28’ Quattro orbitali sp³ a partire da un orbitale s pieno ed orbitale p con due elettroni.

Orbitali sp² Ibridi trigonali 120° Tre orbitali sp² a partire da un orbitale s pieno e due orbitale p.

Orbitali sp Ibridi digonali 180° Due orbitali sp a partire da un orbitale s ed un orbitale p.

Es Berillio

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Riassunto

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Molecole con legami multipli

Nella formazione di un legame σ un atomo impiega quasi sempre

orbitali ibridi, mentre nella

formazione dei legami π vengono utilizzati esclusivamente orbitali atomici di tipo p o d.

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Nel caso dell’azoto

• Il legame diventa più forte maggiore è la sovrapposizione degli orbitali.

• - Il legame σ è il primo tipo di legame ed è il legame congiungente tra i due nuclei.

• - Il legame π è l’altra tipologia di legame data dalla sovrapposizione degli orbitali p_y e p_z, su due zone che si trovano

rispettivamente sopra e sotto la congiungente dei due nuclei.

• Qual è il legame più forte tra σ e π?

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RISONANZA: fenomeno che permette di

rappresentare una molecola con più strutture che differiscono tra loro per una diversa

disposizione di elettroni all’interno della molecola

STRUTTURE LIMITE DI RISONANZA:

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Valence shell electron pair repulsion (VSEPR)

TEORIA: le coppie di elettroni attorno ad un atomo centrale si dispongono sempre nello stesso modo, indipendentemente dal fatto che siano costituite da elettroni di legame o da elettroni solitari.

GEOMETRIE DELLE MOLECOLE: AX_mE_n A= atomo centrale;

X= atomi legati all’atomo centrale; m= numero di atomi riferito a X;

E= coppie solitarie; n = numero riferito ad E.

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VSEPR

NUMERO STERICO: numero di atomi legati all'atomo centrale della molecola più il

numero di coppie solitarie di elettroni dell'atomo centrale.

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Geometria delle

molecole e polarità delle molecole

INGOMBRO STERICO: fenomeno prodotto dalla repulsione elettrostatica reciproca tra le nubi degli atomi e dei legami che formano una molecola dovuta

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ISOMERI SPAZIALI

(STEREOISOMERI): le molecole nelle tre

dimensioni dello spazio.

• ENANTIOMERI: isomeri speculari ma non

sovrapponibili.

• MOLECOLA CHIRALE:

molecola che per riflessione in un piano dà un’immagine non sovrapponibile. Presenta due enantiomeri

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• CENTRO STEREOGENICO: l’atomo di carbonio legato a quattro gruppi diversi.

N.B.: in una molecola ci possono

essere più centri stereogenici. In quel caso non è detto che la molecola nel complesso sia chirale, ma può dare luogo ad una isomeria ottica.

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DIASTEREOISOMERI: stereoisomeri non speculari e non sovrapponibili.

• Come si originano?

Per rotazione impedita attorno ad un legame.

- Cis: i gruppi sostituenti si trovano dallo stesso lato.

- Trans: i gruppi sostituenti si trovano su lati opposti.

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Rappresentazione delle strutture del carbonio

• LINEARI ^• RAMIFICATE

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Classificazione del Carbonio in un composto

Gli atomi di carbonio in una catena possono essere distinti in:

- PRIMARIO: se legato direttamente ad un atomo di C.

- SECONDARIO: se legato

direttamente a due atomi di C.

- TERZIARIO: se legato direttamente a tre atomi di C.

- QUATERNARIO: se legato

direttamente a quattro atomi di C.

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NOMENCLATURA IUPAC:

1. Si sceglie come struttura di base del nome dell’idrocarburo la catena idrocarburica lineare più lunga presente nella molecola.

2. Si numera la catena dall’estremità più vicina ad una ramificazione.

3. Si assegna il nome ad ogni gruppo idrocarburico delle ramificazioni della catena.

4. Se uno stesso gruppo compare più volte, è necessario aggiungere il prefisso di-, tri-, tetra-, ecc. a seconda che i gruppi alchilici presenti siano due, tre, quattro, ecc.

5. Si forma il nome facendo precedere al nome dell’idrocarburo fondamentale quello dei gruppi di ramificazione.

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ESEMPIO

1. Catena principale: eptano

2. Numerazioni possibili:

Da sinistra= 2,3 Da destra= 5,6

3. Si sceglie la prima: 2,3

4. Nome dei sostituenti: metile, etile

5. Nome del composto: 3etile, 2metileptano

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Composti organici e la loro suddivisione in classi

Idrocarburi

Saturi

Alcani

Solo legami semplici carbonio-

carbonio

Insaturi

Alcheni

Uno o più doppi legami carbonio-

carbonio

Alchini

Uno o più tripli legami carbonio-

carbonio

Aromatici

Uno o più anelli di tipo benzenico

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DIFFERENZA TRA

• SATURO:

Composti che contengono solo legami semplici.

Sono inclusi solo gli alcani.

• INSATURO:

Composto organico contenente uno o più doppi o tripli legami (C-C) e/o

sistemi aromatici.

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Ulteriori distinzioni

• ALIFATICO: idrocarburi saturi e insaturi in cui il legame C-C ha una sequenza lineare, ramificata.

• CICLOALIFATICI: per quello che riguarda le strutture cicliche.

• AROMATICO: idrocarburi insaturi che sono caratterizzati dalla presenza di un anello esagonale di legami C-C. Es:

benzene,C₆H₆.

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ALCANO

NOMENCLATURA:

Il nome sistemico - Per i primi quattro è:

Metano (CH₄), etano (C₂H₆), propano (C₃H₈), butano (C₄H₁₀).

- Dal quinto in poi il nome si ottiene facendo seguire alla radice del sostantivo greco che indica il numero di atomi di C il suffisso –ano.

Pentano (C₅), esano (C₆), eptano (C₇), ottano (C₈), nonano (C₉), decano (C₁₀).

Formula generale:

C _n H _2n+2

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Ibridazione dell’alcano

Il C è ibridizzato e i quattro orbitali sp³ sono diretti verso i vertici di un tetraedro regolare.

Sono presenti solo legami σ.

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CICLOALCANO

• Gli atomi di C si possono disporre in maniera da formare un anello chiuso o ciclo.

• A ciascun C sono legati due atomi H. si ha una sovrapposizione di orbitali sp³.

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ALCHENI

Idrocarburi insaturi, caratterizzati da un doppio legame C=C.

NOMENCLATURA:

Il nome deriva da quello degli alcani, modificando il suffisso –ano in –ene.

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NOMENCLATURA IUPAC:

Il numero del carbonio coinvolto nel

doppio legame è indicato prima del nome del composto.

Descrivere isomeria di:

- POSIZIONE, indicando la posizione del doppio legame;

- GEOMETRIA, indicando la posizione dei sostituenti. In cis se i sostituenti sono sullo stesso lato, in trans se sono su lati opposti.

Ibridazione degli alcheni

L’ibridazione è data da una sovrapposizione sp².

- Il legame σ C-C è formato dalla sovrapposizione di due orbitali sp;

- Il legame π C-C è formato dalla

sovrapposizione di due orbitali p non ibridizzati appartenenti ai due atomi di C.

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Cicloalcheni

Gli atomi di C si possono disporre in maniera da formare un anello chiuso o ciclo.

NOMENCLATURA:

Considerare il carbonio 1 e 2 della struttura ciclica, dove si ha il doppio legame.

Formula generale:

C _n H _2n-2

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Dieni

Idrocarburi insaturi con due doppi legami fra atomi di carbonio.

NOMENCLATURA:

Il loro nome si costruisce in modo analogo a quanto visto per gli alcani, utilizzando però la desinenza –diene.

In questo caso il carbonio è ibridizzato in sp, in sp²e in sp³.

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ALCHINI

Idrocarburi insaturi che presentano un legame triplo C-C.

NOMENCLATURA:

Il loro nome si costruisce in modo analogo a quanto visto per gli alcani, utilizzando però la desinenza –ino.

Si indica anche la posizione del triplo legame.

Formula generale:

C _n H _2n-2

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Ibridazione degli alchini

L’ibridazione è data da una sovrapposizione sp².

- Il legame σ C-C è formato dalla sovrapposizione di due orbitali sp;

- I due legami π C-C sono formati dalla sovrapposizione di due orbitali p non ibridizzati appartenenti ai due atomi di C

- ciascuno dei due legami C-H è formato dalla sovrapposizione di un orbitale sp con un orbitale 1s dell’atomo H.

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IDROCARBURI AROMATICI

Idrocarburi altamente insaturi.

Il più semplice dei quali è il benzene (C₆H₆).

La lunghezza di legame tra atomi C è uguale a 1,39 ed è un valore intermedio tra quella di un legame singolo tra atomi ibridizzati sp2 (1,47) e quello di un legame doppio (1,33).

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Ibridazione dei gruppi aromatici

- I sei atomi di C sono ibridizzati sp²;

- Per ogni atomo di C, due dei tre orbitali sp²sono impegnati nella formazione di due legami semplici C-C di tipo σ con gli atomi vicini, il terzo orbitale sp² forma il legame semplice C-H di tipo σ con l’orbitale 1s dell’H;

- I sei orbitali p non ibridizzati degli atomi C contenenti ciascuno un elettrone formano un sistema di legame π «delocalizzato» su tutta la molecola

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Funzionalizzazione degli anelli aromatici

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SIMBOLOGIA:

idrocarburo alifatico R—H

indica qualsiasi catena satura o insatura a partire dal semplice gruppo metile a

strutture più complesse.

Idrocarburo aromatico Ar — H

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indica qualsiasi catena insatura a partire dal semplice composto del benzene.

Gruppi funzionali

Sono atomi o gruppi di atomi caratteristici che impartiscono particolari proprietà

chimiche ai composti che li contengono.

Secondo il tipo di gruppo funzionale presente nella molecola, le sostanze organiche vengono considerate in serie

omologhe, i cui termini presentano analogie nel comportamento chimico e nelle

proprietà fisiche, in quanto presentano lo stesso gruppo funzionale.

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ALCOLI

NOMENCLATURA IUPAC:

Trasformazione del suffisso –o dell’

alcano da cui si può formalmente derivare l’alcool in –olo.

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R - OH

Proprietà

• Gli alcooli presentano una buona solubilità in solventi polari come ad esempio l’acqua, ma essa tende a diminuire all’aumentare del numero di atomi C.

• Sono anfoteri.

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ETERI

NOMECLATURA:

- Si ottiene facendo precedere la

parola etere ai nomi delle due catene carboniose R (formato come negli idrocarburi dal prefisso indicante il numero di atomi di C, seguito dalla desinenza –ile.

- Oppure il termine etere può seguire il nome delle due catene carboniose.

R- O-R

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ALDEIDI & CHETONI

• Se l’atomo di C è legato ad un solo gruppo alchilico o arilico.

NOMENCLATURA:

Si ottiene sostituendo l’ultima vocale del nome dell’idrocarburo corrispondente con il suffisso –ale. Nel nome delle molecole due gruppi aldeidici la

desinenza sarà –diale (di =2), con tre gruppi aldeidici sarà –triale (3), etc

• Se l’atomo di C è legato a due gruppi sia alchilici che arilici. Non

necessariamente uguali tra loro.

NOMENCLATURA:

Si usa il suffisso –one che si pone al posto della o degli idrocarburi saturi, indicando con un numero la posizione del gruppo carbonilico. Nel nome delle molecole due gruppi chetonici la desinenza sarà –dione (di =2), con tre gruppi aldeidici sarà –triale etc

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I composti caratterizzati dall’avere il gruppo funzionale C=O

Esempi

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Gruppo funzionale acido: -COOH

Si tratta dell’acido carbossilico o carbossile.

NOMENCLATURA IUPAC:

si ottiene sostituendo il suffisso –oico all’ultima vocale del nome

dell’idrocarburo corrispondente che si fa precedere dal sostantivo acido.

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Spiegazione delle proprietà acide:

Le proprietà acide manifestano in modo simile a quanto avviene per gli acidi inorganici.

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R-COOH + H

O ⇌ R-COO

+ H

O

carbossilato metanoato

ESTERE

• REAZIONE DI ESTERIFICAZIONE: si tratta di una reazione tra un acido ed un alcool con il rilascio di una molecola d’acqua tra l’ossidrile di un gruppo

carbossilico e quello di un alcool.

R-COOH + HO-R → R-COO-R + H

O

acido

alcool

estere

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Quindi:

• NOMENCLATURA IUPAC:

È necessario cambiare il suffisso

dell’acido (-oico) in –oato e far seguire il nome del gruppo R, costituito dal nome del prefisso indicante il numero di atomi di carbonio della catena lineare che lo costituisce e la desinenza –ile.

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AMMINE

• Sono composti derivanti formalmente dall’ammoniaca. L’N è ibridizzato sp³.

I legami N-R riguardano la sovrapposizione di orbitali sp³.

• È possibile individuare tre tipi di AMMINE, sulla base della sostituzione dell’H con gruppi R:

AMMINA PRIMARIA: un solo atomo di H sostituito con gruppo R.

AMMINA SECONDARIA: due atomi di H sostituiti con R e R’.

AMMINA TERZIARIA: tre atomi di H sostituito con R, R’ e R’’.

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•

Nomenclatura IUPAC:

Si indicano in ordine alfabetico i nomi dei radicali legati all’atomo di azoto seguito da –ammina.

Si tratta di composti con proprietà basiche come l’ammoniaca.

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Ammidi

• Sono composti derivati dagli acidi carbossilici per sostituzione di un gruppo –OH con un

gruppo –NH2.

• NOMENCLATURA IUPAC:

Si deve utilizzare il nome dell’acido carbossilico, sostituendo il suffisso –oico con ammide.

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Composti aromatici eterociclici

• Tutti composti organici contenenti una struttura ciclica di atomi di carbonio in cui è presente un eteroatomo.

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