Dalla Struttura delle molecole alle proprietà delle sostanze Mario Rippa – La Chimica di Rippa Dalla Struttura delle molecole alle proprietà delle sostanze Secondo biennio

Capitolo 22 Le proprietà dei composti organici 22.1 La chimica del carbonio 22.2 Le proprietà dell’atomo di carbonio 22.3 L’isomeria nei composti organici 22.4 La forza dei legami nei composti organici 22.5 I gruppi funzionali 22.6 La reattività del carbonio 22.7 La reattività dei doppi legami 22.8 Atomi nucleofili e elettrofili e reazioni organiche 22.9 Proprietà fisiche dei composti organici 22.10 Nomenclatura dei composti organici

22.1 La chimica del carbonio A partire dalla fine del Settecento la chimica fu divisa in chimica organica e chimica inorganica. La chimica organica studiava i composti derivanti dagli organismi viventi. La chimica inorganica studiava i composti derivanti dal mondo minerale. Nel 1828, il chimico tedesco Friedrich Wöhler dal riscaldamento di un composto inorganico ottenne l’urea, un composto organico.

22.1 La chimica del carbonio Questo risultato mostrò che era possibile preparare artificialmente composti derivati o che fanno parte di organismi. La chimica organica è la chimica dei composti del carbonio. I composti organici sono diffusissimi. Cosmetici, profumi e farmaci sono prodotti costituiti da molecole organiche.

21.2 Le proprietà dell’atomo di carbonio Tra tutti gli elementi chimici solo 18 sono presenti negli organismi e 6 elementi rappresentano oltre il 99% del numero totale degli atomi che compongono i sistemi viventi. Si tratta di idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo.

21.2 Le proprietà dell’atomo di carbonio I loro atomi hanno tutti un piccolo volume atomico e un valore di elettronegatività abbastanza simile. Tra essi si possono stabilire perciò legami covalenti particolarmente forti e stabili. Gli atomi di carbonio, di azoto e di ossigeno possono formare legami singoli e legami doppi; il carbonio e l’azoto anche tripli.

21.2 Le proprietà dell’atomo di carbonio Gli aspetti più significativi e peculiari del carbonio sono: può formare quattro legami covalenti; può formare legami singoli, doppi o tripli; ha una grande tendenza alla concatenazione; ha un valore medio di elettronegatività e forma legami covalenti polari con atomi di altri elementi.

21.2 Le proprietà dell’atomo di carbonio Un composto organico è classificato come saturo se contiene solo legami singoli, insaturo se possiede uno o più legami multipli. Le catene di atomi di carbonio possono essere: lineari, ramificate, aperte, chiuse. Lineare aperta CH3 CH2 Lineare chiusa Ramificata CH

22.3 L’isomeria nei composti organici Il fenomeno per cui due o più composti, pur avendo la stessa formula molecolare, hanno diverse proprietà fisiche o chimiche a causa della differente disposizione nello spazio degli atomi è chiamato isomeria. Gli isomeri sono composti che hanno la stessa formula molecolare, ma differente formula di struttura.

22.3 L’isomeria nei composti organici H H H H H Normal-pentano H C C C C C H H H H H H H C Pentano C5H12 Iso-pentano H C Neo-pentano

22.3 L’isomeria nei composti organici Si conoscono più forme di isomeria, a seconda del tipo di differenza che esiste tra i composti aventi la stessa formula molecolare. ISOMERIA Isomeria di struttura Stereoisomeria Isomeria di catena di posizione di gruppo funzionale Isomeria di conformazione geometrica ottica

22.3 L’isomeria nei composti organici I composti che differiscono per il modo in cui gli atomi sono legati sono gli isomeri di struttura. Gli isomeri di catena sono composti che differiscono per l’organizzazione della catena carboniosa.

22.3 L’isomeria nei composti organici Gli isomeri di posizione sono composti che differiscono per la posizione, nella catena, di gruppi chimici o di doppi legami.

22.3 L’isomeria nei composti organici Gli isomeri di gruppo funzionale sono composti dove gli atomi sono legati in modo da formare gruppi atomici con funzionalità diverse.

22.3 L’isomeria nei composti organici Gli stereoisomeri sono composti che hanno la stessa connessione tra gli atomi, ma una loro diversa disposizione spaziale. Gli isomeri conformazionali sono composti che differiscono solo per l’orientazione reciproca nello spazio dei gruppi chimici e che possono liberamente trasformarsi l’uno nell’altro. L’etano è composto da 2 atomi di carbonio e 6 atomi di idrogeno. La formula di struttura è CH3 ⎯ CH3. I due gruppi CH3 sono liberi di ruotare intorno al legame singolo (A) e danno così origine a isomeria conformazionale. Un gruppo può nascondere l’altro (B), disporsi in modo sfalsato (C), oppure occupare qualsiasi posizione intermedia.

22.3 L’isomeria nei composti organici Gli isomeri cis-trans o isomeri geometrici sono due composti che differiscono per la posizione spaziale degli atomi adiacenti a due atomi di carbonio legati da un doppio legame. Se le parti uguali si trovano dallo stesso lato rispetto al doppio legame si ha la forma cis, se si trovano una da un lato e una dall’altro si ha la forma trans.

22.3 L’isomeria nei composti organici Gli isomeri ottici sono due composti che sono l’uno immagine speculare dell’altro, ma non sono sovrapponibili. Una molecola che non è sovrapponibile con la sua immagine speculare è detta chirale. L’isomeria ottica si ha se la molecola possiede un centro chirale, cioè un atomo di carbonio legato a quattro gruppi atomici diversi. Due isomeri ottici A e B sono speculari, cioè B è l’immagine che darebbe A riflesso in uno specchio. Come le nostre mani, i due isomeri ottici rappresentati a destra sono forme chirali, in quanto non sono sovrapponibili l’uno all’altro.

22.4 La forza dei legami nei composti organici La maggior parte dei legami chimici presenti nei composti organici sono legami C ⎯ C e C ⎯ H che sono legami covalenti forti, per cui composti che contengono solo atomi di carbonio e idrogeno sono poco reattivi. Se introduciamo un atomo di un elemento diverso alcuni legami vengono indeboliti.

22.4 La forza dei legami nei composti organici Nell’acetone gli elettroni del carbonio centrale sono spostati verso l’ossigeno; il carbonio centrale, diventato parzialmente positivo, attira elettroni da un atomo di carbonio adiacente, che a sua volta attrae elettroni da un atomo di idrogeno. Questa serie di passaggi indebolisce il legame C ⎯ H. L’idrogenione può essere facilmente ceduto a una base forte e si forma un carbanione.

22.5 I gruppi funzionali La reattività e il tipo di reazioni di un composto organico non dipendono dalle caratteristiche della catena carboniosa, ma dai gruppi atomici legati ad essa, conosciuti come gruppi funzionali. Si chiama gruppo funzionale di un composto organico quel gruppo atomico che determina la reattività e il tipo di reazioni del composto.

22.5 I gruppi funzionali

22.5 I gruppi funzionali

22.5 I gruppi funzionali

22.6 La reattività del carbonio L’atomo di carbonio può andare incontro a tantissimi tipi di reazioni. In una reazione di ossidazione aumenta il numero di atomi di ossigeno contenuti nella molecola o diminuisce il numero di atomi di idrogeno.

22.6 La reattività del carbonio In una reazione di riduzione aumenta il numero di atomi di idrogeno contenuti nella molecola o diminuisce il numero di atomi di ossigeno.

22.6 La reattività del carbonio Nelle reazioni di sostituzione un atomo di un’altra molecola prende il posto di un atomo della molecola organica. Una reazione di sostituzione può essere considerata come una reazione di doppio scambio.

22.6 La reattività del carbonio Nelle reazioni di eliminazione un reagente si scinde in due prodotti e uno dei due è allontanato. Una reazione di eliminazione può essere considerata come una reazione di decomposizione.

22.6 La reattività del carbonio Nelle reazioni di addizione due reagenti si uniscono per formare un unico prodotto. Si tratta della reazione inversa rispetto a quella di eliminazione e riguarda il passaggio da composti insaturi a saturi.

22.7 La reattività dei doppi legami Tra due atomi legati da un doppio legame vi è una densità elettronica doppia di quella presente tra due atomi legati con un legame semplice; ciò significa che vi è una maggiore energia. Dato che tutti i sistemi tendono a raggiungere la minore energia possibile i doppi legami tendono a divenire legami semplici.

22.7 La reattività dei doppi legami I composti insaturi, cioè quelli con doppi o tripli legami, tendono a divenire composti saturi addizionando altri atomi.

22.8 Atomi elettrofili e nucleofili e reazioni organiche I gruppi funzionali contengono atomi che hanno elettronegatività maggiore di quella del carbonio. Questi atomi assumono una parziale carica negativa, mentre l’atomo di carbonio assume una parziale carica positiva. L’atomo con carica elettrica negativa si chiama nucleofilo, l’atomo con carica elettrica positiva prende il nome di elettrofilo.

22.8 Atomi elettrofili e nucleofili e reazioni organiche Sono nucleofili gli atomi con carica negativa degli anioni CN–, ⎯ S–, gli atomi di ossigeno dei gruppi ⎯ OH, ⎯ CHO, ⎯ CO ⎯ e l’atomo di azoto dei gruppi ⎯ NH2 e ⎯ NH ⎯. Sono invece elettrofili, per esempio, lo ione H+, l’atomo di carbonio del gruppo ⎯ COO– e dei gruppi ⎯ CHO e ⎯ CO ⎯. Un atomo nucleofilo tende a reagire con un elettrofilo e viceversa, in modo che le cariche elettriche opposte si neutralizzino.

22.8 Atomi elettrofili e nucleofili e reazioni organiche I composti X — A — B e C — D — X reagiscono tra loro. L’atomo A, nucleofilo, si lega all’atomo C, elettrofilo; l’atomo B, elettrofilo, si lega all’atomo D, nucleofilo. Si rompono legami nei reagenti e se ne formano nuovi tra i prodotti.

22.8 Atomi elettrofili e nucleofili e reazioni organiche La reazione inizia in corrispondenza degli atomi elettrofili e nucleofili dei reagenti. In tratteggio rosso i legami in via di rottura; in tratteggio verde i legami in via di formazione. Il gruppo — OH di un composto si somma al gruppo — CHO dell’altro composto. X e X’ indicano le catene carboniose dei due composti.

22.9 Proprietà fisiche dei composti organici Lo stato fisico, solido, liquido o aeriforme, di un composto dipende dalla forza e dal numero dei legami intermolecolari che si possono stabilire tra le molecole del composto. All’aumentare del numero degli atomi e del peso molecolare aumenta il numero dei legami da rompere e quindi è necessaria più energia. Composti organici dello stesso tipo hanno temperature di fusione e di ebollizione tanto più alte, quanto maggiore è il peso molecolare.

22.9 Proprietà fisiche dei composti organici

22.9 Proprietà fisiche dei composti organici Un composto organico è solubile in acqua, se contiene gruppi ionici, come ⎯ COO–, ⎯ NH3+, ⎯ S–, o gruppi capaci di formare legami idrogeno, come ⎯ OH, ⎯ NH2, =NH, =CO. Questi gruppi che si legano bene all’acqua sono chiamati idrofili. I gruppi che non determinano solubilità in acqua sono detti idrofobici o lipofili. Gruppi idrofobici sono, per esempio, ⎯ CH3, ⎯ (CH2)nCH3, ⎯ C6H5.

22.9 Proprietà fisiche dei composti organici Un composto organico privo di gruppi idrofili è insolubile in acqua. Se, invece, contiene contemporaneamente gruppi idrofili e idrofobici, la sua solubilità in acqua dipende dal prevalere del carattere idrofilo o idrofobico dei diversi gruppi. Molecole dotate di una estremità idrofila e di una estremità idrofobica messe a contatto con l’acqua formano uno strato monomolecolare. La parte idrofila è rivolta verso l’acqua e l’estremità idrofobica non forma legami con l’acqua ed è rivolta verso l’aria.

22.10 Nomenclatura dei composti organici La nomenclatura IUPAC permette di risalire alla formula di un composto a partire dal suo nome, e viceversa. Il nome IUPAC di una sostanza organica indica la classe di appartenenza del composto, la lunghezza della catena carboniosa e la posizione di eventuali gruppi e diramazioni della catena.

22.10 Nomenclatura dei composti organici Per esempio, il nome degli idrocarburi termina con il suffisso -ano, se nella catena carboniosa non vi sono doppi o tripli legami; se vi sono doppi legami il suffisso è -ene; se vi sono tripli legami il suffisso è -ino. I nomi dei composti che contengono come gruppo funzionale il gruppo ⎯ OH terminano in -olo; se il gruppo funzionale è ⎯ C(=O)H il suffisso è -ale.

22.10 Nomenclatura dei composti organici Quando da un idrocarburo togliamo un atomo di idrogeno, otteniamo un radicale, in genere indicato col simbolo R. Il nome del radicale deriva dal nome dell’idrocarburo cui si aggiunge il suffisso -ile. Tre prefissi forniscono invece informazioni strutturali: iso-, sec- e terz-.

22.10 Nomenclatura dei composti organici

22.10 Nomenclatura dei composti organici Un’altra indicazione della nomenclatura IUPAC è quella di attribuire un numero a ogni atomo di carbonio della catena carboniosa, in modo da potere stabilire a quale atomo di questa catena è legato il gruppo funzionale o una diramazione della catena. Si inizia la numerazione dalla estremità della catena che consente di fare ricorso ai numeri più piccoli.