Piano Lauree Scientifiche Formazione PLS-2017 Piano Lauree Scientifiche Una Breve Introduzione alla Chimica Organica Raimondo Germani Università degli Studi di Perugia Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie

Obiettivo Incontro Fornirvi un diverso approccio e una visione diversa per lo studio e l’apprendimento della Chimica Organica incentrato sulle tipologie e i meccanismi di reazione. (più logica e meno memoria) Conoscenze pregresse: Conoscere gli orbitali atomici e la configurazione atomica Conoscere i significato di ibridizzazione Conoscere il significato di legame chimico Conoscere il significato dell’elettronegatività Conoscere il significato di polarizzazione del legame Conoscere i legami molecolari  e 

Scienza delle Molecole Cosa è La Chimica? È quella branca della scienza che studia le trasformazioni che avvengono tra gli atomi e le molecole, studia la struttura delle sostanze che costituiscono la materia, individua le relazioni tra la struttura molecolare e le loro proprietà. Chimica Scienza delle Molecole

Evoluzione della Chimica La chimica nasce fondamentalmente come una disciplina empirica, basata sull’osservazione del fenomeno, senza il supporto della teoria. Come le altre discipline scientifiche parte dall’osservazione, ma la sua finalità primaria, almeno agli inizi, è rivolta esclusivamente alla risoluzione di problemi pratici quotidiani. Dalla osservazione pregressa di un fenomeno Alla risoluzione di un problema pratico Tito Livio riporta che il Cartaginese Annibale, per creare passaggi utili per i suoi elefanti e le sue truppe, per attraversare le Alpi, irrorasse di aceto le rocce arroventate per sgretolarle. Ed aprirsi un varco. (Applicazione di una osservazione per risolvere un problema pratico senza dover spigare il perché)

Chimica La Chimica è sapere e saper fare, è una scienza costruttiva La Chimica produce materiali: è l’unica scienza che è in grado di progettare e realizzare materiali nuovi, anche non presenti in natura. Tra i vari settori della Chimica, la Chimica Organica è senz’altro quella più creativa da questo punto di vista

Il Linguaggio della Chimica Lettere (A, B, C, D, ….) Atomi ( H, C, N, P, S,...) Alfabeto Tavola Periodica degli Elementi Parole Molecole Frasi Supramolecole Capitoli Organi Intracellulari Libri Organismi Unicellulari Collana di Libri Organismo Pluricellulare Biblioteca Organismo Pluricellulare Complesso

Nascita della Chimica Organica Fino al 18 secolo: Composti da organismi viventi - Organici Composti da materia inanimata - Inorganici Friedrich Wöhller 1828: sintesi dell’urea da materiali inorganici, prima molecola di origine animale ottenuta per via sintetica da materiali inorganici. Ammonio cianato (da fonti minerali) “Inorganico” Urea (dall’urina) “Organico”

Nascita della Chimica Organica Nel 1856 William Henry Perkin all’età di 18, nel tentativo di sintetizzare la chinina (sintetizzata più tardi nel 1944) dal catrame di carbone, ottenne un colorante, oggi chiamato Malva di Perkin, primo colorante artificiale, che Perkin produsse industrialmente e fece la sua fortuna economica. Da questa scoperta, il catrame di carbone fu una fonte di altri materiali organici, soprattutto coloranti. William Henry Perkin Struttura mauevina

I Composti Organici sono Universali Nella Materia Biologica Animali, Piante, ecc. Nella Materia Atmosferica e Cosmica Composti Organici Nella Materia Geologica Combustibili Fossili Nei Manufatti prodotti dall’Uomo

Chimica Organica & Quotidianità Di tutte le branche scientifiche, sviluppate dall’uomo, la Chimica Organica, nell’arco di due secoli, è stata quella che ha maggiormente cambiato la qualità e l’aspettativa di vita dell’uomo.

Obiettivi Fondamentali Un Corso di Chimica Organica dovrebbe essere finalizzato: all’acquisizione della conoscenza dei principi sui quali si basa la chimica dei derivati del Carbonio e della loro reattività attraverso lo studio dei principali meccanismi di reazione; all’apprendimento dei principali metodi di sintesi, separazione, purificazione e di riconoscimento delle sostanze organiche; alla comprensione del ruolo della chimica organica nei processi industriali e biologici; all’acquisizione delle teorie di base della chimica organica per poter comprendere e interpretare i problemi reali.

Chimica Organica, è La Chimica del Carbonio Nanotubo Grafite Tutti questi materiali sono costituiti solo da atomi di Carbonio (forme allotropiche) Fullerene Diamante

La Chimica del Carbonio C = 1S2 2S2 2p2 sp sp2 sp3 Il carbonio (tetravalente) è capace di formare forti legami con altri atomi di carbonio: Formando lunghe catene (fino ad ottenere delle macromolecole o polimeri) Formando strutture cicliche (mono e policicliche) Formando strutture ramificate Formando legami multipli (doppi C=C e tripli C C)

La Chimica del Carbonio Il Carbonio si lega fortemente anche con molti altri elementi tramite legami singoli o multipli (doppi o tripli) In particolare, H, O, N, P, S, alogeni , metalli, e ecc. Poiché i composti organici sono dovunque intorno a noi, la conoscenza della chimica organica è essenziale per una vera cultura scientifica

Aspetti delle Molecole Organiche Struttura & Legami Costituzione Forma tridimensionale (Stereochimica) Nomenclatura Proprietà fisiche Stato fisico Solubilità Colore Etc. Caffeina Proprietà Chimiche Trasformazioni delle strutture molecolari (Reazioni) Come avvengono le trasformazioni (Meccanismi) Riconoscimento molecolare (Stereochimica)

Piccole Modifiche Strutturali Grandi Differenze La molecola del benzene causa la leucemia, il toluene no. Benzene Toluene Il testosterone regola il sistema riproduttivo dell’uomo, il progesterone, invece, prepara l’utero per la riproduzione. Testosterone Progesterone

Ingegneria a Livello degli Å Il chimico può formare e rompere strutture con una precisione di 1 angstrom (1x10-10m). Ad esempio l’addizione di acqua ad un doppio legame C=C. Possiamo controllare la posizione dove si lega il gruppo ossidrilico –OH. OH su C benzilico OH su C non benzilico

Studiare La Chimica Organica Presenza di solo legami  Apprendere il suo vocabolario, il suo linguaggio e il suo formalismo (cioè nomenclatura, simbolismo, rappresentazione delle strutture, ecc.); Imparare la sua logica (cioè il movimento degli elettroni, i siti reattivi, i meccanismi con cui avvengono le reazioni, ecc.). Molecole Organiche Idrocarburi (C e H) Presenza di solo legami  Altre Classi di Composti Gruppi Funzionali

Cosa sono i Gruppi Funzionali? Sono legami multipli C=C, CC e/o legami singoli o multipli tra carbonio ed eteroatomi C-Y, C=Y, CY Il gruppo funzionale determina il comportamento chimico, cioè il tipo di reazioni della molecola, ed in gran parte anche le proprietà fisiche della molecola in cui è presente. Gli eteroatomi che sono principalmente presenti nei vari gruppi funzionali sono: Ossigeno (O), Azoto (N), Fosforo (P), Zolfo (S) e gli alogeni (X). Esistono gruppi funzionali semplici e compositi, ed una molecola può presentare più gruppi funzionali (molecola polifunzionale)

Gruppi Funzionali Classe di Composti Gruppo Funzionale Alcheni Doppio Legame Alchini Triplo Legame Alcoli Ossidrile Tioli Sulfidrile Eteri Alcossile Alogenuri Legame C-alogeno

Gruppi Funzionali Classe di Composti Gruppo Funzionale Ammine -N-H Amminico Aldeidi -CH=O Formile Chetoni -C=O Carbonile Nitrili -C≡N Nitrile

Gruppi Funzionali Classe di Composti Gruppo Funzionale Immine Imminico Enammine Enamminico Emiacetali Acetali Emiacetalico Acetalico

Gruppi Funzionali Classe di Composti Gruppo Funzionale Acidi Carbossilici Carbossile Esteri Estereo Ammidi Ammidico Cloruri acilici Acilalogenuro

Gruppi Funzionali Classe di Composti Gruppo Funzionale Anidridi Carbossiliche Anidridico Anidridi Miste Anidridico Tioesteri Tioestereo

Gruppi Funzionali Classe di Composti Gruppo Funzionale Fosfoestereo Esteri Fosforici Fosfoanidridi Fosfoanidridico

Gruppi Funzionali Classe di Composti Gruppo Funzionale Aromatici Fenil Fenoli Fenolico Eterociclci Aromatici

Molecola Polifunzionale La maggior parte delle molecole organiche (naturali e sintetiche) sono strutture generalmente polifunzionali Funzione aldeidica Funzione carbossilica Esempi di molecole polifunzionali Funzione eterea Funzioni fenoliche Acido gallico Vanilina Funzione alcolica Funzione carbossilica Acido lattico

Molecola Polifunzionale Esempio di molecola naturale multi-funzionale tioestere ammide ossidrile ammino fosfato metile fosfoanidride imidazolo L’Acetil Coenzima A

Chimica Organica via Gruppi Funzionali Il modo tradizionale di affrontare la Chimica Organica è quello di organizzare lo studio tramite l’analisi del gruppo funzionale : Caratteristiche elettroniche Preparazione Proprietà fisiche Chimismo Si può effettuare una classificazione dei composti organici sulla base del gruppo funzionale in quanto la presenza di un solo gruppo, a prescindere dalla struttura idrocarburica, determina un comportamento chimico simile. Per esempio questi tre chetoni daranno la tipica reazione di addizione nucleofila, la diversa struttura molecolare influenzerà comunque la reattività della reazione.

Competenze da Acquisire Lo studente dovrà essere in grado di: Riconoscere i vari gruppi funzionali; Prevedere il chimismo delle principali classi di composti organici; Correlare la struttura funzionale e spaziale con le proprietà fisiche e chimiche; Prevedere il comportamento delle molecole organiche in relazione alle condizioni di reazione (meccanismi di reazione); Riconoscere i vari tipi di isomeria; Correlare la struttura delle molecole organiche con le funzioni biologiche; Ecc.

Strutture di Lewis Le strutture di Lewis mostrano solo gli elettroni di valenza, quelli coinvolti nella formazione e rottura dei legami Elemento Numero di legami Rappresentazione Carbonio 4 Azoto 3 Fosforo 3 Ossigeno 2 Zolfo 2 Alogeni 1 Idrogeno 1 C N P O S X H

Strutture di Lewis di Specie Cariche Elemento Valenza normale Rappresentazione (III) Boro, Alluminio 3 (IV) Carbonio, Silicio 4 (V) Azoto, Fosforo 3 (VI) Ossigeno, Zolfo 2 O N C S i B A l + - Quando è che un elemento, nel contesto molecolare, assume una carica positiva o negativa?

Specie Reattive in C.O. Nucleofilo -“amante del nucleo” una specie neutra o carica negativamente capace di donare una coppia di elettroni ad un elettrofilo. (disponibilità di una coppia di elettroni ). Elettrofilo -“amante degli elettroni” una specie neutra o carica positivamente, avente un orbitale vuoto o una deficienza elettronica in grado di accettare elettroni da un nucleofilo. Sito elettrofilo  -  + R H O : Sito nucleofilo Nucleofilo & Elettrofilo sono strettamente collegati ad altre due entità Acido & Base di Lewis

Nucleofilo e Base di Lewis Nucleofili e Basi di Lewis sono strutturalmente simili: ambedue hanno una coppia di elettroni o un eccesso di densità di carica negativa, ma essi differiscono nel modo di attaccare (punto di attacco). Una base attacca il protone (H+) Un nucleofilo attacca altri atomi elettron-deficienti Attacco al carbonio Fornisce gli elettroni per formare il legame N-C L’idrogeno esce come protone, gli elettroni del legame C-H rimangono al Carbonio, che quindi diventa negativo Attacco al protone Fornisce gli elettroni per formare il legame B-H+

Esempi di Specie Nucleofile Nucleofili al carbonio Nucleofili all’ossigeno Nucleofili allo zolfo Nucleofili all’azoto Alogenuri N  E + Nucleofilo orbitale pieno Elettrofilo orbitale vuoto

Siti di Reazione Legami Multipli Legami Polari I legami π C-C (doppi e tripli) hanno (generalmente) una densità elettronica sopra e sotto il legame di facile accesso (buoni siti nucleofili) subiscono un attacco elettrofilo. Legami Polari Una ineguale ripartizione degli elettroni di legame crea un atomo con δ- (sito nucleofilo) e un atomo con δ+ (sito elettrofilo). Lone pairs Atomi aventi elettroni non coinvolti nella formazione di legami possono agire da nucleofili o da basi di Lewis 

Strutture di Lewis: Specie Cariche Assegnare la carica all’atomo di azoto N in questi quattro composti generici e stabilire il suo comportamento nucleofilo e elettrofilo + - + nucleofilo Non elettrofilo Non nucleofilo nucleofilo elettrofilo

Reazioni Chimiche Tutte le reazioni chimiche coinvolgono la Rottura e la Formazione di legami (, ) Omolitica A B → A• + B• Due Radicali Rottura legame Eterolitica A+ + B- A B → Due Ioni A B → A• + B• Radicalica Formazione legame A+ + B- A B → Polare

Scissione Eterolitica (Ionica) La rottura eterolitica di un legame può avvenire in due modi CH3 | CH3–C—X Carbocatione CH3 | CH3–C+ + X- Il legame C–X si rompe e i due elettroni rimangono a X Cl | F–C—Y F Carbanione Cl | F–C- + Y+ F Il legame C–X si rompe e i due elettroni rimangono a C Le cariche positiva e negativa si localizzeranno su i due residui in base alla stabilità relativa dei residui (minore è la densità di carica maggiore sarà la stabilita dello ione)

Movimento degli Elettroni : Cosa significa correttamente l’uso della freccia quando si disegna un meccanismo di reazione? Rappresenta il movimento di una coppia di elettroni che si muove secondo il verso della freccia. Esempio: Reazioni acido-base Cosi, quando l’ammoniaca è protonata la freccia si muove dal lone pair dell’azoto verso il protone per formare il nuovo legame N-H. Poiché l’azoto ha perso due dei suoi elettroni si carica positivamente. La freccia può partire anche da un atomo carico negativamente. Nella reazione tra l’anione idrossido (OH-) ed il protone (H+) la coppia di elettroni si muove dall’ossigeno negativo verso il protone per formare un nuovo legame.

Movimento degli Elettroni Nella protonazione di una olefina (doppio legame), gli elettroni  si muovono dal doppio legame (ricco in densità di carica negativa) verso il protone formando un nuovo legame C-H. La freccia parte dal mezzo del = legame. I due elettroni del legame  vanno a formare un legame  (C-H) e un carbonio si viene a trovare con soli tre elettroni ed assume una carica positiva (carbocatione) con un orbitale vuoto (Carbonio elettrofilo).

Movimento degli Elettroni In queste due reazioni le frecce denotano la partenza e il successivo movimento degli elettroni Eliminazione Bimolecolare Doppio legame Eliminazione Monomolecolare

Movimento degli Elettroni Il movimento di elettroni non è sempre associato ad una reazione. Negli esempi sotto non sono prodotte nuove specie ma è un diverso modo di scrivere il vecchio catione, le varie forme sono strutture limiti di risonanza. Non sono strutture molecolari che esistono, ma è un modo grafico di poter rappresentare nel modo migliore la situazione elettronica della molecola. = simbolo della risonanza Da non confondere con questo altro simbolo = simbolo di equilibrio (specie chimiche in equilibrio)

tramite l’analisi dei tipi di reazioni ed i loro meccanismi. Chimica Organica Un possibile modo di affrontare la Chimica Organica è quello di organizzare lo studio e l’apprendimento tramite l’analisi dei tipi di reazioni ed i loro meccanismi. Classificazione in base al: Tipo di Reazione Meccanismo della Reazione Meccanismo della Reazione = in che modo si formano e si rompono i legami

Tipi di Reazioni in Chimica Organica Tutte le Reazioni Chimiche sono: Acido-Base o Redox Le reazioni in Chimica Organica possono essere raggruppate in questi quattro tipologie generali Reazione di Addizione (A) (A + B → C) Reazione di Eliminazione (E) (A → B + C) Reazione di Sostituzione (S) (A-B + C-D → A-C + B-D) Reazione di Trasposizione (Tr) (A → B)

Reazione di Addizione (A) Un reagente si addiziona ad un legame multiplo (doppio o triplo ), si rompe il legame  e si formano due nuovi legami 

Reazione di Eliminazione (E) Due gruppi, generalmente adiacenti (-) sono eliminati, si rompono quindi due legami  e si forma un nuovo legame  . Disidratazione Deidroalogenazione

Reazione di Sostituzione (S) Un atomo o un gruppo di atomi si legano mentre un atomo o gruppo di atomi vengono sostituiti, si rompe un legame  e si forma un nuovo legame  .

Reazione di Trasposizione (Tr) Un atomo o un gruppo di atomi si spostano da una posizione ad un’altra della stessa molecola si rompono alcuni legami e se ne riformano altri. A Y B Trasposizione 1,2

Reazioni di Addizione (A) Addizione elettrofila Addizione nucleofila Addizione radicalica

Addizione Elettrofila (AE) Il doppio legame carbonio-carbonio è un sito ricco di elettroni (nucleofilo) quindi è soggetto ad attacco di una specie elettrofila. Un classico esempio è la reazione di addizione di alogeni a un sistema olefinico che porta alla formazione di un dialogeno derivato. 4-Ottene incolore Bromo rosso-marrone 4,5-dibromoottano

Addizione Nucleofila (AN) δ + δ - Gruppo polarizzato Maggior contributo Minor contributo δ - δ + Sito Basico (Lewis) Sito Elettrofilo Carbonio ibridizzato sp2 Il Gruppo carbonile è soggetto ad attacco nucleofilo Per esempio questi tre chetoni daranno la tipica reazione di addizione nucleofila, la diversa struttura molecolare influenzerà comunque la reattività della reazione (la velocità della reazione).

Aldeidi e Chetoni: Siti Reattivi Sito Basico (Lewis) Sito Elettrofilo δ - δ + O :Nu :B

Reazioni di Sostituzione ionica Nucleofila SN Elettrofila SE Concertata o a Stadi Attacca un nucleofilo esce un nucleofilo :N- Attacca un elettrofilo esce un elettrofilo E+ La formazione del nuovo legame e la rottura del vecchio avvengono in simultanea Es.SN2 La formazione del nuovo legame e la rottura del vecchio avvengono in tempi diversi Es. SN1

Reazioni di Sostituzione Sostituzione nucleofila alifatica (SN1; SN2) Sostituzione nucleofila acilica (SNAc) Sostituzione elettrofila alifatica (SE1; SE2) Sostituzione elettrofila aromatica (SEAr) Sostituzione nucleofila aromatica (SNAr)

Reazioni di Sostituzione SN2 e SN1 Sostituzione nucleofila bimolecolare SN2 Il nuovo legame  si forma mentre si rompe il vecchio legame  (in contemporanea) Sostituzione nucleofila bimolecolare SN1 Prima si rompe il vecchio legame  (formazione carbocatione intermedio) quindi si forma il nuovo legame . La reazione avviene in due stadi di cui il primo è il più lento

Sostituzione Nucleofila Acilica (SNAc) Derivato acilico L = Cl, OH, OR, NH2; NHR, ecc 1. Addizione al C=O (formazione di un carbonio tetraedrico) 2. Eliminazione di L per riformare il gruppo carbonile C=O Nucleofili attaccano il carbonio carbonilico (elettrofilo) degli acidi carbossilici e dei suoi derivati cosi come attaccano il carbonile aldeidico o chetonico. Tuttavia, le aldeidi e i chetoni danno una reazione di addizione mentre i derivati acilici portano a prodotti di sostituzione.

Riassunto Le reazioni delle molecole organiche possono quindi essere classificate in base: alla variazione del numero di legami; al tipo di scissione; alla natura del carattere nucleofilo o elettrofilo del reagente ; in base al numero di molecole coinvolte nel passaggio lento della reazione. Reazioni Organiche Meccanismo Tipo Omolitico Eterolitico (Ionico) Radicalica Nucleofila Elettrofila Sostituzione (S) AB + C  AC + B Sostituzione SN1 (monomolecolare) SN2 (bimolecolare) SN acilica SN aromatica SE aromatica Addizione (A) A + B  C Addizione Radicalica AN carbonilica AN olefinica AE olefinica (C=C, CC) Eliminazione (E) A → B + C E1 (monomolecolare) E2 (bimolecolare) Trasposizione (T) A  A’ TN TE

Esempi di Specie Elettrofile Elettrofili H+ +NO BF3 H3O+ +CH3 AlCl3 Cl+ R-C+=O Br2 Br+ R3C+ I+ +NO2 SO3 Ar-N2+

Sostituzione Elettrofila Aromatica (SEAr)