Chimica organica

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L CARBONIO:UNA SINGOLARE COMBINAZIONE DI PROPRIETА
Il carbonio и l'unico elemento chimico in grado di formare una quasi inesauribile varietа di architetture molecolari. Esso puт formare, accanto a legami singoli, anche doppi e tripli legami. La tridimensionalitа dei legami, abbinata alla presenza di legami multipli, conferisce al carbonio la prerogativa di formare un elevatissimo numero di isomeri cioи di molecole costituite dagli stessi atomi ma disposti in modo diverso nello spazio:la grande varietа dei composti del carbonio и sostanzialmente dovuta all'isomeria. In definitiva, l'atomo di carbonio riunisce una singolare combinazione di proprietа che ne fanno un ideale mattone chimico.
ORBITALI IBRIDI E GEOMETRIA DELLE MOLECOLE ORGANICHE
L'atomo di carbonio puт legarsi con altri quattro oppure con altri 3 o 2 atomi, a seconda che i legami siano semplici o, rispettivamente multipli. La disposizione geometrica spaziale degli atomi nelle molecole organiche dipende dal tipo di ibridazione che subiscono gli orbitali atomici del carbonio nel momento in cui quest'ultimo si lega con altri 4 , 3 oppure2 atomi per formare molecole. Con la struttura elettronica 1sІ2sІ2pІ esso puт formare tre tipi differenti di ibridazione noti come spі(tetraedrica), spІ(trigonale), sp(lineare).Quando l'atomo di carbonio si combina con altri atomi esso passa, in seguito ad assorbimento di energia, dallo stato fondamentale a uno stato eccitato in cui assume la struttura elettronica esterna 2s2p2p2p, cioи con 4 elettroni spaiati anzichй 2. In queste condizioni l'orbitale 2s e i tre orbitali 2p possono incrociarsi tra di loro, o come si dice ibridarsi, formando cosм 4 orbitali atomici ibridi equivalenti spі. Gli orbitali atomici spі hanno una forma accentuatamente asimmetrica rispetto al nucleo, con un lobo molto piщ esteso dell'altro, quindi sono in grado di sovrapporsi efficacemente ad altri orbitali di atomi differenti. Come come conseguenza gli orbitali ibridi instaurano legami piщ forti di quelli che si possono formare, tra orbitali non ibridati di tipo s o p. Un altra caratteristica essenziale degli orbitali spі и la direzionalitа spaziale, essi puntano ai vertici di un tetraedo al cui centro si trova l'atomo di carbonio. L'ibridazione spі и perciт detta tetraedrica.
LA STRUTTURA DEL METANO
Quando i 4 orbitali identici di un atomo di carbonio spі si sovrappongono a 4 orbitali s si formano 4 legami sigma identici che caratterizzano la struttura spaziale della molecola CH4 del metano
LA STRUTTURA DELL'ETANO
L'etano, C2H6, , anch'esso un idrocarburo degli alcani, и la molecola piщ semplice contenente un legame C-C tra due atomi di carbonio.
IBRIDAZIONE SPІ E STRUTTURA PLANARE DELL'ETILE
Quando l'atomo di carbonio si combina con altri 3 atomi, interviene un diverso tipo di ibridazione. In questo caso, infatti, un orbitale 2s dell'atomo di carbonio eccitato interagisce solo con 2 orbitali 2p formando 3 orbitali ibridi equivalenti spІ, ognuno dei quali ospita un elettrone. La geometria degli orbitali spІ и planare, in quanto essi giacciono su un piano simmetricamente disposti intorno al nucleo ad angoli reciproci di 120°: per questo motivo l'ibridazione spІ и detta trigonale. La sovrapposizione di due orbitali ibridi spІporta alla formazione di un legame sigma. Se i due atomi di carbonio sono opportunamente orientati l'uno rispetto all'altro, i 2 orbitali p possono sovrapporsi lateralmente per formare un secondo legame covalente detto p. In tal modo i due atomi di carbonio risultano uniti da un doppio legame.
LA STRUTTURA DELL'ETILENE
Il composto piщ semplice in cui и presente un doppio legame и l'etilene o etene(C2H4). I suoi 2 atomi di carbonio, in quanto uniti da un doppio legame, sono detti insaturi. I 2 residui orbitali ibridi spІ di ciascun atomo di carbonio si sovrappongono a 2 orbitali s di due atomi di idrogeno formando due legami sigma: l'amgolo di legame H-C-H и di 118°, anzichй di 120°, a causa della repulsione esercitata dagli elettroni p sugli elettroni dei legami C-H.
IBRIDAZIONE SP E STRUTTURA LINEARE DELL'ETINO O ACETILENE
Se l'atomo di carbonio si lega solo con due altri atomi, si ha un'ibridazione lineare: per interazione di un orbitale 2s con un orbitale 2p dell'atomo di carbonio eccitato si ha la formazione di 2 orbitali ibridi equivalenti sp, orientati in due direzioni opposte, cioи a 180°, rispetto al nucleo. Quando 2 orbitali ibridi sp di due atomi di carbonio si sovrappongono, i due elettroni in essi contenuti formano un legame sigma. Le due coppie di orbitali p si sovrappomgono lateralmente e le 2 coppie di elettroni in esse contenute danno luogo alla formazione di due legami p , i due atomi di carbonio risultano cosм uniti da un triplo legame.
STRUTTURA DELL'ETINO O ACETILENE
Il piщ semplice composto organico nella cui molecola и presente un triplo legame tra due atomi di carbonio и l'etino o acetilene.
RISONANZA E STRUTTURA DEL BENZENE
In certi composti organici, come ad esempio nel benzene, per dare una rappresentazione corretta della molecola si deve ricorrere alla teoria della risonanza in base alla quale molte molecole e ioni poliatomici si possono descrivere in modo piщ accurato attraverso l'insieme di due o piщ formule di Lewis. Ciascuna formula di Lewis и una forma limite e la struttura che piщ si avvicina a quella reale risulta da una sorta di combinazione, definita risonanza, tra le possibili forme limite che si possono scrivere per una specie chimica:tale forma intermedia и detta ibrido di risonanza o forma mesomera.
L'ISOMERIA
Il fenomeno dell'isomeria si verifica quando due o piщ composti, che hanno la stessa formula molecolare, differiscono nelle rispettive formule di struttura. Tali composti sono detti isomeri e manifestano differenze , piщ o meno marcate, nelle proprietа fisiche e nel comportamento chimico. Esistono due tipi fondamentali di isomeria: l'isomeria di struttura e la stereoisomeria.
LA CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSTI ORGANICI
Il primo e piщ generale criterio di classificazione dei composti organici и quello che distingue i composti costituiti solo da atomi di carbonio e idrogeno, denominati idrocarburi, da tutti i restanti, che contengono nelle loro molecole anche altri atomi. Questi ultimi possono essere considerati derivati da idrocarburi per sostituzione di uno o piщ atomi di idrogeno con gruppi funzionali. I composti organici che contengono lo stesso gruppo funzionale vengono riuniti in una stessa classe.
LA CLASSIFICAZIONE DEGLI IDROCARBURI
In relazione alla loro struttura, gli idrocarburi possono essere suddivisi in due grandi gruppi:alifatici e aromatici. Gli idrocarburi alifatici possono essere suddivisi in alcune serie omologhe:alcani, alcheni, alchini, dieni, cicloalcani e cicloalcheni. Gli idrocarburi aromatici o areni sono distinti in mononucleari e polinucleari a seconda che contengano uno o piщ anelli benzenici. Le molecole degli idrocarburi sono caratterizzate dalla presenza di legami covalenti a bassissima polaritа, tanto che si possono considerare pressochи apolari. Gli idrocarburi sono i principali costituenti del petrolio e del gas naturale.
GLI IDROCARBURI ALIFATICI:GENERALITА
Le proprietа degli idrocarburi alifatici presentano una serie di analogie e di regolaritа. Gli idrocarburi fino a 4 atomi di carbonio sono gassosi a temperatura ambiente, quelli successivi liquidi e poi solidi.
ALCANI
Gli alcani sono idrocarburi alifatici che hanno la seguente formazione generale:C2H2n+2 (n и un numero intero). Negli alcani il carbonio и nello stato di ibridazione spі, quindi forma 4 legami covalenti semplici:per questo motivo gli alcani sono anche detti idrocarburi saturi;i legami covalenti sono di tipo sigma, quindi molto forti, e a ciт si deve la scarsa tendenza a reagire degli alcani. I nomi degli alcani lineari, in base alle norme della nomenclatura ufficiale, sono assegnati facendo precedere alla desinenza -ano, comune a tutti i composti, prefissi che (a esclusione dei primi 4 termini) designano il numero di atomi di carbonio, in base alla numerazione greca o latina. I radicali alchilici o gruppi alchilici o alchili sono raggruppamenti di atomi che si ottengono formalmente per distacco di un atomo di idrogeno dalla molecola di un idrocarburo. Gli alcani sono composti molto stabili e quindi poco reattivi. A temperatura elevata o per azione fotochimica, possono dare comunque reazioni di sostituzione radicalica. Le reazioni tipiche degli alcani sono le seguenti:
1) combustione; 2) alogenazione(sostituzione radicalica); 3) cracking(termico e catalitico)
ALCHENI
Gli alcheni o olefine, chiamati anche idrocarburi etilenici, dal nome del primo termine della serie, l'etilene o etene, CH2=CH2' sono idrocarburi alifatici insaturi per la presenza di un doppio legame carbonio-carbonio, aventi formula generale:CnH2n' in cui n rappresenta il numero di atomi di carbonio contenuti nella molecola. Per assegnare il nome a un alchene secondo il sistema di nomeclatura IUPAC, si seguono regole molti simili a quelle adottate per gli alcani. Gli alcheni si possono preparare sia da composti saturi attraverso reazioni di eliminazione sia da composti insaturi(alchini) attraverso reazioni di addizione. Gli alcheni, a causa della presenza nella loro molecola di un doppio legame, sono molto piщ reattivi degli alcani e danno luogo principalmente a reazioni di addizione.
Reazione di eliminazione:
1)disidratazione di un alcol:un alcol riscaldato in presenza di un acido forte puт eliminare acqua dando un alchene.
Reazione di addizione.
1)idrogenazione parziale(riduzione) di un alchino: in presenza di un catalizzatore poco attivo, che permette di evitare la completa idrogenazione del triplo legame, un alchino puт essere parzialmente idrogenato per dare l'alchene corrispondente.
ALCHINI
Gli alchini o idrocarburi acetilenici appartengono a una serie di idrocarburi insaturi per la presenza di un triplo legame carbonio-carbonio, aventi la formula generale:CnH2n-2. Le regole IUPAC che si seguono per la nomenclatura degli alchini sono praticamente le stesse seguite per gli alcheni, con la sola differenza che la presenza del triplo legame viene indicata dal suffisso -ino invece che -ene . Le reazioni tipiche degli alchini sono:
1)addizione elettrofila;
2)addizione nucleofila;
3)ossidazione.
ALCADIENI
Gli idrocarburi alifatici insaturi con due doppi legami vengono chiamati alcadieni o piщ semplicemente dieni; и possibile anche la presenza di tre o piщ doppi legami e in tal caso i composti sono detti rispettivamente trieni e polieni. La nomenclatura di questi composti и molto simile a quella degli alcheni.
IDROCARBURI ALICICLICI
Gli idrocarburi aliciclici sono caratterizzati da catene di atomi di carbonio chiuse ad anello. A seconda del grado di insaturazione dei legami, gli idrocarburi aliciclici vengono classificati in 1) cicloalcani, che sono totalmente saturi; 2)cicloalcheni, contenenti un doppio legame nell'anello; 3)cicloalchini, contenenti un triplo legame nell'anello. I cicloalcani danno luogo , tra l'altro , a reazioni di sostituzione radicalica e a reazione di apertura dell'anello.
GLI ALCOLI
Gli alcoli sono caratterizzati dalla presenza del gruppo funzionale -OH, legato al carbonio di una catena alifatica. La formula generale di un alcol и R-OH. Per la nomenclatura degli alcoli si seguono regole analoghe a quelle degli idrocarburi. A causa della presenza di legami a idrogeno intermolecolari gli alcoli presentano punti di fusione e di ebollizione molto piщ elevati degli idrocarburi di massa molecolare paragonabile; a causa della polaritа delle molecole, essi sono molto solubili in solventi polari, come l'acqua. Gli alcoli possono essere classificati in primari, secondari, terziari a seconda che l'atomo di carbonio legato al gruppo ossidrile -OH sia unito rispettivamente a uno, due o tre gruppi alchilici(R), sia cioи un atomo di carbonio detto, rispettivamente , primario, secondario, terziario.
Gli alcoli possono essere preparati mediante le seguenti reazioni:
1)idratazione degli alcheni;
29idrolisi degli alogenuri alchilici;
3)idrogenazione catalitica delle aldeidi e dei chetoni;
4)reazione di aldeidi e chetoni con reattivi Grignard.
Gli alcoli presentano comportamento anfotero e le loro reazioni possono essere classificate in:
a)reazioni il cui meccanismo prevede la rottura del legame O-H;
b)reazioni il cui meccanismo prevede la rottura del legame C-O.
IDRATAZIONE DEGLI ALCHENI
L'addizione di acqua a un alchene, in ambiente acido conduce alla formazione di un alcol secondario, secondo la regola di Markovnikov (l'idrogeno si attacca al carbonio meno sostituito).
ETERI
Gli eteri e gli epossidi hanno in comune il legame C-O-C; negli eteri questo legame fa parte di una catena aperta, come indicato dalla formula generale R-O-R, , negli epossidi il legame fa parte di una catena chiusa, con struttura triangolare in cui uno dei vertici и occupato da un atomo di ossigeno.
ALDEIDI E CHETONI
Le aldeidi e i chetoni sono due classi di composti organici caratterizzate entrambe dalla presenza nelle loro molecole dello stesso gruppo funzionale carbonile. Nelle aldeidi questo gruppo и legato a un radicale (alchilico o acrilico) e a un atomo di idrogeno, mentre nel caso dei chetoni esso и legato a due radicali alchilici o arilici. Le caratteristiche fisiche delle aldeidi e dei chetoni sono intermedie tra quelle degli alcoli e quelle degli eteri.
ACIDI CARBOSSILICI
Gli acidi carbossilici sono composti caratterizzati dalla presenza nella loro molecola del gruppo funzionale carbossilico o carbossile(-COOH). Secondo le regole IUPAC, gli acidi carbossilici vengono denominati facendo seguire alla parola acido il nome dell'idrocarburo con lo stesso numero di atomi di carbonio e sostituendo la desinenza -o oppure -e( di -ano o -ene o -ino) con la desinenza -oico. La funzione carbossilica conferisce caratteristiche polari alle molecole degli acidi che, grazie alla presenza del gruppo -OH, possono dare luogo a legami a idrogeno intermolecolari. Gli acidi carbossilici sono assai diffusi in natura, in particolare sotto forma di esteri del glicerolo, detti anche trigliceridi, costituenti dei grassi animali e vegetali.
ESTERI
Di particolare importanza sono gli esteri del glicerolo e degli acidi carbossilici con una lunga catena alifatica8acidi grassi superiori). Questi esteri prendono il nome di trigliceridi e sono i costituenti principali dei grassi naturali. Essi derivano dalla reazione di esterificazione di una molecola di glicerolo con tre molecole di acidi grassi. I trigliceridi subiscono idrolisi basica e la reazione che ne deriva и nota come saponificazione; i priodotti di questa reazione sono il glicerolo e i sali alcalini degli acidi grassi, noti come saponi.