MODULI DI CHIMICA ORGANICA
1. IL CARBONIO
Il carbonio è l’elemento che si trova in tutti gli organismi viventi ed è quello
caratterizzante la chimica organica, branca della chimica che studia i composti
del carbonio.
Il carbonio può legarsi con se stesso e anche con una vasta gamma di altri
elementi come ad esempio: l’idrogeno negli idrocarburi, gli alogeni negli
alogenuri, l’idrogeno e l’ossigeno negli zuccheri e nei grassi, idrogeno, ossigeno
e azoto nelle proteine, dando vita ad un elevato numero di diversi composti.
Inoltre, legandosi con l’ossigeno forma l’anidride carbonica (CO2), molecola
fondamentale per il regno vegetale.
1.1 Il carbonio nella tavola periodica
Nella tavola periodica degli elementi, il carbonio, appartiene al secondo periodo
e al gruppo IV A, ha simbolo C e numero atomico (Z) 6.
Il suo peso atomico, riferito alla media isotopica naturale, è 12,01115 uma.
L’isotopo naturale più abbondante è il 12C ( 98,9%), esistono anche il 13C e il
14
C (radioattivo).
La sua configurazione elettronica1 è [He] 2s2 2p2.
y
y
z
z
+
s
+
x
px
+
pz
py
p
S
p
x
p
Forma e disposizione spaziale degli orbitali s e p
Presenta proprietà non metalliche e valenza più comune quattro anche se
apparentemente sembrerebbe dover essere bivalente, avendo solo due
elettroni spaiati negli orbitali2 2p.
2px1 2py1
2s2
Configurazione elettronica del carbonio nel suo stato fondamentale
1
Disposizione degli elettroni negli orbitali secondo le regole dettate dalla meccanica quantistica: gli elettroni di un atomo
tendono ad occupare gli orbitali disponibili nell’ordine di energia crescente a partire dall’orbitale a minor energia; in ogni
orbitale non possono coesistere più di due elettroni che devono avere spin antiparallelo.
2
Regione di spazio intorno al nucleo dove vi è la massima probabilità (almeno il 90%) di presenza dell’elettrone, in base
all’energia che esso possiede.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
2
Affinché il carbonio possa formare quattro legami covalenti3, è necessario che
siano coinvolti tutti e quattro gli elettroni dello strato esterno e ciò significa che i
quattro elettroni devono essere spaiati in modo da potersi accoppiare ciascuno
con un elettrone di un altro atomo.
Per poter spiegare questo comportamento è necessario introdurre il concetto di
ibridazione.
1.2 Teoria dell’ibridazione
Perché il C possa formare quattro legami è necessario che un elettrone
dell’orbitale 2s venga “promosso” nell’orbitale 2pz vuoto (stato eccitato), così da
assumere una configurazione elettronica esterna del tipo: 2s 2p3
2px1 2py12pz1
2s1
Configurazione elettronica del carbonio nello stato eccitato
Questa operazione richiede una spesa energetica di circa 96 kcal/mole ma tale
energia è compensata dalla possibilità di formare due ulteriori legami.
I passaggi sin qui descritti non giustificano ancora appieno la tetravalenza
osservata sperimentalmente.
I dati sperimentali della molecola di metano, CH4, dimostrano che tutti e quattro
i legami che il carbonio forma con ciascun idrogeno sono equivalenti sotto tutti i
punti di vista.
Con la sola eccitazione di un elettrone s che venisse promosso nell’orbitale p
vuoto ci si attenderebbe un legame (quello dell’orbitale s) con caratteristiche
diverse dagli altri tre; nell’esempio del metano si dovrebbe prevedere la
formazione di tre legami uguali disposti a 90° tra loro, mentre il quarto, quello
dell’orbitale s, dovrebbe disporsi il più lontano possibile dagli altri tre e senza
un’orientazione precisa.
La teoria dell’ibridazione propone un modello in grado di spiegare le
osservazioni sperimentali con una perfetta equivalenza dei quattro legami.
Banalizzando, l’ibridazione consiste in un ‘rimescolamento’ dei quattro orbitali,
quello s e i tre p, del carbonio per giungere a formare 4 nuovi orbitali sp3, tutti
ibridi e tutti tra loro equivalenti4, ma con energia e geometria diverse da quelle
degli orbitali atomici dello stato fondamentale. Infatti ciascuno dei quattro orbitali
ibridi ‘prende’ per un quarto le caratteristiche dell’orbitale 2s e per tre quarti
quelle dei tre orbitali 2p. Come si può notare nella figura seguente la forma di
un orbitale ibrido sp3 è simile a quella di un orbitale p, ma le dimensioni dei due
lobi sono diverse.
3
Legame covalente: avviene tra atomi che mettono in comune una o più coppie di elettroni di valenza per formare
molecole. La condivisione avviene al massimo con tre coppie di elettroni, di conseguenza si formano legami covalenti
semplici, doppi o tripli.
4
In realtà questa teoria è supportata da complessi calcoli matematici che riguardano la funzione d’onda dell’orbitale 2s
e dei tre orbitali 2p. Il risultato è una nuova funzione d’onda che dà la probabilità di trovare l’elettrone in una determinata
regione dello spazio determinando in tal modo la ‘forma’ dell’orbitale.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
3
orbitale ibrido sp3
Nel rispetto della regola che impone che gli orbitali si dispongano nello spazio
alla massima distanza gli uni dagli altri per minimizzare la repulsione
elettrostatica tra le nubi elettroniche, gli orbitali ibridi sp3 si orientano secondo
una geometria tetraedrica, cioè vanno a formare fra loro angoli di 109,5°.
H
H
C
H
H
Orientazione spaziale tetraedrica degli orbitali ibridi sp3nella molecola del metano
La particolare geometria degli orbitali ibridi sp3 ben si presta alla formazione di
legami covalenti: ad esempio, quello che si forma dalla combinazione
dell’elettrone di un orbitale sp3 di un atomo di carbonio e dell’elettrone
dell’orbitale s di un atomo di idrogeno, è un legame fortemente concentrato
nella regione di spazio compresa tra i due nuclei ed è simmetrico rispetto alla
linea che li unisce. Questo tipo di legame è detto σ.
Va precisato che tale legame è presente sempre tra gli orbitali che formano un
legame concentrato sull’asse nucleo – nucleo.
Legame σ tra orbitali s e p
orbitale atomico s
orbitale atomico p
orbitale molecolare s-p
Legame σ tra orbitali p e p
orbitale atomico p
orbitale atomico p
orbitale molecolare p-p
Legame σ tra orbitali ibridi
+
orbitale ibrido
orbitale ibrido
orbitale molecolare
Va ricordato che gli orbitali ibridi non esistono nell’atomo isolato (stato
fondamentale) ma solo quando questo forma legami covalenti.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
4
Non esiste solo l’ibridazione di tipo sp3: l’atomo di carbonio può anche
presentare ibridazione sp2 e sp.
180°
120°
109,5°
2
geometria planare sp 180° geometria planare-trigonale sp 120°
3
geometria tetraedrica sp 109,5°
Con l’ibridazione sp2 si ha l’ibridazione dell’orbitale 2s e di solo due orbitali 2p:
in questo caso sono tre gli orbitali ibridi equivalenti che si dispongono su uno
stesso piano con angoli di 120°. La geometria è pertanto planare-trigonale,
l’orbitale 2p che non partecipa all’ibridazione si dispone perpendicolarmente al
piano sul quale sono disposti gli altri tre.
90°
Ibridazione sp2: l’orbitale non ibrido è perpendicolare agli altri tre
I tre orbitali ibridi complanari formano legami σ, mentre l’orbitale 2p non ibrido
forma un legame detto π con un altro orbitale uguale di un altro carbonio.
Affinché il legame π possa realizzarsi, i 2 orbitali p coinvolti devono essere
paralleli fra loro, ciò per favorire la massima sovrapposizione degli stessi.
Legame π
orbitale p
+ orbitale p
orbitale molecolare π
L’ibridazione sp2 è presente nei composti che contengono un doppio legame
C=C: il doppio legame è costituito da un forte legame σ tra due orbitali ibridi sp2
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
5
e da un legame più debole π che si forma dalla sovrapposizione ‘laterale’di due
orbitali non ibridi 2p.
H
H
C
H
C
H
Doppio legame C-C nella molecola di etene
La presenza di un doppio legame impedisce la libera rotazione lungo l’asse
della molecola, a differenza di quanto succede con la presenza del legame
semplice σ.
Nell’ibridazione sp sono ibridati l’orbitale 2s e un solo orbitale 2p: i due orbitali
ibridi ottenuti si dispongono lungo una linea retta orientati in direzioni opposte.
Gli altri due orbitali p non ibridi si dispongono perpendicolarmente all’asse degli
ibridi sp e perpendicolarmente l’uno rispetto all’altro.
L’ibridazione sp è presente nei composti che contengono un triplo legame
C: il triplo legame è costituito da un legame σ tra i due orbitali ibridi sp e
C
da due legami π. La geometria di legame è lineare con angoli di 180°.
Due atomi di carbonio impegnati in un triplo legame
A conclusione di quanto esposto, si ribadisce che nelle catene dei composti
organici, gli atomi di C possono presentare singoli (σ), doppi (σ, π) o tripli (σ,π,π)
legami.
1.3 Il carbonio in natura
Il carbonio è presente in natura in più forme allotropiche5:
diamante: il minerale più duro che si conosca;
grafite: una della sostanze più tenere;
fullerene;
carbonio amorfo.
Il diamante6 si forma quando gli atomi di carbonio vengono sottoposti ad
un’alta pressione; ogni atomo di atomo, ibridato sp3, è legato ad altri quattro con
5
Proprietà di un elemento di presentarsi in forme chimicamente e fisicamente diverse tra loro.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
6
struttura tetraedrica. Grazie alla forza del legame C-C è la sostanza più dura in
termini di resistenza allo sfregamento.
Nella grafite7 ogni atomo, ibridato sp2, è legato ad altri tre in un piano
composto da anelli esagonali fusi assieme.
Come conseguenza della delocalizzazione della nuvola π, data dagli orbitali p
non ibridi di ciascun atomo, la grafite conduce la corrente elettrica; si presenta
come un materiale tenero e sfaldabile in fogli, poiché sono tenuti assieme da
deboli forze di van der Waals.
La grafite si presenta untuosa al tatto e lascia tracce di color nero grigio.
Struttura della grafite
I fullereni8 hanno una struttura simile alla grafite ma si differenziano per la
presenza di formazioni pentagonali di atomi di carbonio oltre che esagonali:
come conseguenza si presentano fogli che si piegano in sfere, ellissi o cilindri.
Il nome deriva da Buckminster Fuller, l’ideatore della cupola geodesica che
imita la struttura dei fullereni.
Come nella grafite il carbonio è ibridato sp2 ma, in questo caso, gli orbitali p non
ibridi, invece di disporsi perpendicolarmente al piano in cui si trovano gli orbitali
ibridi, vanno a formare un angolo di 101,6°. In conseguenza a ciò si vengono a
creare delle tensioni che comportano dei ripiegamenti dei fogli.
I fullereni trovano impiego come superconduttori ma vengono utilizzati anche in
campo medico sia per immagini mediche che per curare il cancro.
6
Diamanti naturali sono presenti nei minerali di kimberlite che stanno all’interno di antichi camini vulcanici. La maggior
parte dei giacimenti si trova in Africa, soprattutto in Sudafrica, Namibia, Congo e Sierra Leone.
7
La grafite ha numerosi impieghi industriali: è utilizzata principalmente per l'
indurimento dell'
acciaio e la realizzazione di
matite. Un equivalente artificiale della grafite può essere ottenuto riscaldando, ad elevatissima temperatura,
dell'
antracite in appositi forni elettrici.
La grafite si trova in grandi quantità negli Stati Uniti, Russia, Messico, Groenlandia e India.
8
Il grande interesse dei fullereni e derivati nasce dalla vasta gamma di possibilità che essi offrono. Oltre alla
superconduttività ad alta T, sono di interesse per l’impiego come ferromagneti molecolari e come trappole molecolari.
Sono inoltre di interesse nell’impiego in catalisi, in chimica organometallica e come parti di strutture polimeriche.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
7
Esempi di strutture di fullereni C60
Il carbonio amorfo è la versione strutturalmente disordinata in cui può
solidificare il materiale. In questa struttura coesistono in diverse percentuali i tre
diversi tipi di legame chimico cui può dar luogo il carbonio con i suoi orbitali
ibridati sp, sp2 ed sp3. Appare dunque evidente come questo materiale possa
presentarsi in numerose varianti strutturali che coprono una vasta gamma di
proprietà fisiche.
2. GLI IDROCARBURI
2.1 Classificazione
Gli idrocarburi sono composti del carbonio con l’idrogeno. Possono essere
suddivisi in tre grandi gruppi:
alifatici e aliciclici
aromatici
eterociclici
Il primo gruppo, idrocarburi alifatici, comprende composti a catena aperta e
composti chiusi ad anello con proprietà comunque simili.
Gli aromatici sono caratterizzati da proprietà chimiche del tutto particolari che
ne fanno un gruppo omogeneo, completamente distinto dagli altri idrocarburi.
Gli aromatici in senso stretto sono composti che contengono almeno un anello
benzenico.
Gli eterociclici sono composti ciclici contenenti nell’anello atomi diversi dal
carbonio, come ad esempio azoto o zolfo.
Classificazione degli idrocarburi alifatici
SATURI
IDROCARBURI
ALIFATICI
ALCANI
o paraffine
ALCHENI
o olefine
INSATURI
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
ALCHINI
o acetileni
contengono solo legami σ
(atomi di C tutti ibridi sp3)
contengono doppio legame
\
/
gruppo funzionale C = C
/
\
contengono triplo legame
gruppo funzionale –C ≡ C
8
3. ALCANI
Gli alcani comprendono quegli idrocarburi in cui ciascun carbonio forma quattro
legami di tipo σ disposti nello spazio con geometria tetraedrica e angoli di
109,5°; sono idrocarburi saturi, poiché ogni carbonio forma quattro singoli
legami cioè il numero massimo possibile di singoli legami per l’atomo di
carbonio.
Essi sono noti anche come paraffine (dal latino parum affinis) a causa della
loro scarsa reattività in condizioni normali.
A temperatura e pressione ambiente i più leggeri tra loro (fino a 4 atomi di
carbonio) sono gassosi, sono liquidi incolori quelli aventi da 5 a 16 atomi di
carbonio, sono solidi cerosi quelli più pesanti.Un esempio comune di miscela
complessa di alcani è la benzina , che è costituita da diversi alcani contenenti
generalmente 7-8-9 atomi di carbonio, ottenuta soprattutto dalla distillazione
frazionata del petrolio, ma anche dal craking catalitico.
Il più semplice alcano esistente è il metano, la cui formula grezza è CH4:
H
H
C
H
H
Modello della molecola di metano
Quando due atomi di carbonio tetraedrici si uniscono tra loro e con sei atomi di
idrogeno si ottiene l’etano, la cui formula grezza è C2H6.
H
C
H
H
H
H
C
H
H
H
H
C
H
C
H
H
Modello della molecola di etano
Il successivo idrocarburo contiene tre atomi di carbonio e otto di idrogeno legati
tra loro (C3H8), viene denominato propano.
Il termine successivo, a quattro atomi di carbonio, si chiama butano (C4H10).
Si nota che estendendo la serie ad un numero indefinito di atomi di carbonio,
ogni termine può essere ottenuto aggiungendo un gruppo -CH2- al termine
precedente.
In tal modo si ottiene la serie omologa9 degli alcani.
La formula generale degli alcani è: CnH2n+2 dove n indica il numero degli atomi di
carbonio della catena.
9
La serie omologa è un insieme di composti aventi proprietà chimiche simili ma differenti proprietà fisiche, a seconda
del rispettivo peso molecolare e della forma delle molecole.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
9
Questa formula indica soltanto quanti atomi di carbonio e di idrogeno sono
presenti nella molecola ma non fornisce informazioni sulla sua struttura.
Il modo migliore di rappresentare una molecola organica è la formula di
struttura, che indica in che modo gli atomi sono concatenati tra loro.
Vengono rappresentate qui di seguito le formule di struttura dei primi tre termini
della serie omologa degli alcani:
H
H
C
H
H
H
metano
H
H
C
C
H
H
H
H
etano
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
propano
Per semplificare la scrittura si possono utilizzare le formule condensate, nelle
quali vengono raggruppati insieme gli atomi di idrogeno, nel caso degli
idrocarburi, uniti a uno stesso atomo di carbonio e vengono indicati solo i
legami fra gli atomi di carbonio.
Qui di seguito vengono rappresentate le formule condensate dei primi tre
termini della serie omologa degli alcani (nel caso del metano ovviamente
formula condensata e formula grezza coincidono):
CH4
metano
CH3 – CH3
etano
CH3 – CH2 – CH3
propano
Sia le formule di struttura che quelle condensate sono delle semplificazioni della
forma delle molecole e non possono rispettare quella che è la reale
disposizione tridimensionale degli atomi nello spazio perché sono disegnate su
un piano. Perciò bisogna fare attenzione a non farsi ingannare dalle diverse
rappresentazioni.
Nei seguenti tre esempi:
- C -C - C - C - C -
C
-C-C-C-C-
-C-C-C-C-C-
si tratta sempre della stessa molecola che è lineare e non presenta alcuna
ramificazione come sembrerebbe nella seconda e nella terza figura.
Se infatti si traccia una linea continua lungo la catena degli atomi di carbonio si
può passare sopra tutti gli stessi senza interrompersi, questo significa che i
carboni sono tutti allineati.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
10
- C -C - C - C - C -
C
-C-C-C-C-
-C-C-C-C-C-
A seconda della posizione che occupano nella catena, gli atomi di carbonio
vengono definiti:
•
•
•
•
primari, se sono in posizione iniziale (o di testa) e sono uniti a un solo
atomo di carbonio;
secondari, se sono uniti a 2 atomi di carbonio;
terziari, se sono uniti a 3 atomi di carbonio;
quaternari, se sono uniti a 4 atomi di carbonio.
H
H - C - CH3
CH3
CH3
H - C - CH3
H - C - CH3
H
C - primario
H
C - secondario
CH3
C - terziario
CH3
CH3 - C - CH3
CH3
C - quaternario
3.1 Cicloalcani
Le catene idrocarburiche alifatiche possono essere chiuse, in questo caso la
molecola viene definita ciclica: gli alcani a catena chiusa sono chiamati
cicloalcani.
La catena ciclica per semplicità può essere rappresentata con un poligono
regolare i cui vertici rappresentano gli atomi di carbonio, ciascuno legato a due
atomi di idrogeno. In questa rappresentazione sia gli atomi di carbonio che gli
atomi di idrogeno sono sottointesi:
ciclopropano
ciclobutano
ciclopentano
cicloesano
La formula generale dei cicloalcani è: CnH2n ,ci sono cioè due atomi di idrogeno
in meno rispetto ai corrispondenti alcani a catena aperta, in quanto i due atomi
di carbonio terminali si sono uniti.
Il cicloalcano più semplice è l’alcano a tre atomi di carbonio.
CH2
H2C
CH2
esempio di cicloalcano: ciclopropano
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
11
3.2 Nomenclatura degli alcani
La nomenclatura organica sistematica è nata a Ginevra nel 1892. Da quella
data la Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) si è riunita
periodicamente per stabilire, volta per volta, le regole di nomenclatura di una
disciplina in costante evoluzione.
Per la nomenclatura IUPAC è fondamentale indicare nel nome di un composto
organico la disposizione degli atomi, dei gruppi funzionali e dei legami, oltre al
numero degli atomi di carbonio allineati nella molecola.
Il nome di un alcano ha sempre desinenza –ano e contiene un prefisso che
indica il numero di atomi di carbonio nella catena.
Solo i primi quattro composti hanno nomi tradizionali, i successivi seguono la
nomenclatura IUPAC.
Il capofila e il più semplice degli idrocarburi saturi è il metano.
Formula di struttura condensata dei primi dieci alcani
nome
CH4
CH3– CH3
CH3– CH2– CH3
CH3– CH2– CH2– CH3
CH3– CH2– CH2– CH2– CH3
CH3– CH2– CH2– CH2– CH2– CH3
CH3– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH3
CH3– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH3
CH3– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH3
CH3– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2– CH3
Metano
Etano
Propano
Butano
Pentano
Esano
Eptano
Ottano
Nonano
Decano
3.3 Gruppi alchilici
Si dicono alchilici quei gruppi che contengono un idrogeno in meno rispetto al
relativo alcano. Un generico gruppo alchilico si indica comunemente con la
lettera R (o G).
I nomi dei gruppi alchilici derivanti dagli alcani si ottengono sostituendo la
desinenza –ile alla desinenza –ano del corrispondente alcano. Nella tabella
seguente vengono riportati alcuni esempi.
CH4
formula alcano
nome alcano
metano
C2 H6
etano
C3 H8
propano
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
– CH3
formula gruppo alchilico
– C2H5 ( o – CH2 – CH3 )
– C3H7 ( o – CH2 – CH2 – CH3 )
nome gruppo
metile
etile
propile
12
Regole di nomenclatura IUPAC
Per assegnare il nome ad un idrocarburo è necessario procedere secondo le
regole seguenti:
a) scegliere la catena idrocarburica più lunga e assegnare il nome del
corrispondente idrocarburo; si considerano le restanti ramificazioni come gruppi
sostituenti alchilici e si assegna loro il nome corrispondente;
b) gli atomi di carbonio della catena principale vanno numerati partendo
dall’estremità più vicina alla ramificazione, nel caso siano presenti più
ramificazioni si considera l’estremità vicina al gruppo sostitutivo più semplice;
c) la posizione di ciascun gruppo (sostituente alchilico) viene individuata dal
numero dell’atomo di carbonio al quale tale gruppo è legato; l’ordine con cui i
sostituenti compaiono nel nome deve essere scelto in base all’ordine alfabetico
(es. etile, metile, propile );
d) nel caso in cui due sostituenti diversi (R, R’) siano legati allo stesso atomo di
carbonio, il numero corrispondente va indicato due volte; se invece i due
sostituenti sono identici, oltre a indicare due volte il numero si utilizza anche il
prefisso di- davanti al nome del gruppo corrispondente;
e) quando nella catena principale sono presenti due o più gruppi uguali si
adoperano i prefissi di-, tri-, tetra- ecc. per indicare rispettivamente 2, 3, 4 ecc.
gruppi uguali, in tal caso i numeri sono separati da virgole.
Ad esempio, per assegnare il nome di un idrocarburo a 8 atomi di carbonio è
necessario:
individuare la più lunga catena di
atomi di carbonio nella struttura; tale
catena costituirà la base del nome in
funzione del numero di atomi di carbonio
che possiede (3: propano, 4: butano, 5:
pentano, 6: esano, 7: eptano, 8: ottano, 9:
nonano, 10: decano, 11: undecano,
etc...);
• numerare gli atomi della catena
sequenzialmente partendo da una delle
estremità; verrà scelta l'
estremità in cui gli
atomi che recano ramificazioni (uno o più
legami con altri atomi di carbonio) hanno i
numeri più bassi possibile;
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
5 atomi: pentano
da sinistra a destra: 2,2,4 --> ok
da destra a sinistra: 2,4,4 --> no
13
• nominare le ramificazioni in modo
analogo alla catena principale, sostituendo
però il suffisso -ano con il suffisso -il
(pertanto 1: metil, 2:etil, 3: propil, etc...);
• raggruppare le ramificazioni in ordine
alfabetico e, qualora ne compaia più di una
di un tipo nella formula, indicarne la
molteplicità tramite l'
opportuno prefisso (di-,
tri-, tetra-);
3 gruppi CH3: trimetil-
elenco delle
• il nome è costituito dall'
ramificazioni precedute dal numero di ogni
atomo della catena principale che le ospita,
seguito dal nome della catena principale.
2,2,4-trimetilpentano
Come negli esempi i nomi devono essere scritti di seguito senza interruzioni, i
numeri sono separati l’uno dall’altro mediante la virgola e sono separati dai
nomi con un trattino.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
14
ISOMERIA
Nei composti inorganici ad ogni formula grezza, che esprime la
composizione della molecola, corrisponde una sola formula di struttura.
Nei composti organici, invece, ad una data formula grezza possono
corrispondere due o più formule di struttura (le quali mettono in evidenza i
legami tra i singoli atomi e la loro disposizione nello spazio). Questo
fenomeno si chiama isomeria.
Si dicono isomeri due composti che pur avendo la stessa formula
molecolare hanno una diversa disposizione relativa degli atomi o dei
legami nella loro struttura.
Esistono due tipi principali di isomeria: l’isomeria di struttura e la
stereoisomeria.
A.1 di catena pag.15
A) di STRUTTURA
pag.14
A.2 di posizione pag. 21
A.3 di gruppo funzionale pag. 34
ISOMERIA
B) STEREOISOMERIA
pag. 21
B.1 isomeria geometrica pag. 21
B.2 isomeria ottica pag. 34
A. ISOMERIA DI STRUTTURA
Si dicono isomeri di struttura due o più composti diversi, aventi la stessa
composizione elementare quantitativa e quindi la stessa formula grezza,
ma differente formula di struttura.
Il numero di isomeri cui può dare luogo una determinata formula grezza
cresce enormemente all’aumentare del numero di atomi di carbonio in essa
contenuti.
Basti pensare che, se al composto C4H10 corrispondono due isomeri, al
composto C9H20 ne corrispondono 35 e al composto C20H42 ne
corrispondono 366319.
A ogni isomero compete un proprio nome che lo contraddistingue
chimicamente.
In certi casi la differenza di struttura è così spiccata che gli isomeri non solo
presentano proprietà fisiche diverse, ad esempio punto di fusione10, punto
di ebollizione11, densità12, ecc., ma addirittura sono composti chimicamente
diversi.
10
11
12
È la temperatura alla quale un solido fonde, cioè passa dallo stato solido a quello liquido.
È la temperatura alla quale tutto il liquido tende a passare allo stato aeriforme.
Proprietà specifica di ogni tipo di materiale, è data dal rapporto tra la massa dell’oggetto e il suo volume.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
15
L’isomeria di struttura assume aspetti differenti a seconda che si riferisca:
alla articolazione della catena carboniosa (
isomeria di
catena), che può essere lineare, ramificata, ciclica;
alla posizione assunta da un dato sostituente (atomo o gruppo
atomico) o da un particolare tipo di legame nella catena
carboniosa ( isomeria di posizione);
al gruppo funzionale diverso che si determina da una variazione
della disposizione degli atomi componenti (
isomeria di gruppo
funzionale).
A.1 Isomeria di catena
Il primo alcano che può dare molecole strutturalmente diverse è il butano
C4H10.
Con questa formula grezza sono possibili due isomeri di struttura: uno a
catena lineare: il butano normale o normal-butano (n-butano); uno
ramificato: l’isobutano (che si può anche chiamare 2-metilpropano):
CH3
CH3 - CH2 - CH2 - CH3
n-butano
CH3 - CH - CH3
isobutano
Gli atomi di carbonio negli alcani, come ad esempio in C5H10, possono
unirsi secondo due modelli:
A.1.1. catena lineare
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 - CH3
n-pentano
A.1.2. catena ramificata
CH3
|
CH3 – CH – CH2 – CH3
isopentano o 2 - metilbutano
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
CH3
|
CH3 – C – CH3
|
CH3
neopentano o 2,2 - dimetilpropano
16
3.4. Reattività degli alcani
Gli alcani presentando solo singoli legami hanno una scarsa reattività (per
questo sono anche chiamati paraffine). I principali tipi di reazioni evidenziate
dagli alcani sono quelle di combustione e di sostituzione.
Queste si basano sulla formazione di radicali e sono innescate dalla luce o dal
calore. La combustione, ad esempio, è una reazione a catena - a volte
esplosiva - in cui il calore sviluppato produce ulteriori radicali che fanno
proseguire ed amplificare la reazione stessa.
3.4.1 Reazioni di combustione
Gli idrocarburi bruciano all’aria producendo anidride carbonica e acqua e
sviluppano una notevole quantità di calore, che è il prodotto principale di questa
reazione di ossidazione. Questo tipo di combustione avviene ad esempio nei
cilindri di un’automobile, nelle centrali termoelettriche, nelle nostre case quando
si utilizza il metano o il GPL (gas di petrolio liquefatto) sia per cucinare che per
alimentare gli impianti di riscaldamento.
R-H + O2
CO2 + H2O + calore
Esempio di generica reazione di combustione
Per il metano e l’ottano, ad esempio, le reazioni di combustione sono così
schematizzabili:
CH4 + 2 O2
C8H18 + 12,5 O2
CO2 + 2 H2O + calore
8 CO2 + 9 H2O + calore
Se la combustione avviene in difetto d’aria, può accadere che oltre all’anidride
carbonica si formi anche una certa quantità di monossido di carbonio13 (CO),
estremamente tossico per gli organismi viventi. Ecco perché è necessario
bruciare questi combustibili in buone condizioni di ventilazione (O2) per evitare
tragiche conseguenze come quelle a cui si va incontro quando si mantiene
acceso un motore di un’automobile all’interno di un luogo chiuso o quando si fa
uso di stufe difettose per il riscaldamento.
3.4.2 Reazioni di sostituzione
Come dice il nome, durante la reazione, in opportune condizioni, uno o più
atomi di idrogeno vengono sostituiti da altri tipi di atomi.
La reazione viene catalizzata dalla luce o dal riscaldamento a temperature
elevate.
Una tipica reazione di sostituzione è la reazione di alogenazione nel corso della
quale l’alcano reagisce con gli alogeni14, prevalentemente con cloro e bromo,
producendo un composto, chiamato alogenuro alchilico, formato dal gruppo
13
Monossido di carbonio (CO): se presente nell’aria inspirata, dà un composto irreversibilmente stabile con
l’emoglobina (carbossiemoglobina), impedendo pertanto il trasporto di ossigeno nel sangue.
14
Si chiamano alogeni gli elementi del settimo gruppo della tavola periodica.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
17
alchilico dell’alcano, unito a uno o più atomi dell’alogeno. Nella reazione si
produce inoltre il corrispondente acido alogenidrico.
R-H
+
alcano
A2
cloro
o bromo
luce o calore
R-A
+
alogenuro
alchilico
HA
acido
alogenidrico
Esempio di generica reazione di alogenazione
Esempio a):
H
H
|
|
H— C — C — H
|
|
H H
etano
+
Br — Br
H H
|
|
H— C— C — H
|
|
H Br
bromo
bromoetano
+
H — Br
acido bromidrico
esempio b):
facendo reagire metano con cloro si ottiene una miscela di prodotti di reazione
variamente alogenati, tra cui il cloroformio15 o triclorometano (CHCl3):
CH4 + Cl2
CH3— Cl + CH2— Cl2 + CH— Cl3 + C— Cl4 +
clorometano
diclorometano
triclorometano
HCl
tetraclorometano
4. ALCHENI
Gli alcheni sono composti organici costituiti anch’essi da carbonio e idrogeno
(e per questo appartenenti alla più ampia classe degli idrocarburi). Sono anche
noti come "olefine".
Gli alcheni sono idrocarburi caratterizzati dalla presenza nella molecola di un
doppio legame, pertanto i due atomi di carbonio interessati dal doppio legame
presentano ibridazione sp2.
Questo fa sì che i tre atomi legati ad ognuno dei carboni si trovino ai tre vertici
di un triangolo grossomodo equilatero. I due triangoli sono inoltre allineati lungo
l'
asse del legame e tra loro complanari.
Il primo dei due legami C-C è di tipo , formato dalla sovrapposizione di due
orbitali ibridi sp2 lungo l'
asse del legame; il secondo legame è di tipo π, formato
15
Il cloroformio è un liquido incolore molto volatile, ottimo solvente per oli, resine e grassi. Ha avuto un largo impiego
come anestetico generale, ma oggi è sostituito da sostanze meno tossiche.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
18
dalla sovrapposizione in direzione perpendicolare all'
asse del legame dei due
orbitali p non coinvolti nell'
ibridazione (pag. 4).
A differenza di quanto accade negli alcani, la rotazione dei due atomi di C,
attorno al doppio legame, è impedita.
Gli alcheni sono definiti idrocarburi insaturi in quanto, per la presenza del
doppio legame, contengono un numero di atomi di idrogeno inferiore rispetto al
corrispondente alcano.
La formula generale degli alcheni è: CnH2n dove n indica il numero degli atomi di
carbonio della catena.
Il primo idrocarburo della serie è l’etene o etilene:
H2C = CH2
H
H
C
C
H
H
Modello della molecola dell'
etene (etilene)
Come nel caso degli alcani, gli atomi di carbonio sono uniti tra loro attraverso
legami covalenti a formare una catena aperta, lineare o ramificata; due atomi di
carbonio adiacenti sono però uniti da un legame covalente doppio.
Anche gli alcheni possono avere catena ciclica: un esempio è la molecola di
limonene, componente dell’olio essenziale degli agrumi:
CH3
H2C
CH3
4.1. Nomenclatura degli alcheni
La nomenclatura IUPAC degli alcheni segue regole simili a quella degli alcani,
tuttavia occorre evidenziare alcune differenze:
il nome che viene dato alla catena principale è simile a quanto previsto
per gli alcani, ma il suffisso -ano viene sostituito dal suffisso -ene (etene,
propene, butene, pentene, esene, eptene, ottene, etc...);
il nome che viene dato alla catena principale è simile a quanto previsto
per gli alcani, ma il suffisso – ano viene sostituito dal suffisso – ene
(etene, propene, butene, pentene, esene, ertene, ottene, etc….);
nel numerare la catena principale, il numero più basso possibile dovrà
essere assegnato ai due atomi di carbonio coinvolti nel doppio legame.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
19
Esempio
1-butene
2-metil-2-butene
L’alchene più semplice è l’etene, chiamato anche con il nome tradizionale di
etilene.
Anche il secondo termine, il propene, è spesso chiamato con il nome
tradizionale di propilene.
Dal butene in poi si deve specificare la posizione del doppio legame con un
numero che precede il nome.
Esempi:
CH2 = CH2
etene o etilene
CH2 = CH – CH3
propene o propilene
CH2 = CH – CH2 – CH3
1-butene
CH3 – CH = CH – CH3
2-butene
I gruppi alchilici corrispondenti agli alcheni assumono la desinenza –enile:
formula alchene
CH2 = CH2
nome alchene
etene
CH2 = CH – CH3 propene
formula gruppo alchilico
CH2 = CH–
CH2 = CH – CH2–
nome gruppo
etenile (o vinile)
2- propenile (o allile)
Gli alcheni a catena aperta che presentano nella molecola due doppi legami
vengono chiamati dieni, quelli che presentano tre doppi legami trieni.
Essendo composti insaturi, hanno proprietà in gran parte simili a quelle degli
alcheni, ma per certe loro caratteristiche si distinguono in modo significativo.
La nomenclatura è la stessa degli alcheni, salvo che:
per il suffisso, che da –ene diventa –diene ;
per i due numeri necessari per indicare la posizione dei due doppi
legami.
Un diene particolarmente importante è il butadiene, in quanto è uno dei
componenti della gomma sintetica, realizzata per la prima volta nel 1939.
Questo grazie al processo di vulcanizzazione che consente di ottenere gomme
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
20
più resistenti, trova larghissima applicazione, basti pensare ai pneumatici delle
auto.
formula condensata
formula di struttura
H
H
CH2 = CH– CH = CH2
C
H
C
C
H
C
H
H
1-3-butadiene
1-3-butadiene
I dieni possono essere suddivisi in:
Coniugati, quando i doppi legami
sono separati da un solo legame
semplice.
Isolati, quando i doppi legami sono
separati da più di un legame
semplice.
C
H
C
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
sp2
H
C
sp2
H
H
Cumulati (o alleni), quando i doppi
legami non sono separati l'
uno
dall'
altro.
H
H
C
sp2
H
C
sp2
H
H
H
C
C
C
sp2
sp3
H
H
H
C
sp2
H
sp2
H
H
C
H
sp2
sp2
C
C
sp
sp2
H
21
A.2 Isomeria di posizione
L’isomeria di posizione si ha quando due alcheni hanno la stessa formula
molecolare e la stessa formula di struttura ma differiscono soltanto per la
posizione del doppio legame.
CH2 = CH – CH2 – CH3
1-butene
CH3 – CH = CH – CH3
2-butene
B. STEREOISOMERIA
Si dicono stereoisomeri i composti in cui le molecole hanno lo stesso
scheletro di atomi di carbonio e tutti gli atomi sono legati nella medesima
sequenza, ma presentano diversa disposizione spaziale relativa degli atomi
o dei gruppi funzionali.
Esistono due tipi di stereoisomeria: l’isomeria geometrica e l’isomeria ottica.
B.1 Isomeria geometrica ( isomeria cis – trans o isomeria Z – E )
Si riscontra quando nella molecola esistono impedimenti alla libera
rotazione di gruppi atomici in essa presenti. se ne trovano esempi sia nelle
molecole contenenti doppi legami C=C, sia in quelle con struttura ciclica.
Il doppio legame, essendo rigido, impedisce la rotazione delle due parti
della molecola intorno al legame. In questi casi le molecole hanno la stessa
composizione, ma orientamento spaziale diverso dei gruppi di atomi legati
alla catena. il nome del composto è lo stesso, ma si parla di isomero cis (Z)
e isomero trans (E).
L’isomero cis (Z) ha gli atomi di idrogeno disposti dalla stessa parte rispetto
al piano su cui giace il doppio legame, invece nell’isomero trans (E) gli
idrogeni sono opposti rispetto al piano del doppio legame.
Si prenda ad esempio il 2–butene, la molecola può avere struttura cis o
trans: a seconda della posizione del doppio legame, il butene può esistere
come 1-butene o 2-butene
H
C
C
H3C
cis-2-butene
H
H
CH3
H3C
C
CH3
C
H
trans-2-butene
L’isomeria cis-trans è presente anche nelle molecole cicliche dove si
osserva la diversa collocazione dei gruppi funzionali rispetto al piano della
molecola:
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
22
H
H
Cl
H
Cl
Cl
Cl
H
cis-1,2-diclorocicloesano trans-1,2-diclorocicloesano
Esempio biologico:
il retinale è un componente della rodopsina, pigmento presente nelle cellule
della retina denominate bastoncelli. Per azione di un fotone che eccita gli
elettroni del doppio legame, il legame π si allenta e la molecola ruota
passando dalla configurazione cis a quella trans. Questo cambiamento della
configurazione stimola una serie di variazioni chimiche che originano
l’impulso elettrico lungo il nervo ottico.
CHO
CHO
11-cis-retinale
11-trans-retinale
Reattività di alcheni e alchini
Gli alcheni e gli alchini hanno una caratteristica comune: sono composti insaturi
in quanto contengono nella loro molecola un doppio (alcheni) o un triplo
(alchini) legame. La presenza di un legame multiplo condiziona il loro
comportamento: alcheni e alchini hanno una elevata reattività e possono dar
luogo a una grande varietà di reazioni.
Gli alcheni, in particolare, hanno una grande importanza nell’industria chimica,
perché da essi si possono ottenere molte sostanze dotate di interessanti
proprietà.
Esempio biologico-ambientale:
una conseguenza di reattività del doppio legame riguarda l’inquinamento da ozono.
L’ozono (O3) è un gas che si trova negli strati alti dell’atmosfera ma che, in particolari
condizioni come inquinamento dell’aria e forte irraggiamento solare, può prodursi
anche negli strati bassi. L’ozono è un forte ossidante e reagisce fortemente con
molecole che presentano almeno un doppio legame spezzandolo (ozonolisi). Poiché le
membrane cellulari sono ricche di molecole con gruppi alchenici (es. i fosfolipidi), la
presenza di ozono è potenzialmente nociva per gli organismi viventi16.
16
Ozono : provoca anche irritazioni a naso, occhi e gola, attacchi di tosse e senso di oppressione al torace. Indebolisce
il sistema immunitario. E’ molto dannoso anche per le piante: compromette i meccanismi della fotosintesi.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
23
4.3 Reattività degli alcheni
Mentre le proprietà chimico-fisiche degli alcheni (punti di fusione e di
ebollizione, solubilità17) sono molto simili a quelle dei corrispondenti alcani, la
loro reattività è molto diversa.
Per il fatto di contenere un doppio legame C=C e quindi un gruppo insaturo, gli
alcheni sono molto reattivi e danno reazioni tipiche che coinvolgono il doppio
legame. Una reazione caratteristica del gruppo funzionale C=C è la reazione di
addizione che porta alla formazione di composti saturi. Il doppio legame è
formato da un forte legame e da un legame π più debole, pertanto la reazione
di addizione prevede la rottura del legame π.
Ciò in effetti è quanto si verifica e avviene con la rottura generalmente
eterolitica (vedi pag. 30) del legame.
Addizione
La reazione di addizione è una reazione in cui il reagente viene semplicemente
sommato alla molecola organica; questo tipo di reazione è quasi esclusiva di
composti contenenti atomi di carbonio legati da legami multipli.
Gli elettroni degli orbitali π esercitano nel legame un'
azione molto minore degli
elettroni degli orbitali e inoltre si trovano ad una distanza maggiore dal nucleo:
sono quindi meno saldamente legati e perciò più disponibili per un reattivo alla
ricerca di elettroni. Il doppio legame risulta, in definitiva, una «sorgente di
elettroni»; agisce cioè come una base di Lewis18. È ovvio quindi che tenda a
reagire con composti che hanno una lacuna elettronica, che sono cioè acidi di
Lewis19. I reagenti alla ricerca di elettroni si definiscono reagenti elettrofili e la
reazione tipica di un alchene è pertanto l'
addizione elettrofila.
Tra le principali reazioni di addizione al doppio legame troviamo le reazioni di:
- addizione di alogeni (alogenazione);
- addizione di idrogeno (idrogenazione);
- addizione di acqua (idratazione);
- addizione di monomeri (polimerizzazione).
Alogenazione
Nella reazione di alogenazione, all’alchene può essere addizionata o una
molecola di alogeno, in particolare il bromo (Br2), o una molecola di acido
alogenidrico come l’acido bromidrico (HBr).
Nella generica reazione sottoriportata, con XY si può intendere o Br2 o HBr.
17
Ogni sostanza può sciogliersi nello stesso solvente in diversa misura; la solubilità è la massima quantità in grammi di
soluto che si può sciogliere in 100 grammi di solvente.
18
Una base di Lewis è una molecola o uno ione negativo che possono dare una coppia di elettroni ad un altro atomo
per formare un nuovo legame.
19
una molecola o uno ione positivo che possono accettare una coppia di elettroni da un altro atomo per formare un
nuovo legame.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
24
C
C
+
XY
C
C
X
Y
Idrogenazione
La reazione avviene a temperature e pressioni non elevate in presenza di
catalizzatori metallici quali platino, palladio o nichel, producendo l'
alcano
corrispondente.
Durante l’idrogenazione dell’alchene il doppio legame viene trasformato in un
singolo legame e i due atomi di idrogeno della molecola H2 si uniscono ai due
atomi di carbonio, si forma così il corrispondente alcano:
R – CH = CH - R'+ H2
R - CH2 - CH2 - R'
Questo processo ha applicazione industriale. Infatti, per idrogenazione degli oli
ottenuti dalla spremitura dei semi di soia, arachide, girasole ecc., che
contengono molecole organiche insature, si ottengono composti saturi, le
margarine, che avendo punti di fusione più elevati sono commercializzati come
solidi, la reazione viene anche chiamata:“indurimento degli oli”.
Se per addizione di idrogeno ad un alchene si ottiene il corrispondente alcano,
viceversa, eliminando due atomi di idrogeno da due atomi di carbonio contigui
in una molecola di alcano si ottiene la formazione di un doppio legame e quindi
deidrogenazione20.
la molecola di un alchene
Idratazione
In presenza di un acido che funge da catalizzatore, una molecola di acqua si
addiziona al doppio legame come mostra la figura e si forma un alcol:
Questa specifica reazione presenta un particolare interesse industriale, viene
infatti utilizzata per la produzione di alcol etilico per via sintetica.
20
Mediante la reazione di deidrogenazione si producono perciò gli alcheni dagli alcani. Questo processo noto come
cracking permette a partire dal petrolio formato da grandi molecole di ottenere molecole più piccole e più leggere
come prodotti gassosi e benzine.
R-CH2-CH2-R' R-CH=CH-R'+ H2
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
25
Polimerizzazione
L'
addizione di una molecola di alchene ad un'
altra identica, ripetuta virtualmente
all'
infinito produce un esempio di polimero21.
Le reazioni di polimerizzazione degli alcheni avvengono per addizione: il doppio
legame presente in ciascun alchene si spezza e ogni molecola si unisce a due
molecole adiacenti.
Tra i materiali ottenuti per polimerizzazione degli alcheni ricordiamo:
- il polietilene (PE) che trova impiego nella produzione di pellicole e contenitori
per imballaggio di alimenti, bottiglie, tubi ecc.
- il polipropilene isotattico22 (nome commerciale moplen) che è largamente
usato per articoli casalinghi, igienico-sanitari, da laboratorio e nel settore tessile
(nome commerciale meraklon) per produrre articoli di abbigliamento e di
arredamento, moquette e cordami.
propilene
polipropilene
- il polivinilcloruro (noto come PVC) che ha vastissime applicazioni in edilizia,
elettrotecnica, arredamento, abbigliamento ecc.
vinilcloruro
polivinilcloruro
21
Per polimero si intende una molecola costruita da una numero enorme di unità semplici, dette monomeri, legate tra
loro in modo più o meno regolare.Esistono molti polimeri naturali che si formano attraverso complessi meccanismi
enzimatici (proteine, acidi nucleici, cellulosa, resine naturali).
L’ esigenza di trovare nuovi materiali per lo sviluppo tecnologico ha stimolato la ricerca chimica, a partire dagli anni 30
del ‘900, a produrre sinteticamente materiali a partire da sostanze diffuse in natura. Le materie plastiche (o materiali
sintetici) vengono prodotte utilizzando soprattutto idrocarburi quali metano, etilene, propilene, acetilene, che derivano
dal petrolio.
22
Isotattico significa che tutti i gruppi CH3 si trovano dalla stessa parte lungo la catena e questa regolarità conferisce al
polimero migliori qualità meccaniche.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
26
5. ALCHINI
Gli alchini sono idrocarburi caratterizzati dalla presenza di un triplo legame,
pertanto i due carboni interessati dal triplo legame presentano ibridazione sp.Un
legame C-C è di tipo σ, formato dalla sovrapposizione di due orbitali ibridi sp
lungo l'
asse del legame; il secondo ed il terzo legame sono di tipo π, formati
dalla sovrapposizione in direzione perpendicolare all'
asse del legame delle due
coppie di orbitali p non coinvolte nell'ibridazione. Tale doppia sovrapposizione
va a formare un unico orbitale approssimativamente a forma di tubo che
avvolge l'
asse del legame C-C lungo la sua lunghezza.
Gli alchini sono idrocarburi insaturi.
La formula generale degli alchini è: CnH2n-2 dove n indica il numero degli atomi
di carbonio della catena.
Il primo idrocarburo della serie è l’etino che viene anche chiamato acetilene ed
è anche il più interessante dal punto di vista industriale23.
C
H
H
C
C
H
C
H
molecola dell'
etino (acetilene)
Come nel caso degli alcani e degli alcheni gli atomi di carbonio sono uniti tra
loro attraverso legami covalenti a formare una catena aperta, lineare o
ramificata. Due atomi di carbonio adiacenti sono però uniti da un legame
covalente triplo.
5.1. Nomenclatura degli alchini
La nomenclatura IUPAC degli alchini segue regole simili a quella degli alcani,
tuttavia occorre evidenziare alcune differenze:
il nome che viene dato alla catena principale è simile a quanto previsto
per gli alcani, ma il suffisso -ano viene sostituito dal suffisso -ino (etino,
propino, butino, pentino, esino, eptino, ottino, etc...)
nel numerare la catena principale, il numero più basso possibile dovrà
essere assegnato ai due atomi di carbonio coinvolti nel triplo legame.
I radicali corrispondenti agli alchini assumono la desinenza –inile:
23
L’acetilene è impiegato in numerose sintesi chimiche e specialmente nel campo della fabbricazione dei monomeri
per resine viniliche oltre che per la fabbricazione di numerosi altri prodotti chimici; viene inoltre impiegato nel cannello
ossiacetilenico per il taglio e la saldatura dei metalli in quanto permette di raggiungere temperature di circa 2800 °C.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
27
formula alchino
nome alchino
formula gruppo alchilico
nome gruppo
CH ≡ CH
etino
CH ≡ C–
etinile
CH ≡ C – CH3
propino
CH ≡ C – CH2–
2-propinile
CH3 – C ≡ CH
propino
CH3
C≡C
1-propinile
5.2. Reattività degli alchini
Le reazioni degli alchini sono simili a quelle degli alcheni, ma il triplo legame
risulta meno reattivo del doppio legame. Tra gli alchini l’unico di interesse
rilevante è l’etino o acetilene.
Come per gli alcheni, anche la maggior parte della reattività degli alchini si
esplica attraverso reazioni di addizione al triplo legame.
Le reazioni di addizione possono essere lasciate procedere fino all'
ottenimento
di composti saturi (cioè con atomi legati tra loro solo da legami semplici) oppure
essere condotte in condizioni tali da favorire un'
addizione parziale,
trasformando quindi il triplo legame in un legame doppio.
L’addizione di H2 avviene a temperature e pressioni non elevate in presenza di
catalizzatori metallici quali platino, palladio o nichel, producendo alla fine
l'
alcano (b) corrispondente.
Durante l’idrogenazione dell’alchino il triplo legame viene trasformato in un
doppio legame e i due atomi di idrogeno della molecola H2 si uniscono ai due
atomi di carbonio, si forma così il corrispondente alchene (a):
a)
R–C
C - R'+ H2
b)
R–C
C - R'+ 2 H2
R – CH = CH - R'
R - CH2 - CH2 - R'
Gli alchini possono polimerizzare secondo un meccanismo analogo a quanto
succede per gli alcheni; in particolari condizioni è stato prodotto in laboratorio il
poliacetilene, un polimero la cui struttura è quella di un poliene coniugato
costituito da migliaia di atomi. Molecole di questo genere sono interessanti in
quanto diventano conduttori di corrente elettrica.
6. IDROCARBURI AROMATICI
Il termine «aromatico» fu usato inizialmente per designare i composti organici
dotati di odore gradevole. Oggi il termine ha piuttosto un significato “strutturale”,
poiché con esso si indicando molecole caratterizzate da un particolare assetto
elettronico, che conferisce loro un determinato comportamento chimico.
Il primo termine di questa famiglia è il benzene, che ha formula molecolare
C6H6, con un rapporto C:H uguale a 1.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
28
Formula di struttura del benzene
Fu ben presto chiaro che il benzene si comportava come se contenesse tre
doppi legami. Questi doppi legami mostravano tuttavia un'
insolita inerzia
chimica, tale da non poterli equiparare a "normali" doppi legami carboniocarbonio. Il termine aromatico iniziò ad assumere un significato volto piuttosto a
descrivere il loro particolare comportamento chimico, cioè la tendenza a dare
reazioni di sostituzione nonostante l'
elevato grado di insaturazione. Il problema
era quindi quello di definire una struttura del benzene in grado di accordarsi con
le osservazioni sperimentali.
Struttura di Kekulè del benzene
I dati sperimentali sono perfettamente in linea con questa rappresentazione:
ogni legame C-C è equivalente e la lunghezza di legame è intermedia tra quella
prevista per un legame semplice e uno doppio. La molecola è planare con
angoli di 120°; la forma è quindi quella di un esagono regolare. Ogni carbonio
ha ibridazione sp2 e i rimanenti orbitali p non ibridati, uno per atomo, sono
disposti perpendicolarmente al piano e parallelamente fra loro. In questo modo,
i sei elettroni rimanenti possono delocalizzarsi in un unico orbitale esteso a
tutto l'
anello.
È allo scopo di mettere in evidenza questo aspetto che si usa rappresentare il
benzene come un esagono con un cerchio al centro.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
29
Il benzene24 a temperatura ambiente è un liquido incolore dall'
odore
caratteristico, poco solubile in acqua e completamente miscibile con i solventi
organici.
Il gruppo funzionale ottenuto per
rimozione di un atomo di idrogeno
(C6H5-) prende il nome di fenile e viene
spesso abbreviato con la sigla Ph.
24
Si trova in natura nel petrolio greggio, ma in genere viene sintetizzato partendo da altri composti ottenuti dal
petrolio.Il benzene è un cancerogeno riconosciuto che danneggia in modo particolare le cellule germinali.Trova impiego
come additivo anti-detonante nella cosiddetta “benzina verde" in sostituzione del piombo tetraetile usato nella ‘’benzina
rossa’’; agisce come antidetonante aumentandone il numero di ottani. Negli Stati Uniti, come pure in Europa, in seguito
ai suoi effetti nocivi sulla salute, le autorità hanno posto il limite del contenuto di benzene nella benzina all'
1% in
volume.
Il benzene può venire a formarsi quando materiali ricchi di carbonio subiscono una combustione incompleta. In natura si
trova nei fumi dei vulcani e degli incendi boschivi. È presente anche nel fumo di sigaretta.
Fino agli anni ’20 fu usato spesso come solvente industriale, in special modo per sgrassare le superfici metalliche. Col
crescere della consapevolezza della sua pericolosità è stato via via sostituito da altri solventi nelle applicazioni che
comportano un'
esposizione diretta.
È un importante solvente nonché un reattivo basilare nella sintesi di numerosi composti, farmaci, materie plastiche,
gomme sintetiche, polimeri, coloranti.
Il maggiore utilizzo del benzene è tuttavia quello di intermedio per la produzione di altre sostanze chimiche. I composti
più importanti - in termine di quantità - derivati dal benzene sono lo stirene, materia prima per la produzione di polimeri,
l’acido tereftalico, materia prima per il polietilentereftalato (PET), il fenolo ed il cicloesano, utilizzato nella sintesi dei
nylon. Minori quantità di benzene vengono impiegate per produrre gomme, lubrificanti, coloranti, detergenti, farmaci,
esplosivi e pesticidi.
La respirazione di aria contaminata da benzene a livelli elevati produce stati confusionali, tachicardia, mal di testa,
tremore ed incoscienza; livelli molto elevati possono essere mortali. Mangiare o bere cibi contaminati da benzene può
causare vomito, irritazione delle pareti gastriche, sonnolenza, convulsioni, tachicardia e morte.
I più gravi effetti che si manifestano in caso di una lunga esposizione sono principalmente a carico del sangue. Il
benzene danneggia il midollo osseo e provoca un calo del numero dei globuli rossi portando all’anemia. Può inoltre
ostacolare la coagulazione del sangue e deprimere il sistema immunitario. Tra gli effetti a lungo termine rientra anche la
leucemia. Alcune donne esposte a livelli elevati di benzene per molti mesi hanno avuto anomalie nel ciclo mestruale ed
una diminuzione del volume delle ovaie. Non è ancora noto se l'
esposizione al benzene danneggi il feto durante la
crescita e possa ridurre la fertilità maschile. Studi condotti su animali hanno dimostrato che l'
esposizione al benzene
durante la gravidanza porta a nascite sotto peso, ritardi nello sviluppo osseo e danni al midollo osseo dei nascituri.
È possibile misurare l'
esposizione al benzene attraverso le analisi delle urine, del sangue e del fiato espirato. Nel primo
caso l'
analisi può essere però falsata dal fatto che i prodotti di degradazione metabolica del benzene sono gli stessi
derivati dal metabolismo di altre sostanze. Negli altri due casi, le analisi vanno eseguite in tempi brevi dopo
l'
esposizione, dato che il benzene viene metabolizzato abbastanza rapidamente.
L'
uso del benzene come antidetonante nella cosiddetta "benzina verde" ha reso il traffico urbano una delle principali
fonti di inquinamento da benzene dell'
aria delle città e del loro hinterland. Si calcola che il traffico automobilistico sia
responsabile dell’82% del benzene che inquina l’aria delle aree urbane. Tuttavia, l’esposizione maggiore al benzene da
parte dell’organismo deriva dal fumo di sigaretta (45%), da attività come il cucinare con fuoco di legna, verniciare e
usare di solventi (34%), per il 18% dal traffico automobilistico e per il 3% dall’industria.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
30
APPROFONDIMENTO
Le reazioni della chimica organica
Le reazioni della chimica organica implicano normalmente la rottura di legami e la
formazione di nuovi. Poiché il legame covalente è sempre formato da una coppia di
elettroni condivisa da due atomi (a:b), esso può scindersi essenzialmente in due
modi:
1) omolitico o radicalico. In questo caso, ciascun atomo si “prende” un elettrone
(a:b
a• + b•) e si formano dei radicali. Le reazioni che comportano questo tipo di
scissione si dicono radicaliche; sono piuttosto violente, esplosive, e spesso
procedono con un meccanismo “a catena”, poiché i radicali, per la presenza
dell'elettrone spaiato, sono molto reattivi ed hanno un tempo di vita molto breve. La
formazione di radicali è un processo che richiede una certa energia: è favorita dal
calore e dai raggi UV. Molto difficile in solventi polari, avviene più rapidamente in
solventi apolari. La rottura omolitica è tipica del legame (covalente apolare).
2) eterolitico o ionico. In questo caso il doppietto elettronico viene preso
interamente da uno dei due atomi e si formano quindi un anione e un catione (a:b
a:– + b+). La rottura eterolitica è frequente nei legami oppure quando vi è una certa
differenza di elettronegatività tra i due atomi legati. Gli ioni che si formano sono
anch'
essi molto reattivi, ma hanno una vita media più lunga dei radicali.
La maggioranza delle reazioni organiche procede attraverso meccanismi “ionici”; le
reazioni radicaliche sono per lo più limitate ai legami covalenti apolari (o quasi) o a
reazioni di polimerizzazione.
7. GRUPPI FUNZIONALI
Gli idrocarburi sono considerati i precursori di tutti gli altri composti organici.
Possiamo immaginare ogni composto organico come derivante dalla
combinazione di un gruppo R (residuo carbonioso) con uno o più gruppi
funzionali.
Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo di atomi che sostituisce un
atomo di idrogeno in una molecola idrocarburica conferendole delle specifiche e
caratteristiche proprietà.
Il gruppo funzionale è l’unico punto molecolare nel quale possono avvenire
reazioni tipiche, il resto della catena carboniosa, che viene indicata
genericamente con un simbolico - R25 (gruppo alchilico) o – Ar26 ( gruppo
arilico), partecipa scarsamente o non partecipa affatto alle reazioni. Per questa
ragione è proprio il gruppo funzionale che conferisce il nome al composto che lo
contiene.
Molti gruppi funzionali sono polari ( es. –OH, -COOH, -NH2, ecc) e quindi
facilmente solubili nei solventi polari, come ad esempio l’acqua, con la quale
stabiliscono deboli legami a idrogeno27: per questo vengono detti idrofili.
Ciò riveste grande importanza per le funzioni vitali, in quanto gli organismi
viventi sono composti mediamente per il 70% di acqua.
25
R = gruppo alchilico derivante da un idrocarburo alifatico
Ar = gruppo arilico derivante da un idrocarburo aromatico
Legame a idrogeno: questo legame si instaura tra molecole fortemente polarizzate in cui l’idrogeno è legato a atomi
molto elettronegativi (N, O, F); quando le molecole si avvicinano si determina un’attrazione elettrica, chiamata ponte a
idrogeno o legame a idrogeno, tra l’H di una molecola e gli atomi molto elettronegativi di un’altra molecola; tale legame,
pur debole, può influenzare la proprietà delle sostanze (ad esempio la struttura nelle proteine) o l’aumento di volume
dell’acqua quando passa allo stato solido o l’alto valore della sua temperatura di ebollizione.
26
27
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
31
I gruppi funzionali non – polari vengono indicati invece come idrofobi.
La reattività tipica dei composti è conferita dunque dal gruppo funzionale e non
è influenzata (se non in casi particolari) dalla lunghezza o dalla struttura della
catena idrocarburica a cui è unito lo stesso.
Gruppo
funzionale
Nome del
gruppo
Classe del
composto
C=C
doppio
legame
alchene
C
C
triplo
legame
alchino
- Cl
cloro
cloruro
CH3 - Cl
- OH
ossidrile
alcool
H3C - CH2 - OH
R – O – R’
alcossi
etere
H3C - O - CH3
H
H
aldeide
C
Esempio
C
C
H–C
O
H3C - C
Etino
Metilcloruro
Etanolo
Metossimetano o
dimetiletere
Etanale
H
O
chetone
Etene
H
C–H
carbonile
O
H
Nome IUPAC
Propanone
H3C - C - CH3
C
O
OH
- NH2
O
H
C
N
O
C
carbossile
acido
carbossilico
amminico
ammina
primaria
ammidico
ammide
H
estereo
O-R
estere
O
H3C - C
OH
H3C - NH2
O
H3C - C
Acido etanoico
Metilammina
Etanammide
NH2
O
H3C - C
Metiletanoato
O CH3
8. ALCOLI
Si è precedentemente visto come dall’idratazione di un alchene derivi un alcol.
Gli alcoli sono caratterizzati dalla presenza del gruppo funzionale –OH legato
ad una catena alifatica. Nel caso di alcoli monovalenti il gruppo funzionale
sostituisce un solo atomo di idrogeno, mentre negli alcoli polivalenti vengono
sostituiti più atomi di idrogeno.
Il nome degli alcoli si ottiene da quello del corrispondente idrocarburo
sostituendo la lettera finale con il suffisso -olo nel caso degli alcoli monovalenti;
CH4
metano
CH3 – OH
metanolo o alcol metilico
CH3 – CH3 etano
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
CH3 – CH2 – OH
etanolo
o alcol etilico
32
In caso di catene molto lunghe la numerazione della catena inizia sempre
dall’estremità più vicina a –OH e il numero che precede il nome dell’alcol indica
a quale carbonio è legato l’ossidrile.
CH3
5
CH3
OH
3
4
CH2
C
2
CH
1
CH3
CH3
4,4-dimetil-2-pentanolo
A seconda del carbonio sul quale si trova il gruppo –OH, gli alcoli si distinguono
in primari, secondari e terziari, ovviamente isomeri tra loro.
1
2
CH2 CH2
OH
3
4
1
CH2 CH3
2
CH3 CH
3
CH2
CH3
4
CH3
CH3 C
OH
1-butanolo
alcol primario
CH3
OH
2-butanolo
alcol secondario
terz -butanolo
o alcol terziario
Le tre molecole sono anche un esempio di isomeria di posizione.
Nel caso di alcoli polivalenti, che contengono due-tre o più gruppi – OH, la
desinenza –diolo, -triolo, -tetraolo è preceduta dal nome del corrispondente
idrocarburo e preceduta o seguita da uno dei numeri che identificano la
posizione di ogni –OH presente in molecola.
Un esempio importante di trialcol è l’1,2,3-propantriolo, noto comunemente
come glicerolo, o glicerina, che contiene tre gruppi – OH
I
I
CH2– OH
CH – OH
CH2– OH
1,2,3 propantriolo o glicerolo
8.1 Proprietà chimiche
Le proprietà degli alcoli sono legate alla forte elettronegatività dell’ossigeno e
alle coppie elettroniche non impegnate in legami situate sullo stesso.
..
CH3 - OH
CH3 - CH2 - OH
..
metanolo
28
o alcol metilico
etanolo
29
o alcol etilico
28
Il metanolo CH3OH,una volta veniva preparato per distillazione secca del legno (spirito di legno); ora è
prevalentemente prodotto per reazione tra ossido di carbonio e idrogeno sotto pressione e in presenza di catalizzatori:
CH3OH
CO + 2H2
Il metanolo è un liquido incolore, volatile e infiammabile; è solubile in acqua in tutte le proporzioni. Ha un odore
gradevole e inebriante ma è molto tossico: se ingerito provoca lesioni gravi al sistema nervoso centrale, al fegato ed al
nervo ottico (cecità).
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
33
Tipiche reazioni degli alcoli sono le ossidazioni mediante ossidanti energici
(KMnO4 o Na2Cr2O7) che conducono rispettivamente:
a) gli alcoli primari
ad aldeidi. Se ulteriormente ossidate le aldeidi
formano gli acidi carbossilici corrispondenti
R - CH2OH
1/2 O2
-
H 2O
O
R-C
1/2 O2
R-C
H
alcol primario
aldeide
b) gli alcoli secondari
O
OH
acido carbossilico
a chetoni
O
OH
R - CH - R'
alcol secondario
1/2 O2
-
H 2O
R - C - R'
chetone
A.3 Isomeria di gruppo funzionale
Se due isomeri hanno la stessa formula molecolare, cioè contengono lo
stesso tipo di atomi e nello stesso numero, ma gruppi funzionali diversi uniti
alla catena, si parla di isomeri di gruppo funzionale.
Per esempio, alla formula grezza C4 H10 o corrispondono due isomeri
appartenenti a due classi di composti chimicamente molto diversi: il primo è
un alcol, il secondo è un etere.
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
OH
n-butanolo o alcool n-butilico o 1-butanolo
H
H
H
C
C
H
H
O
H
H
C
C
H
H
H
dietiletere o etere dietilico o etere
9. ETERI
Gli eteri sono composti organici di formula generale R’ – O – R’’ in cui il gruppo
funzionale è l’atomo di ossigeno che è legato covalentemente a due gruppi
alchilici che possono essere tra loro uguali (eteri semplici o simmetrici) oppure
diversi (eteri misti o asimmetrici).
29
L’etanolo CH3CH2OH è un liquido incolore, volatile di odore gradevole. E’ molto solubile in acqua. Viene prodotto con
la fermentazione alcolica, processo naturale che consiste nella demolizione enzimatica (da parte di lieviti) di carboidrati
presenti in liquidi zuccherini (succhi d’uva o altra frutta, cereali, patate,ecc) ad anidride carbonica e alcol etilico. L’alcol
può essere usato come bevanda ma ad elevate quantità risulta tossico per: apparato digerente, fegato e sistema
nervoso. Se miscelato a sostanze maleodoranti e colorate, cioè denaturato per evitare un uso alimentare, viene usato
come sgrassante e debole disinfettante.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
34
Per nominare questi composti la parola – etere è preceduta dai nomi dei gruppi:
metossi etossi -
– O – CH3
metossietere
– O – CH2 – CH3 etossietere
L’etere più comune è l’etere dietilico (figura sopra), che in commercio viene
chiamato semplicemente etere.
E’ usato come anestetico e come solvente in laboratorio.
Molto volatile è altamente infiammabile e quindi pericoloso.
B.2 Isomeria ottica o enantiomeria
Osservando le mani accostate, apparentemente sembrano uguali ma se si
tenta di sovrapporle a palmi entrambi volti verso il basso o entrambi volti
verso l’alto, le dita non coincideranno: al pollice dell’una corrisponderà il
mignolo dell’altra e viceversa; lo stesso accade per le altre dita.
Se invece si pone davanti allo specchio la mano destra, con palmo rivolto
allo specchio, quest’ultimo rifletterà esattamente l’immagine del palmo della
mano sinistra. Lo stesso accade per la mano destra.
Da ciò si può dedurre che ogni mano non è sovrapponibile alla sua
immagine speculare.
Altre parti godono della stessa proprietà: orecchie, occhi, piedi, scarpe,
guanti ecc.
Tutte le strutture che godono di questa proprietà si dicono chirali.
La chiralità è una proprietà molto diffusa in natura e anche in chimica
esistono molecole chirali.
Nelle molecole chirali è sempre presente almeno uno stereocentro o
centro stereogenico, rappresentato da un carbonio chirale, chiamato anche
carbonio asimmetrico che si contrassegna, per convenzione, con un
asterisco (c*).
Un carbonio è asimmetrico quando è legato a quattro atomi o gruppi di
atomi diversi.
C*
La presenza di un carbonio asimmetrico conferisce alla molecola una
proprietà del tutto particolare: quella di esistere in due isomeri diversi, i
quali, pur avendo la stessa formula di struttura, differiscono per la
disposizione nello spazio degli atomi o dei gruppi di atomi legati allo
stereocentro, risultando uno l’immagine speculare dell’altro (quindi mai
sovrapponibili).
Si definiscono enantiomeri o antipodi ottici gli isomeri a
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
immagine
35
speculare, tali che le loro strutture spaziali non sono comunque
sovrapponibili.
Indicando con lettere diverse gli atomi o i gruppi di atomi legati al carbonio
asimmetrico le due molecole speculari ottenute si dicono enantiomeri.
X
X
C
C
Z
Z
Gli enantiomeri sono sostanze otticamente attive e vengono chiamati
isomeri ottici o antipodi ottici.
infatti gli enantiomeri hanno le stesse proprietà fisiche con un'
unica
eccezione: l’opposto comportamento nei confronti della luce polarizzata.30
O
C
H
O
C
H
HO - C*- H
H - C*- OH
CH2OH
CH2OH
a) (+)-gliceraldeide
b) (-)-gliceraldeide
L’isomero a) della gliceraldeide fa ruotare il piano di vibrazione della luce
polarizzata verso destra
potere rotatorio destrogiro indicato con il
segno + o con la lettera d- (minuscolo).
L’isomero b) della gliceraldeide fa ruotare il piano di vibrazione della luce
polarizzata verso sinistra
potere rotatorio levogiro indicato con il
segno - o con la lettera l- (minuscolo).
Una miscela in parti uguali di due enantiomeri è otticamente inattiva e si
definisce racemo.
Gli enantiomeri hanno le stesse proprietà chimiche, salvo che nei
confronti dei reagenti otticamente attivi, rispetto ai quali manifestano
velocità di reazione diverse.
10. ALDEIDI E CHETONI
Sono entrambi caratterizzati dalla presenza del gruppo carbonile in cui l’atomo
120°
120°
2
di carbonio è in stato di ibridazione sp .
C
O
120°
30
La normale luce solare vibra in infiniti piani, tutti perpendicolari alla direzione di propagazione del raggio luminoso. La
luce resa polarizzata dall’uso di particolari lenti vibra in un solo piano. Quando un raggio polarizzato attraversa una
soluzione di una sostanza otticamente attiva il piano di vibrazione del raggio emergente risulta ruotato di un certo
angolo o verso destra (+) o verso sinistra (-). Il potere rotatorio di una sostanza viene misurato con un polarimetro.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
36
Nelle aldeidi il gruppo
gruppo R o Ar.
C=O
è legato ad un atomo di idrogeno e a un
O
H
Nei chetoni la funzione
C=O
C
R'
è legata a due gruppi - R o - Ar .
O
R C R'
Nel gruppo carbonilico il doppio legame C=O risulta formato da un legame
(tra un orbitale ibrido sp2 di C e un orbitale sp2 di O) e da uno
(sovrapposizione di un orbitale non ibrido 2p di C e un orbitale 2p di O), come
nel gruppo – ene alchenico; tuttavia la forte elettronegatività dell’ossigeno
rispetto al carbonio deforma la nuvola di carica, conferendo al legame una
spiccata polarizzazione.
10.1 Nomenclatura
Aldeidi
Secondo la nomenclatura IUPAC le aldeidi alifatiche derivano il loro nome dal
corrispondente idrocarburo con desinenza – ale;
CH3 –CH3
CH3 – CHO
etano
etanale o aldeide acetica o acetaldeide
Nelle catene più lunghe la numerazione inizia dal carbonio contenente il gruppo
carbonile che ovviamente si deve trovare sempre al termine della catena.
O
5
C
3
4
C
C
2
C
1
C
H
Chetoni
Anche i chetoni derivano il nome dall’idrocarburo corrispondente con desinenza
–one, preceduto dal numero corrispondente alla posizione del gruppo carbonile
nella catena idrocarburica.
Molto diffusi sono ancora i nomi convenzionali oppure la denominazione dei
due gruppi idrocarburici legati al carbonile seguita dal termine chetone.
CH3 - CO - CH3
dimetilchetone o propanone
o acetone
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
1
2
CH3
3
4
CH3 - CO - CH - CH3
3-metil -2-butanone
o isopropilmetilchetone
37
Anche in questi composti la numerazione della catena carbonica di base (la più
lunga) inizia sempre dall’estremità più vicina al gruppo carbonile (gruppo
funzionale).
10.2 Proprietà di aldeidi e chetoni
Proprietà fisiche
La presenza del gruppo carbonilico fortemente polare aumenta la temperatura
di ebollizione rispetto a molecole di egual massa, ma apolari, ed aumenta la
solubilità in acqua (almeno in catene fino a 5 C).
Proprietà chimiche
La presenza del gruppo carbonile:
• facilita il distacco degli atomi di H dei C contigui al gruppo carbonile
favorendo le reazioni di sostituzione;
• manifesta proprietà riducente31, trasformandosi in gruppo carbossilico
O
R-C
H
aldeide
•
+
1/2 O2
R-C
O
OH
acido carbossilico
permette reazioni di addizione al doppio legame C=O
Le molecole che costituiscono gli esseri viventi contengono gruppi funzionali e
si dividono in tre classi principali di sostanze alimentari: glucidi, lipidi e protidi.
Queste molecole sono indispensabili per costruire e far funzionare il nostro
organismo e per mantenerlo in buone condizioni.
11. GLUCIDI
I glucidi, detti anche zuccheri (quelli solubili in acqua), perché alcuni di essi
hanno sapore dolce, venivano anche chiamati idrati del carbonio o carboidrati
perché la loro formula grezza si può scrivere genericamente Cn(H2O)n, dove n
corrisponde al numero degli atomi di carbonio (C3H6O3; C4H8O4; C5H10O5…. ).
Sono molecole polifunzionali che contengono i gruppi funzionali alcolico e
aldeidico o chetonico.
Sono i primi composti che si formano durante la fotosintesi clorofilliana32 e sono
importanti nell’alimentazione in quanto hanno un ruolo fondamentale nella
produzione di energia.
31
Riducente: una sostanza che provoca riduzione (processo che comporta acquisto di elettroni) viene detto riducente;
al contrario una sostanza che provoca ossidazione (processo che comporta la perdita di elettroni) viene detto ossidante:
ossidazione e riduzione avvengono sempre contemporaneamente, perché se un atomo perde elettroni un altro li deve
acquistare.
32
Fotosintesi clorofilliana : tutti i vegetali verdi e alcuni batteri hanno la capacità di utilizzare l’energia luminosa per
trasformare sostanze inorganiche ( anidride carbonica e acqua) povere di energia in composti organici (glucosio) ricchi
di energia; la formula che indica la fotosintesi è:
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
38
La nomenclatura IUPAC prevede la desinenza –oso per questi composti:
glucoso, fruttoso, riboso, saccaroso; ma la nomenclatura tradizionale è ancora
molto usata ( glucosio, fruttosio, ribosio, saccarosio..).
I glucidi possono essere divisi in tre gruppi:
monosi o monosaccaridi
( glucosio, fruttosio, ribosio,ecc)
Glucidi
disaccaridi o oligosaccaridi
(lattosio, saccarosio, maltosio)
poliosi
polisaccaridi
(amido, cellulosa, glicogeno)
11.1 Monosaccaridi
I monosaccaridi sono composti in cui tutti gli atomi di carbonio presentano un
gruppo funzionale alcolico –OH tranne uno che si presenta con un gruppo
funzionale aldeidico –CHO oppure chetonico –CO: nel primo caso si parlerà di
aldosi, nel secondo di chetosi.
L’aldoso più semplice, un trioso (3C), è la gliceraldeide, con un gruppo alcolico
primario e uno secondario; il chetoso più semplice è il diossiacetone.
O
C
H
HO - C*- H
CH2OH
L –(-) -gliceraldeide
CH2OH
C=O
CH2OH
diidrossiacetone
Esistono poi composti a 4C (tetrosi), a 5C (pentosi) e 6C (esosi).
Nella gliceraldeide è presente un centro asimmetrico (C*), quindi esiste una
forma destrogira (+)-gliceraldeide (anche d-) e una forma levogira (-)gliceraldeide ( anche l-).
Per convenzione, i composti vengono però indicati anche dalle lettere D o L,
facenti riferimento solo alle caratteristiche strutturali, che indicano
rispettivamente che:
D (maiuscolo)
l’ossidrile –OH sullo stereocentro più lontano dal gruppo
aldeidico o chetonico si trova a destra della catena carbonica (nella
struttura lineare);
L (maiuscolo) l’ossidrile –OH sullo stereocentro più lontano dal gruppo
aldeidico o chetonico si trova a sinistra della catena carbonica (nella
struttura lineare).
Tutti i monosaccaridi presentano atomi di carbonio asimmetrici e possono
quindi avere stereoisomeri destrogiri e levogiri.
6 CO2 + 6 H2 O + energia luminosa
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
C6 H12O6 + 6 O2
39
O
1
C
O
H
C
H
HO
C
OH
C
OH
2
HO
3
H
4
H
5
6
CH2OH
D-(-)-fruttosio
C
2
H
C
OH
C
H
C
OH
C
OH
3
H
H
4
5
6
CH2OH
33
1
CH2OH
D-(-)-glucosio34
Analizzando alcune proprietà chimiche dei monosaccaridi si è osservato che
esse non possono essere spiegate con la struttura lineare che caratterizza le
formule di Fischer (ovvero quelle sopra).
Per esempio il D-glucosio:
- non dà alcune reazioni tipiche delle aldeidi, di cui possiede il gruppo
funzionale;
- esiste in due forme isomere ( e ) che differiscono per il valore del
potere rotatorio della luce polarizzata.
Nel 1884, B.C.G. Tollens propose che gli zuccheri in soluzione assumessero
una struttura ciclica ottenendo una reazione tra il gruppo aldeidico in C1 e il C in
posizione 4 o 5 (
ponte glicosidico). In questo modo si formano le forme
isomere e che vengono dette anomeri.
Nella rappresentazione di Haworth sottostante le molecole vengono descritte
secondo figure geometriche regolari che per il glucosio sono:
CH
OH
2
6
O H
H 5
H
1
4
OH H OH
OH 3
2
OH
H
–D- glucosio
CH2OH
O OH
H 5
H
4
1
OH H
OH 3
2 H
H
OH
6
-D- glucosio
Le due configurazioni isomere del glucosio,
e , differiscono per
l’orientamento spaziale dei gruppi –OH (ossidrile anomerico) legati al C1
(carbonio anomerico).
Le forme e , in soluzione, sono in equilibrio tra loro e con quella lineare.
11.2 Disaccaridi
Sono composti formati da due monosaccaridi legati tramite legame glicosidico,
in cui l’-OH in posizione 1 di una molecola reagisce con l’-OH in posizione 4
della molecola adiacente con eliminazione di una molecola d’acqua.
33
Il fruttosio è molto abbondante in natura, particolarmente nella frutta e nel miele.
Il glucosio è il prodotto della fotosintesi clorofilliana e riveste particolare importanza negli animali poiché è il composto
nel quale vengono trasformati tutti gli zuccheri introdotti nell’organismo ed è l’unico circolante nel sangue.
34
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
40
H
CH2OH
OH
H
OH
H
O H
H
1
H
+
OH
4
HO
OH
-glucosio
+
CH2OH
H
OH
O H
H
H
OH
OH
H
CH2OH
OH
H
OH
H
H
H
O H
O
OH
-glucosio
CH2OH
O H
H
OH
H
H
OH
maltosio
+ H2O
OH
+ acqua
Il legame glicosidico può venire scisso sotto l’azione di acidi o di enzimi (ad
esempio nella digestione), con una reazione di idrolisi, riottenendo i composti
iniziali.
I vari disaccaridi35 differiscono per la natura dei monosaccaridi costituenti e a
seconda degli atomi di carbonio fra cui si viene a stabilire il legame glicosidico.
CH2OH
O H
H
OH H
OH
H
OH
H
O
O
HOH2C
CH2OH
H
OH
OH
H
H
saccarosio ( -glucosio + - fruttosio)
CH2OH
O
H
OH H H
H
H
OH
HO
H
O
CH2OH
O H
H
OH H
OH
H
OH
lattosio ( -galattosio + -glucosio)
11.3 Polisaccaridi
Sono composti macromolecolari formati dall’unione di molte unità (>100) di
monosaccaridi tramite legame glicosidico. In natura esistono l’amido, la
cellulosa, l’inulina, il glicogeno.
L’amido è il più importante materiale di riserva per i vegetali (semi) ed è un
alimento fondamentale per l’uomo e gli animali (pane, pasta ,riso, patate, ecc).
Si forma dalla condensazione di un numero molto elevato di molecole di glucosio ( 1000/3000) che formano catene lineari (amilosio – 10/20%) e
ramificate (amilopectina – 80/90%).
Esempio di catene di amido
Il glicogeno è presente come riserva energetica animale nel fegato e nei
muscoli e può essere considerato, negli animali, il corrispondente
dell’amilopectina (ma ancora più ramificato).
35
Il saccarosio corrisponde allo zucchero propriamente detto e viene estratto dalla canna da zucchero o dalla
barbabietola da zucchero e costituisce la maggior parte dei carboidrati del miele. La miscela 50/50 di glucosio e
fruttosio che si forma quando il saccarosio viene idrolizzato è detta “zucchero invertito”.
Il lattosio è lo zucchero tipico del latte: nel latte di mucca ne sono presenti 45g/L, nel latte di donna 75g/L.
Il maltosio esiste allo stato naturale nell’orzo germogliato (malto) ed è un importante prodotto intermedio nella
formazione dei polisaccaridi di accumulo negli organismi viventi: glicogeno (negli animali) e amido (nei vegetali).
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
41
Si forma dalla condensazione di un numero molto elevato di molecole di glucosio (da 1700 a 600.000).
La cellulosa ha funzione di sostegno nel regno vegetale, dove costituisce la
parete cellulare delle cellule. Ha massa molecolare molto elevata ed è formata
dalla condensazione di molecole di - glucosio; le sue molecole non sono
ramificate e quindi assomigliano a quelle dell’amilosio.
Quasi tutte le reazioni dei sistemi viventi richiedono enzimi come catalizzatori, e
tutti gli enzimi esistenti in natura sono chirali. Ogni composto che subisce una
reazione catalizzata da un enzima è detto substrato dell’enzima. Quando una
molecola di substrato si avvicina ad un enzima, se le forme delle due molecole
non sono complementari e non si adattano l’una all’altra (come la chiave alla
propria serratura specificità dell’enzima), non avviene alcuna reazione.
enzima
C*
sito specifico
substrato
Ecco perché l’L-glucosio non ha alcuna funzionalità biologica o perché la
cellulosa non è digeribile dall’uomo.
Gli esseri umani sono privi degli enzimi capaci di catalizzare l’idrolisi dei ponti –
della cellulosa e quindi l’enorme riserva di cellulosa presente nelle piante di
tutto il pianeta non è di alcuna utilità dal punto di vista nutrizionale. Alcuni ceppi
batterici presenti nell’apparato digerente dei bovini e di altri animali sono invece
in grado di idrolizzarla, ed è questo il motivo per cui gli erbivori possono cibarsi
del fieno e di altri vegetali.
12. ACIDI CARBOSSILICI
Gli acidi organici sono caratterizzati dalla presenza in molecola del gruppo
C
carbossile
OH
O
che compare legato ad un gruppo - R o ad un gruppo – Ar.
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42
COOH
H - COOH
acido metanoico o acido formico
acido carbossilico alifatico
acido benzoico
acido carbossilico aromatico
12.1 Nomenclatura
Le norme IUPAC prevedono per gli acidi carbossilici il nome del corrispondente
idrocarburo con desinenza –oico, preceduto dalla parola acido: la numerazione
della catena inizia dal – COOH
CH3 - COOH
H - COOH
36
acido metanoico
o acido formico
acido etanoico38 o acido acetico
CH3 - CH2 - CH2 - COOH
CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - COOH
acido butanoico37 o acido butirrico
acido pentanoico o valerianico
Nel caso di molecole contenenti altri gruppi funzionali, per identificare la
posizione del gruppo si usa ancora indicare gli atomi di carbonio della catena
con le lettere greche , , cominciando dal carbonio contiguo al gruppo –
COOH.
È il caso dell’acido -idrossipropanoico o acido 2–idrossipropanoico o acido
lattico
OH
CH3 - CH - COOH
Per gli acidi con due carbossili la desinenza è –dioico, anche se sono ancora in
uso i nomi tradizionali (acido ossalico, malonico, succinico,citrico)
COOH
COOH
acido etandioico o acido ossalico
HOOC - CH2 - CH2 - COOH
acido butandioico o acido succinico
36
L’acido metanoico (acido formico), presente nelle formiche rosse, nelle api, nelle ortiche, nelle foglie degli abeti,
nelle processionarie, nel sudore è un liquido di odore pungente, caustico, e viene usato come antisettico, come
mordente in tintoria e come concia delle pelli.
37
L’acido butanoico (acido butirrico) è un liquido viscoso, con odore di burro rancido. E’ presente nel burro e nei
formaggi, unito al glicerolo.
38
L’acido etanoico (acido acetico) è il più importante tra gli acidi organici, per il suo vasto impiego in pratica. Si ottiene
dalla fermentazione ossidativa dell’etanolo (processo di inacidimento spontaneo del vino) ad opera del Mycoderma
aceti. .Industrialmente si prepara per ossidazione catalitica dell’etanale, a 60-70 °C, sotto debole pressione.
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43
12.2 Proprietà
Proprietà fisiche
Gli acidi carbossilici hanno molecola polare e, come tali, i primi quattro termini
della serie sono solubili in acqua in qualsiasi proporzione, ciò in conseguenza
dei legami a idrogeno che si stabiliscono con il solvente:
O ........ H
-C
H
OH ...... O
legame a idrogeno
con l’aumentare del numero degli atomi di carbonio la solubilità diminuisce
rapidamente fino ad annullarsi.
Proprietà chimiche
Il comportamento chimico è strettamente legato alla struttura del gruppo
carbossile che risulta formato da un gruppo carbonile e da un ossidrile. Si
possono avere:
1. reazioni di ionizzazione degli acidi organici, considerati acidi deboli; ciò è
molto importante nell’organismo poiché gli acidi carbossilici che l’organismo
produce normalmente con il metabolismo, devono essere neutralizzati (dallo
ione idrossido o dallo ione bicarbonato) per impedire che i liquidi organici
(es: sangue) possano subire variazioni di pH incompatibili con la vita.
2. reazioni di sostituzione del gruppo –OH.
13. ANIDRIDI
Le anidridi rispondono alla formula generale.
O
R-C
con R = R’ (simmetriche) o
con R # R’(asimmetriche o miste)
O
R'- C
O
Si possono considerare il prodotto della disidratazione intermolecolare degli
acidi
O
CH3 - C
acido etanoico
+
O
CH3 - C
OH
OH
acido etanoico
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O
O
H2 O + CH3 - C - O - C - CH3
acqua
anidride etanoica
44
14. ESTERI
Gli esteri rispondono alla formula generale R-COOR’ nella quale sono presenti
un gruppo alchilico di un acido carbossilico R-C=O e un gruppo –OR’, derivato
da un alcol, dove –R è una lunga catena idrocarburica.
Gli esteri si preparano mediante la reazione di esterificazione tra un acido
carbossilico ed un alcol con eliminazione di una molecola d’acqua.
O
O
+ HO - R'
R-C
OH
acido
alcool
R - C - O - R'+ H2 O
estere
acqua
E’ un fatto interessante che gli esteri di acidi maleodoranti (tutti gli acidi con 3 –
10 atomi di carbonio hanno un odore sgradevole) hanno generalmente un
odore gradevole e possono essere utilizzati come aromi naturali artificiali.
CH(CH3)2CH2CO2H isobutilformiato (lamponi)
CH3CO2(CH2)4CH3 pentilacetato (banane)
CH3CH2CH2CO2CH2CH3 etilbutirrato (ananas)
15. TRIGLICERIDI ( olii o grassi)
I trigliceridi o triacilgliceroli ( olii o grassi) sono esteri del glicerolo (propantriolo)
con acidi ad elevata massa molecolare. R,R’,R’’ derivano da acidi organici
alifatici a lunga catena, chiamati acidi grassi superiori.
CH2 - O - CO - R
CH - O - CO - R'
CH2 - O - CO - R"
Esistono:
a)
acidi grassi saturi ( in cui la catena idrocarburica presenta solo legami singoli)
Esempi:
acido laurico
C11H23COOH
(nel burro 2-5%)
acido palmitico
C15 H31COOH
(nel burro 25-29%)
acido stearico
C17H35COOH
(nel grasso bovino12-18%)
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
O
CH2
CH
CH2
C
O CH2
O
O
O
C
O
CH2
C
CH2
i legami singoli nella catena idrocarburica
dell’acido grasso consentono
l’”impacchettamento” e quindi avremo, a
temperatura ambiente, un trigliceride allo stato
burro, lardo.
solido
45
b)
acidi grassi insaturi ( in cui la catena idrocarburica può presentare uno o più
doppi legami)
Esempi:
Acido oleico
C17H33COOH
(olio di oliva 67-84%)
O
CH2
O
CH
acido linoleico
C17H31COOH
(olio di semi di lino 24-25%)
C
O CH2
O
CH2
C
O
O
CH2
C
CH2
acido linolenico
C17H29COOH
(olio di semi di lino 45-60%)
I legami doppi nella catena idrocarburica
dell’acido
grasso
non
consentono
l’”impacchettamento” e quindi avremo, a
temperatura ambiente, un trigliceride allo stato
liquido
gli olii.
La reazione di esterificazione per ottenere un trigliceride è la seguente:
H2C - OH
HC - OH
H2C - OH
H2C - O - CO - C15H31
HO - CO - C15H31
+
HO - CO - C15H31
3 H2 O
+
H2C - O - CO - C15H31
HO - CO - C15H31
glicerolo
acido palmitico
HC - O - CO - C15H31
acqua
gliceriltripalmitato (grasso)
I trigliceridi o grassi naturali, contenuti nelle sostanze di origine animale o
vegetale, sono una preziosa fonte di acidi grassi puri. Infatti i grassi, insolubili
in acqua, si lasciano facilmente idrolizzare in ambiente basico (NaOH, KOH) ad
alte temperature rigenerando il glicerolo e formando il sale di sodio o di potassio
dell’acido grasso superiore ( saponificazione) da cui risultano formati.
L’idrolisi dei grassi si può ottenere anche mediante enzimi ed è ciò che accade
all’interno del nostro organismo sia durante la digestione (nell’intestino tenue
dove abbiamo ambiente basico) sia nelle cellule.
Reazione di saponificazione:
H2C - O - CO - C15H31
HC - O - CO - C15H31
H2C - OH
+
3 NaOH
H2C - O - CO - C15H31
gliceriltripalmitato
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
HC - OH
H2C - OH
+
sodio idrossido
glicerolo
+
O
3 C15H31 - C - +
O Na
+ palmitato di sodio
(sapone solido)
46
16. AMMINE
Le ammine, in cui l’atomo di azoto conserva il proprio doppietto elettronico (2s2)
..
N
non impegnato, si possono considerare, dal punto di vista formale,
come derivate dall’ammoniaca, NH3, in cui uno o più atomi di idrogeno siano
stati sostituiti con altrettanti gruppi alchilici –R o arilici –Ar. Si possono avere tre
classi di ammine:
Ammina secondaria
.. H
R-N
H
..
R-N-H
Ammina terziaria
R
..
R-N-R
Ammina primaria
R
16.1 Nomenclatura
In genere si usa il nome dell’ammina preceduto da quello del gruppo o dei
gruppi legati all’atomo di azoto:
..
CH3 - N - H
CH3 - NH2
CH2 - CH3
metilammina
a. primaria
etilmetilammina
a. secondaria
16.2 Proprietà
Proprietà fisiche
Come l’ammoniaca, le ammine hanno la molecola polare tanto che, ad
eccezione delle ammine terziarie, possono formare dei legami intermolecolari a
idrogeno.
Anche con l’acqua tutte le ammine possono stabilire legami a H e quindi
risultano solubili, in particolare quando la catena carbonica non supera i 5C.
Proprietà chimiche
Grazie alla tendenza delle ammine a condividere spontaneamente il doppietto
elettronico libero sull’atomo di azoto, esse presentano caratteristiche chimiche
basiche.
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47
17. AMMIDI
Le ammidi, sia alifatiche che aromatiche, sono derivati degli acidi carbossilici
nei quali l’ossidrile OH del gruppo funzionale acido viene sostituito dal un
gruppo –NH2.
R-C
O
NH2
Le proprietà delle ammidi sono legate al gruppo funzionale –CONH2.
La presenza del carbonile rende la molecola fortemente polare e quindi in grado
di stabilire legami a H molto forti (buona la solubilità in acqua) che avranno
come conseguenza l’innalzamento del punto di ebollizione.
Le ammidi presentano un atomo di azoto meno basico delle ammine, poiché
l’atomo di ossigeno del carbonile richiama verso di sé il doppietto elettronico
dell’azoto rendendolo meno disponibile all’aggancio di eventuali reagenti
elettrofili.
17.1 Urea
Tra le ammidi particolarmente interessante è l’urea, sia dal punto di vista
biologico, in quanto è un prodotto del catabolismo delle proteine, sia dal punto
di vista industriale. Viene largamente impiegata come fertilizzante o come
materia prima dell’industria farmaceutica e nella produzione delle
macromolecole di sintesi (resine ureiche e poliuretaniche).
Dal punto di vista chimico è una diammide (ammide doppia) dell’acido
carbonico.
O=C
NH2
NH2
18. AMMINOACIDI
Tra i composti organici azotati, gli aminoacidi rivestono particolare importanza
biologica in quanto sono i componenti elementari delle proteine che
costituiscono le strutture portanti di ogni tessuto vivente e entrano nella
composizione degli enzimi, fondamentali catalizzatori biologici.
Il loro nome deriva dalla presenza sia del gruppo amminico –NH2 che del
gruppo carbossilico –COOH presenti nella loro molecola.
Tutti gli amminoacidi naturali sono -amminoacidi ovvero presentano i due
gruppi funzionali (amminico e carbossilico) legati allo stesso atomo di C( ).
H
R - C - NH2
COOH
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48
Differiscono invece per la catena laterale –R responsabile delle proprietà delle
proteine. Ad eccezione della glicina, tutti gli amminoacidi naturali presentano un
centro asimmetrico e quindi sono otticamente attivi e rispondono alla
configurazione relativa L, ma possono essere destrogiri (+) o levogiri (-) per
quanto riguarda la luce polarizzata.
COOH
C*
H2N
H
R
L–
– amminoacido
I vari amminoacidi naturali (20) sono stati classificati in base al gruppo
funzionale e ai gruppi costituenti la catena laterale –R:
- amminoacidi con catena apolare;
- amminoacidi con catena acida;
- amminoacidi con catena basica;
- amminoacidi contenenti zolfo;
- amminoacidi con catena contenente un ossidrile (alcolico o fenolico).
18.1 Peptidi e Polipeptidi
I peptidi sono prodotti di condensazione (-H2O) ottenuti dalla reazione tra il
gruppo –NH2 di un aminoacido e il gruppo –COOH di un altro.
Il legame ammidico – NH – CO – che ne risulta viene indicato come legame
peptidico:
H
H
H H O
H
R-C-N
R - C - N - C - CH - NH2
+ R - C - NH2
H
O
R
COOH
COOH
C
- H2 O
OH
Dopo la condensazione restano liberi, alle due estremità molecolari,
rispettivamente un gruppo –COOH e un gruppo –NH2 disponibili per le
condensazioni successive.
Con questo meccanismo si formano i polipeptidi ( proteine).
Le catene laterali (R) degli aminoacidi influenzano la struttura e le proprietà
delle proteine.
Quando una lunga catena polipeptidica si ripiega per assumere la forma
caratteristica della proteina, i gruppi idrofobi (delle catene laterali) tendono ad
avvicinarsi il più possibile l’uno all’altro per “evitare” le molecole d’acqua;
viceversa, aminoacidi che contengono gruppi idrofili sono in grado di formare
legami a H con l’acqua e si dispongono all’esterno. La conformazione che le
catene assumono grazie a questi legami è fondamentale per garantire la
funzionalità delle proteine e la loro struttura.
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
49
Struttura primaria
Sequenza lineare (catena)
di aminoacidi uniti da
legami peptidici
HOOC - CH - NH - CO - CH - NH - CO - CH - NH - CO -CH -NH2
R
R'
'
'
R'
R'
'
Struttura secondaria
La catena può avvolgersi
in forma di -elica e/o lamina grazie a legami a
H tra il gruppo CO di un
amminoacido e il gruppo
NH di amminoacidi vicini
( -elica) o di catene
parallele ( -lamina).
–elica
Struttura terziaria
-lamina o foglietto pieghettato
Costituita dal polipeptide (in struttura
secondaria) che ha subito flessioni, torsioni e
piegature grazie a legami intermolecolari tra
le catene laterali di aminoacidi anche molto
distanti tra loro. Nella figura a fianco è
rappresentata dalle singole catene e (in
questo caso e non hanno nessun legame
con la struttura secondaria).
Struttura quaternaria
E’ data dalla associazione tra più unità
polipeptidiche in struttura terziaria.
Quando, per qualche motivo (variazione di pH, di temperatura), la proteina
perde la sua conformazione “nativa”, anche se conserva la sua costituzione
molecolare originaria, prende il nome di proteina denaturata e perde anche la
propria attività biologica. Ciò può avvenire in modo reversibile o anche
irreversibile (es. l’albumina dell’uovo nell’uovo sodo).
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
50
INDICE
1. CARBONIO
1.1 il carbonio nella tavola periodica
1.2 teoria dell’ibridazione
1.3 il carbonio in natura
2. GLI IDROCARBURI
2.1 Classificazione
3. ALCANI
3.1 Cicloalcani
3.2 Nomenclatura degli alcani
3.3 Gruppi alchilici
3.4 Reattività degli alcani
3.4.1 Reazioni di combustioni
3.4.2 Reazioni di sostituzione
ISOMERIA
A. Isomeria di struttura
A.1 Isomeria di catena
A.2 Isomeria di posizione
A.3 Isomeria di gruppo funzionale
B. Stereoisomeria
B.1 Isomeria geometrica
B.2 Isomeria ottica
4. ALCHENI
4.1 Nomenclatura
4.2 Reattività degli alcheni e degli alchini
4.3 Reattività degli alcheni
5. ALCHINI
5.1 Nomenclatura
5.2 Reattività degli alchini
6. IDROCARBURI AROMATICI
Approfondimento
Le reazioni della chimica organica
7. GRUPPI FUNZIONALI
8. ALCOLI
8.1 Proprietà
9. ETERI
10. ALDEIDI E CHETONI
10.1 Nomenclatura
10.2 Proprietà di aldeidi e chetoni
11. GLUCIDI
11.1 Monosaccaridi
11.2 Disaccaridi
11.3 Polisaccaridi
12. ACIDI CARBOSSILICI
12.1 Nomenclatura
12.2 Proprietà
13. ANIDRIDI
14. ESTERI
15. TRIGLICERIDI
16. AMMINE
16.1 Nomenclatura
16.2 Proprietà
17. AMMIDI
17.1 Urea
18. AMMINOACIDI
18.1 Peptidi e polipeptidi
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
pagina
1
2
5
7
8
10
11
11
16
16
16
14
15
21
33
21
21
34
17
18
22
23
26
26
27
27
30
30
31
32
34
36
36
37
38
38
40
40
42
42
43
43
44
44
46
46
47
47
47
48
48
51
Un particolare ringraziamento al professor Paolo Strazzolini, docente di Chimica
Organica della Facoltà di Agraria dell’Università di Udine, per la fattiva
collaborazione fornita al progetto.
Bibliografia
-
CHIMICA – Progetto modulare – A. Post Baracchi A. Tagliabue - Lattes
Editore
ALLA SCOPERTA DELLA CHIMICA – Passananti Sbriziolo Tramontana Editore
ELEMENTI DI CHIMICA GENERALE, ORGANICA E BIOLOGICA – John R.
Holum – Zanichelli Editore
LA MATERIA IN FORMULE – Antonio F. Gimigliano – Giunti Scuola Editore
FONDAMENTI DI CHIMICA – Morris Hein Susan Arena – Zanichelli
Editore
CHIMICA Scienza sperimentale – Daniela Bovi Giancarlo Favero - Etas
Libri
LE IDEE DELLA CHIMICA – F. Bagatti , M. Braghiroli, E. Corradi, A. Desco,
C. Ropa – Zanichelli Editore
MODULI DI CHIMICA – Paolo Pistarà – Atlas Editore.
Sitologia
•
•
•
it.wikipedia.org/wiki/Chimica_organica
www.chimicamente.it/
t.encarta.msn.com/encyclopedia_761555199/Chimica_organica.html
M. Ciani – E. Zuccolo – G. Castellani
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