Chimica Organica

(in questa sezione saranno esposti i principali argomenti del programma ricordando che per avere una visione maggiormente dettagliata del corso è consigliabile studiare sui libri di testo opportuni)

Il legame chimico: Legami ionici e covalenti, polarizzazione dei legami covalenti. Strutture di Lewis e strutture di risonanza. Direzionalitàdei legami. Orbitali atomici, molecolari, ed ibridi di C, N, ed O.

Alcani: Struttura, isomeria, e nomenclatura. Analisi conformazionale di alcani lineari e ciclici. Cenni alle reazione di ossidazione degli alcani.

Stereochimica: Chiralità e stereogenicità. Enantiomeri e diastereoisomeri. Racemi e potere ottico rotatorio. Descrittori di configurazione. Stereoselettività.

Sostituzioni nucleofile: Reazioni mono e bimolecolari degli aloalcani. Cenni alla cinetica; classificazione dei meccanismi di reazione.

Alcooli, tioli, ed epossidi: Struttura e proprietà. Legami ad idrogeno ed acidità degli alcoli. I concetti di ossidazione e riduzione in chimica organica. Le reazioni di disidratazione ed esterificazione. Esteri dell’ acido fosforico. Paragone tra alcooli e tioli. Reattività degli epossidi.

Ammine: Struttura, proprietà, e basicita. Idrocarburi insaturi: Struttura e proprietà. Reazioni di addizione al doppio legame di acidi alogenidrici, acqua, peracidi, e permanganato. Idrogenazioni. Le reazioni di eliminazione mono e bimolecolare. Sistemi allilici e loro reattività: il concetto di delocalizzazione. Cenni ai dieni ed ai terpeni.

Composti aromatici: Struttura e proprietà. Il concetto di aromaticità. Reattività dei composti aromatici. Effetto dei sostituenti sulla reattività aromatica. Influenza di un anello aromatico su atomi di C, N, ed O ad esso legati.

Composti carbonilici: Struttura e proprietà. Addizioni nucleofile irreversibili e reversibili al carbonio carbonilico: riduzione, idratazione, reazioni con gli alcoli, reazioni coi nucleofili azotati. Immine ed enammine. Tautomeria chetoenolica.

Fenoli e chinoni. Composti carbonilici insaturi: addizione coniugata.

Carboidrati: Struttura e proprietà. La stereochimica dei monosaccaridi: strutture acicliche e cicliche. Reazioni dei monosaccaridi al carbonio anomerico. Formazione di glicosidi e di disaccaridi.

Acidi carbossilici e loro derivati: Struttura e proprietà degli acidi carbossilici. Acidità e fattori che la influenzano. Reattività degli acidi: riduzione, conversione nei cloruri acilici e nelle anidridi, esterificazione di Fischer. Struttura e proprietà degli esteri. Reattività degli esteri: riduzione, idrolisi acida e basica, reazione con composti azotati. Le reazioni di addizione/eliminazione. Struttura e proprietà delle ammidi. La tautomeria nelle ammidi. Caratteri peculiari del legame ammidico. Reattività delle ammidi: idrolisi acida, riduzione, alchilazione all’ azoto. Paragone della reattività al carbonio carbonilico dei derivati degli acidi. Derivati dell’ acido carbonico.

Enolati di aldeidi e chetoni, esteri ed ammidi: Acidità al carbonio in α e strutture di risonanza degli enolati. Reazioni con gli elettrofili.
Condensazione aldolica semplice ed incrociata di enolati di aldeidi e chetoni.

Composti dicarbonilici: Cenni agli β-chetoacidi. Struttura, proprietà, e sintesi di β-dichetoni, β-chetoesteri, β-diesteri. Decarbossilazione. Acidità al carbonio di questi composti. Sintesi acetacetica e malonica. Addizione coniugata di enolati. Composti eteroaromatici: Struttura e proprietà di piridina, pirrolo, indolo, imidazolo. Le basi nucleiche: strutture tautomeriche e formazione di legami ad idrogeno. Struttura e reattività del NAD/NADH

Amminoacidi: Struttura e proprietà. Descrizione delle proprietà dei residui. Acidità e basicità degli amminoacidi; punto isoelettrico. Legame peptidico: conseguenze sulla conformazione della catena. Cenni alla sintesi del legame peptidico.

(tratto dall'Università degli studi di Milano - www.unimi.it )

CHIMICA ORGANICAàchiamata così perché si pensava che solo gli organismi viventi potessero sintetizzare le molecole organiche ma nel 1828 fu sintetizzata la prima molecola organica: NH2-CO-NH2 (urea). Lo scopo della chimica organica è: dedurre il comportamento di una molecola dalla sua struttura.

I legami chimici tengono insieme le molecoleà2 atomi stanno insieme per la STABILITA' ed in seguito alla formazione del legame si libera energia che permette appunto la formazione della molecola.

- neutroni e protoni che fanno massa e la carica del nucleo data dai protoni è (+);

Quando 2 atomi si avvicinanoàattrazioni favorevoli, le cariche opposte si attraggono (1) e questo spinge i 2 atomi fino alla distanza di legame (oltre non possono continuare) e intanto hanno accumulato energia. Gli elettroni si distribuiscono nello spazio (2)àGUADAGNO ENERGETICOàse l'energia è minore della situazione iniziale è OK!

H-HàH2 ogni atomo di H è come se avesse 2 elettroni perché entrambi mettono in compartecipazione il loro unico elettrone e si crea così un LEGAME COVALENTE.

Tra F e H si forma sicuramente un legame e tra F e NaàLEGAME IONICO (Na+ F-). Condizione necessaria per un legame ionico è avere una elettronegatività > 2

Nella chimica organicaàè importante il CARBONIO perché è combinato a H-O-N e altre molecole.

Tra i legami IONICI e i legami COVALENTI vi è una serie di intermedi tra cui il legame POLARIZZATO. Un legame covalente è polarizzato quando la carica NON è distribuita uniformemente. Grazie ai legami e all'elettronegatività (tendenza di un atomo a richiamare elettroni).

Nella seguente tabella sono riportati i valori di elettronegatività di alcuni atomi:

ATOMO	ELETTRONEGATIVITA'
H	2.2
Li	1.0
Na	0.9
K	0.8
C	2.6
N	3.0
O	3.4
F	4.0
P	2.2
S	2.6
Cl	3.2
Br	3.0
I	2.7

H-Fà " molto polarizzatoàsi crea un DIPOLO e si indica con una "à" verso la carica (-)

La struttura migliore e + stabile è fatta in modo che le cariche non si respingano e siano il + lontano possibileàla struttura deve minimizzare la repulsione tra cariche

Esistono atomi con doppietti elettronici non condivisi ad es. l'NàNH3 ma l'atomo di N tiene i suoi 2 elettroni senza fare legame perché non ne ha bisogno. Ma li può utilizzare per legare delle specie prive di elettroni nel guscio di valenza (H+).

Solo gli ELETTRONI (dell'N) si spostano perché la carica (+) dell'H non ha elettroni e quindi non posso muovere qualcosa che non c'è. Nell' NH4+ è formalmente l'N che ha la carica (+) perché ha ceduto il doppietto.

2) strutture in cui tutti gli atomi hanno il guscio esterno pieno sono + stabili

3) strutture in cui gli ATOMI meno elettronegativi hanno cariche positive sono + stabili

ORBITALIàprobabilità: regione di spazio in cui si ha alta probabilità di trovare un ELETTRONE

Gli orbitali possono essere SFERICI (s) o a "OTTO" (p); i primi non hanno direzionalità, i secondi invece sì, definiscono il lato in cui si allunga.

H, C, N, O, P, S e alogeni hanno una distribuzione degli orbitali molto simile e quindi ci interessano gli ORBITALI "s" e "p".

La sovrapposizione lineare in fase di orbitali atomici generano orbitali molecolari.

Quando 2 orbitali si avvicinano lungo la linea di legameàlegame s (sull'asse di unione dei nuclei) ed è il + forte.

Il CARBONIO formalmente fa due legami ma ne può fare 4 promuovendo 1 elettrone 2s2 nel 2pz e si ha una ibridazione degli orbitalià4 orbitali sp3 isoenergetici.

N° di C	N° Strutture
1; 2; 3	1
4	2
5	3
10	75
15	4347 (75*25)
20	366.399
30	~4.500.000.000

- la nomenclatura si usa aggiungendo il suffisso -ano al composto e a seconda del numero di atomi di C (da 5 in poi) si mette come prefisso il numero (pentano, esano, ecc.).

Le molecole NON stanno ferme ma si muovono e da ciò ne deriva la loro funzioneàsi muovono perché sono vive

Nel BUTANO, se faccio avvenire una rotazione del legame C-Càla molecola è la stessa ma la situazione è diversa nel contenuto energia (se c'è minor energia è + stabile). Avvengono delle interazioniàINGOMBRO STERICO: nel volume c'è una vicinanza tra atomi. Il movimento è dovuto agli urti con altre molecole.

Se non ci fossero i moti (Browniani) tutte le molecole sarebbero allo STATO FONDAMENTALE.

Lo STATO DI TRANSIZIONEàdalla sfalsata alla eclissata e per far ciò occorre superare una certa energia di attivazione che è quell'energia che occorre fornire ad un sistema affinchè avvenga un certo processo.

- TERMODINAMICIàvariazione di energia totale del sistema (il sistema perde energia)

La variazione di energia liberaàDG° = -R*T*lnKàDG° = DH° - TDS° (entalpia - entropia*T)

Hàentalpia: calore scambiato a p = k ed ha a che fare con la forza dei legami che si rompono e si formano

La struttura ciclicaàTENSIONE D'ANELLO perché l'ibridazione essendo sp3 predilige un angolo anziché di 90°, di 109°.

STEREOISOMERIàisomeri che differiscono per la disposizione relativa dei loro atomi nello spazio.

L'interconversione di conformazione degli isomeri non richiede rottura di legami (perché ruotano, ad es. in butano) ma per una struttura TRANS ciclica occorre rompere i legami.

°	N° di C	T.A. (Kcal/mole)
60°	3	27.6
90°	4	26.3
108°	5	6.5
120°	6	0.0
	7	6.4
	10	14
	14	0.0

Il CICLOESANO ha una conformazione a sedia con idrogeni ASSIALI (verticali) ed EQUATORIALI (orizzontali). Con questa struttura si hanno degli eclissamenti trascurabili: è presente il GAUCHE tra i carboni.

Oltre alla conformazione a sedia esiste quella a barca che è molto instabile perché ci sono tanti eclissamenti e la struttura a barca è sfavorita. Esiste anche una struttura a ponte.

Con l'interconversione delle sedieàgli H equatoriali diventano asssiali e viceversa.

CISài sostituenti guardano dalla stessa parte (es. cis-assiale-equatoriale)

Due sistemi di cicloesano che hanno in comune 1 legame C-C si dicono SISTEMI FUSI; questo sistema è molto comune negli STEROIDI.

· rotture ETEROLITICHE non le posso prevedere e i 2 elettroni del legame stanno su uno o sull'altro atomo

La reazione si chiama: ALOGENAZIONE RADICALICA degli ALCANI, è una reazione termica e smette quando si abbassa la temperatura.

Le reazioni radicaliche sono poco selettive e non è sinteticamente utile industrialmente.

4) nell'identificare la catena + lunga a parità di atomi, è quella con + sostituenti

stereoisomeriàstessi atomi, stessi gruppi disposti in = geometria ma diversa posizione dei leganti

Due strutture di questo tipo se sovrapposte non coinciderebbero mai perché sono 2 stereoisomeri diversi. Sono 2 immagini SPECULARI ma non sovrapponibili.

CHIRALITA'àproprietà di un oggetto che ha l'immagine speculare non sovrapponibile e vale per tutti i C con 4 sostituenti diversi. Mancanza di piano di simmetria.

enantiomeriàisomeri con le stesse parti ma una opposta all'altra dei gruppi nello spazio. Hanno proprietà chimico - fisiche identiche dal momento che sono equivalenti per simmetria. Esiste una sola proprietà che mi permette di distinguere tra 2 enantiomerièINTERAZIONE con la luce piano - polarizzata.

La luce piano - polarizzata è CHIRALE, è come se fosse fatta da 2 enantiomeri e così si può distinguere i due enantiomeri molecolari. I 2 raggi formano un piano che ruota della stessa intensità o a destra o a sinistraàROTAZIONE OTTICA.

[a]àangolo di rotazione che dipende dalla Temperatura e dalla lunghezza d'onda (l).

Una sostanza costituita da un solo enantiomero si dice che è enantiomericamente pura.

Il segno del potere rotatorio, in quanto tale non mi da alcuna informazione di tipo strutturale. Non so se una sostanza col segno + è fatta così oppure è il suo enantiomero.

Occorre quindi poter identificare con un SIMBOLO una strutturaàattribuzione del descrittore stereochimico o di configurazione.

Non devo rompere i legami altrimenti le molecole avranno configurazione diversa, devo porre una rotazione.

Nel 2-clorobutano ad esempio, uno scambio di leganti nel C chirale genera stereoisomeri chiamati STEREOGENICI.

2) stabilire un ordine di priorità tra i sostituenti a seconda del N.A. mentre se incorro in isotopi tengo conto invece del P.A.

3) osservo la molecole tenendo il gruppo o l'atomo a minor priorità il + lontano possibile da me (osservatore)

4) mi muovo dal sostituente a priorità maggiore (primo) verso il 3° passando per il 2° (in priorità)

Se la molecola non è disegnata in modo da attribuire R o S si ruota la molecola in modo da portare l'H il + lontano possibile. Si utilizza la croce di FISCHER in cui i bracci verticali si allontanano da noi e quelli orizzontali si avvicinano.

Molecole con + STEREOCENTRIàstessi atomi, stessa posizione, non sono speculari: DIASTEREOISOMERIàmolecole diverse, descrittori stereochimici diversi, NON sono speculari, NON SONO ENANTIOMERI. Hanno proprietà chimico - fisiche diverse ma hanno sempre gli stessi atomi ed i leganti sono disposti diversi nello spazio.

I prodotti di butano RR e RS non si formano in quantità uguali ma diverse perché la forma RS è + stabile in quanto il Cl e Br sono + lontani.

Il fenomeno in cui 2 STEREOISOMERI si formano in quantità differenti si chiama reazione steroselettiva.

La FORMULA per calcolare il n° di stereoisomeri possibili dati gli stereocentrià2(n)

In una reazione in cui si formano 2 stereocentri contenuti in una molecola (ugualmente sostituiti, cioè hanno gli stessi radicali) il numero di stereoisomeri possibili è inferiore rispetto al numero atteso sulla base della regola precedente 2(n); il motivo di questo sta nel fatto che uno degli stereoisomeri è ACHIRALE e quindi non può avere una forma enantiomera.

I composti di tale serieàMESOàisomero achirale che fa parte di un insieme di stereoisomeri alcuni dei quali sono CHIRALI.

- reagiscono le specie ricche di elettroni: Y- e Y: queste entità sono formalmente ugualiàla prima ha un elettrone in più e la seconda ha un doppietto elettronico

ALOGENO	Forza di LEGAME
C-F	110
C-Cl	85
C-Br	71
C-I	57

Basandosi sulla forza di legameàordine di reattività; i FLUOROALCANI non reagiranno perché il legame è molto forte.

Il motivo della stabilità del legame è dato dal fatto che il Br, Cl, I sono + grandi di dimensioni del C e i legami sono + lunghi quindi si rompono facilmente.

Acido	PKA
H-F	4
H-Cl	-2.3
H-Br	-4.7
H-I	-5.2

- è un processo concentrato o simultaneo perché avviene in un solo momento e coinvolge sia il substrato che il reagente; si attacca il Nu (Nu = nucleofilo) alle spalle del substrato e contemporaneamente si rompe il legame C-X

- gli alogenuri PRIMARI reagiscono Sn2 perché l'atomo di C che subisce l'attacco del Nu è poco stericamente impedito

- gli alogenuri TERZIARI non reagiscono Sn2 perché il C che subisce l'attacco è stericamente impedito

NUCLEOFILI Sn2 (Nu-)	NUCLEOFILI Sn1 (Nu:)
NH3 (base forte)	H20
OH-	R-OH
RO- (R=radicale)	R-SH
NC- (cianuro)	R-NH2
RS-

- Caratterizzati da un C ibridato sp3 legato ad un Ossigeno sp3 legato a un HàC-O-H

- Il legame C-O (1.41 A) è + corto rispetto a C-C (1.54 A); il legame O-H (1.00 A) e il legame del C ibridato sp3 (1.05 A)

La molecola C-O-H ha la possibilità di formare legami H intermolecolari che costituiscono una forza notevole; l'O2 ha una parziale carica negativa e l'H ne ha una parzialmente positiva. Con la formazione di legami H si ha una zona di interazione polare dalla quale sono esclusi i residui alchilici.

Il legame H (5-10Kcal/mole) è un legame in cui l'H deve essere legato a un atomo molto elettronegativo (O,N,S,) e poi legato a un altro atomo con doppietti elettronici non condivisi. Il legame H dà ordine alle strutture.

R-OH	pKa
CH3OH	15.5
CH3CH2OH	15.9
CH3CHOHCH3	17.1
CH3COHCH3CH3	18.0
H2O	15.7

La presenza di legami H favorisce la dissociazione acida mentre la presenza di radicali impedisce la formazione di legami H e le molecole di alcoli terziari si avvicinano con meno facilità e quindi l'acidità è minore.

BH deve essere un acido debole altrimenti vivrebbe meglio nella forma dissociata e la reazione sarebbe spostata verso sinistra (B-) per cui per favorire BH la pKa dell'ROH deve essere minore di 15.5.

- molecole planari; il C ibridato sp2; C=O è polarizzato a causa della maggior elettronegatività dell'O2

- le aldeidi hanno sempre legato al C carbonilico un H e poi un Rà R-CHO; suffisso -ale (in strutture cicliche il nome è carbossialdeide.

- i chetoni hanno legato al C carbonilico 2 Rà R-CO-R'; suffisso -one

- REAZIONI: ossidazione di alcoli 1° e 2° rispettivamente ad aldeidi e chetoni.

- Proprietà fisicheàpunto di ebollizione + elevati degli alcani e minore degli alcoli a causa della mancanza dei legami H

- Proprietà chimicheàle reazioni riguardano il C carbonilico (attacco con nucleofili); l'ossigeno (acidi ed elettrofili); C adiacente al carbonile (basi forti).

- ADDIZIONE al CARBONILEàil C=O delle aldeidi è + polare e i radicali R dei chetoni ostacolano l'attacco dei reagenti nucleofili. La reazione prosegue secondo 2 meccanismi: meccanismo 1: il Nu attacca il C carbonilico e gli elettroni del = legame si portano sull'O che assume una carica negativa che in presenza di H2O o ROH stacca un H+ e si ha la formazione di un gruppo ossidrilico e in soluzione rimane solv- (OH-; RO-). meccanismo 2: il doppietto elettronico dell'O attacca un H+, si forma un gruppo ossidrilico OH e l'O acquista una carica negativa ma non è contento quindi richiama a sé gli elettroni del = legame, in tal modo il C carbonilico acquista una carica + che viene occupata dal reagente H-Nu; il nucleofilo si lega ed espelle un protone H+ che è il catalizzatore della reazione.

- ADDIZIONE di IDROGENOàconsiste in una riduzione di aldeidi e chetoni rispettivamente ad alcoli 1° e 2°. Viene fatta utilizzando il catalizzatore NaBH4, LiAlH4 o NADH.

- ADDIZIONE di COMPOSTI AZOTATIàsi aggiunge al gruppo carbonilico (=C=O) dei gruppi NH3; NH2-OH; NH2-NH2 e si ha la formazione rispettivamente di IMMINA (=C=NH); OSSIMA (=C=N-OH); IDRAZONE (=C=N-NH2) ed espulsione di H2O.

- La condensazione aldolica comporta invece la somma di due molecole di aldeide (o chetoni). Si ha un'addizione nucleofila al =C=O e una sostituzione in posizione a (quest'ultimo passaggio con l'aiuto di una base forte tipo NaOH). Per quanto riguarda i chetoni la situazione è la seguente: l'OH- porta via un protone H+ e gli elettroni di legame vanno a formare un = legame C=C mentre contemporaneamente gli elettroni del legame C=O si portano sull'O che assume una parziale carica negativaàformazione dell'enolato ed espulsione di H2O. Quando si incontrano 2 enolati in uno si riforma il legame C=O e gli elettroni del = legame C=C attaccano il C carbonilico del 2° enolato e contemporaneamente gli elettroni del doppio legame C=O vanno sull'O che diventa negativoàquesta fase è detta attacco nucleofilo al carbonile. In presenza di H2O si ha la formazione di un gruppo OH e in soluzione rimane OH-, cioè si riforma la base catalizzatrice.

- IDRATAZIONE dei COMPOSTI CARBONILICIàin CATALISI ACIDA si forma un carbonile idrato: l'H+ si lega all'O e si forma OH; il C carbonilico diventa positivo e viene attaccato da una molecola di H2O che si attacca appunto al C e l'O acquista una carica negativa quindi espelle un H+ e si forma un alcol 2° e l'H+ diventa catalizzatore. Per favorire tale reazione occorre fornire + H2O.

- FORMAZIONE di ACETALE o CHETALEàin catalisi acida si ha l'addizione di un H+ all'O e si forma OH e il C carbonilico diventa positivo e la carica + viene attccata dall'O dell'ROH presente in soluzione e al C carbonilico è attaccato così un gruppo OH e ora un gruppo OR e l'H+ viene espulso. In soluzione un altro H+ si attacca all'O dell'OH e si ha unìespulsione della molecola di H2O quindi rimane un gruppo =C--OR che viene stabilizzato per risonanzaàemiacetale o emichetale. In soluzione c'è ancora ROH che si attacca al C carbonilico e si ottiene così l'acetale o il chetale con espulsione di H+ che è il catalizzatore. L'emiacetale o l'emichetale è molto instabile mentre l'acetale o il chetale sono + stabili; inoltre lo stato di ossidazione del C non cambia.

- FORMAZIONE di IMMINAàil meccanismo è identico a quello sopra, solo che al posto dell'ROH in soluzione è presente un AMMINA 1°: R-NH2àformazione di aminale, sempre in catalisi acida, si ha l'espulsione di H2O, risonanza, l'N elimina un H+ che è il catalizzatore e si forma l'immina (=C=N--R). L'aminale è molto instabile; entra una sola molecola perché l'N è trivalente e forma un doppio legame; l'O è + elettronegativo; l'N è + basico ed ha 1 solo doppietto; l'ammina è + basica di un alcol e cede nella risonanza il doppietto; l'H+ si lega all'N perché è basico e torna indietro. E' + facile formare immine di chetali e acetali perché l'N è + basico e - elettronegativo. L'N è + nucleofilo dell'O. Le IMMINE sono come i chetoni, sono meno reattive con i Nu e interessano solo reazioni con H-.

- FORMAZIONE di ENAMMINAàil meccanismo è il solito ma vi è la presenza di R2-NH (ammina 2°)àsi forma l'aminale, in catalisi acida si ha l'espulsione di H2O e per risonanza si ha la formazione del solito doppio legame C=N ma per risonanza appunto, gli elettroni di questo doppio legame vanno sull'N e si forma un doppio legame tra il C carbonilico e il C adiacente ad esso con espulsione di un H+ (appartenente al C adiacente) e si forma l'enammina C=C--NR2.

- FORMAZIONE di CIANIDRINAàil composto carbonilico reagisce con H-CN e prima si forma il gruppo OH poi il CN- si lega al C+ carbonilico e forma così la cianidrina.

- a seconda del Ràapolari (GLY, ALA, VAL, LEU, ILE, PHE, MET, PRO, TRP); polari (SER, ASN, GLN, TYR, THR, CYS); acidi (GLU, ASP); basici (LYS, HIS, ARG)