Chimica organica

Gli Idrocarburi Aromatici

Composti aromatici - benzene e altri composti che hanno propruetà chimica simili a quelle del benzene.

Benzene - formula: C H - molecola planare. È una catena di atomi di carbonio chiusa ad anello esagonale (v.figura). Molto stabile.

I legami doppi (lunghi 1,34) dovrebbero essere meno lunghi di quelli singoli (che sono lunghi 1,54). I realtà hanno tutti la stessa lunghezza (1,39), si sono stabilizzati ad un valore intermedio.

Concetto di risonanza: si ha risonanza ogni volta che è possibile scrivere 2 o più strutture equivalenti per uno stesso composto. La struttura vera del composto è qualcosa di intermedio fra le due strutture, ed è definito ibrido di risonanza.

Legame ad elettroni delocalizzati - su ogni atomo di carbonio rimane un orbitale che non ha preso parte all'ibridazione e questi orbitali sono perpendicolari al piano su cui giace la molecola. La sovrapposizione fra gli orbitali P non ibridati porta alla formazione di 2 nubi elettroniche a forma di anello, sopra e sotto il piano della molecola.

Le reazioni del benzene - l'anello del benzene è stabile, quindi tende a rimanere inalterato nel corso delle reazioni chimiche. Quindi il benzene non dà facilmente reazioni di addizione, perché queste potrebbero modificare la struttura stabile dell'anello. Dà invece reazioni di sostituizione, come uno o più atomi di H sotituiti da altri atomi o gruppi di atomi.

I composti del benzene sono chiamati composti acrilici.

Se solo un atomo di H viene sostituito da un atomo di alogeno:

• Cl clorobenzene
• Br bromobenzene
• I iodobenzene

Se due atomi di H vengono sostituiti da due atomi di alogeno:

Se ci sono tre o più sostituenti, è necessario numerare gli atomi di carbonio dell'anello ed utilizzarli per indicare la posizioni dei sostituenti.

Esempio

Composti aromatici ad anelli condensati - due anelli si dicono condensati se hanno in comune due atomi di carbonio. Esistono composti in cui 2 o più anelli benzenici si trovano condensati.

Anche questi composti sono aromatici perché presentano le nuvole di elettroni p delocalizzati sopra e sotto il piano della molecola. Esempio in figura: naftalene, la comune naftalina, che viene usata come tarmicida.

Alcoli - composti caratterizzati dalla presenza di un gruppo funzionale OH. Il loro nome si ottiene dal nome degli alcani con lo stesso numero di atomi di carbonio e sostituendo la desinenza -o con la desinenza -olo. È necessario indicare la posizione del gruppo OH.

Esempio in figura: metanolo, di formula CH OH.

Si classificano in:

• alcol primario - se l'atomo di C in cui si trova il gruppo OH

è legato ad un solo atomo di C.

• alcol secondario - se l'atomo di C in cui si trova il gruppo OH

è legato ad altri 2 atomi di C.

• alcol terziario - se l'atomo di C in cui si trova il gruppo OH

è legato a 3 atomi di C.

Proprietà degli alcoli: sono determinate dalla presenza del gruppo funzionale OH.

• punti di fusione ed ebollizione più elevati di quelli degli idrocarburi con stessa massa molecolare.
• gli alcoli più leggeri sono liquidi a temperatura ambiente, mentre quelli con catene più lunghe (con più di 13-14 atomi di carbonio) sono allo stato solido.
• con meno di 5 atomi di carbonio sono solubili in acqua, se ne hanno più di 5 sono insolubili.

Preparazione degli alcoli - gli alcoli hanno grande importanza nell'industira perché vengono utilizzati come mateiali di partenza per la produzione di molti composti organici. Si preparano principalmente attraverso questi 2 processi:

• addizione di H O agli alcheni (idratazione degli alcheni) - questo metodo viene impiegato soprattutto per preparare alcoli contenenti fino a 5 atomi di C.
• fermentazione degli zuccheri - viene usata per produrre alcol etilico, il più importante degli alcoli dal punto di vista industriale. Si fanno fermentare materiali contenenti zuccheri e si ottiene l'alcol etilico, e nella reazione si sviluppa anche CO

Reazioni degli alcoli - gli alcoli sono molto più reattivi degli alcani, qusto perché contengono il gruppo OH, cioè un gruppo che presenta polarità nel legame. Nelle reazioni degli alcoli si può verificare la rottura del legame fra l'atomo di C e il gruppo OH, oppure la rottura del legame fra l'atomo di H e l'atomo di O nel gruppo OH. Le più importanti reazioni degli alcoli sono:

• Reazione con gli acidi alogenidrici (HCl, HBr, HI) - il gruppo OH viene sostituito dall'atomo di alogeno dell'acido, ottenendo un alogenuro alchilico, + una molecola di H O.
• Disidratazione - avviene in presenza di acido solforico. Dall'alcol si separa una molecola di H O e si forma un alchene.
• Ossidazione - se è un alcol con un agente ossidante è possibile ottenere composti nel quali l'atomo di C a cui era legato il gruppo OH ha un numero di ossidazione maggiore che negli alcoli.
• Dagli alcoli primari si ottengono le aldeidi.
• Dagli alcoli secondari si ottengono i chetoni.
• Alcoli terziari non possono essere ossidati.

Caratteristiche di alcuni alcoli

Metanolo - liquido, di sapore gradevole, ma fortemente velenoso: può provocare cecità e morte. Formula: CH3OH, Vedi figura.

Etanolo - importante per l'industria: utilizzato come solvente per lacche, vernici e profumi, o come materia per la sintetizzare molti composti organici. Viene anche impiegato come disinfettante.

Alcol etilico - l'unico alcol tollerato dall'organismo umano, tutti gli altri alcoli sono velenosi. Assunto in quantità eccessiva provoca effeti dannosi anche molto gravi. Presente in tutte le bevande alcoliche in concentrazioni variabili. Le caratteristiche delle varie bevande alcoliche dipendono dal materiale di partenza che viene utilizzato per la fermentazione e dal procedimento seguito per la preparazione.

Alcol puro - incolore, ma visto che sull'alcol per la produzione di liquori ci sono tasse molto più elevate che sull'alcol destinato ad altri scopi, l'alcol puro viene denaturato: vengono aggiunte piccole quantità di sostanze che lo colorano, difficli da allontanare.

Polialcoli - sono alcoli che contengono più di un gruppo OH nella stessa molecola.

• Se i gruppi OH sono 2 dioli
• Se i gruppi OH sono 3 trioli, ad esempio la glicerina, dalla quale si ricavano oli e grassi. La glicerina è largamente impiegata nell'industria farmaceutica, in quella farmaceutica e nella fabbricazione di esplosivi (nitroglicerina).

Eteri - sono composti nei quali due catene idrocarburiche sono untite ad un atomo di O. indicando con R le catene idrocarburiche alifatiche, la formula generale degli eteri è R - O - R'. Le due catene idrocarburiche R ed R' possono essere indifferentemente uguali o diverse.il nome degli eteri deve specificare quali sono queste 2 catene (es. etere dietilico, etere metiletilico).

I punti di fusione e di ebollizione hanno valori vicini a quelli degli alcani aventi massa molecolare simile.

Sono solubili in H O, soprattutto quelli con bassa massa molecolare. Vengono utilizzati industrialemnte come solventi, il più importante è l'etere dietilico. È molto infiammabile ed è impiegato in industria come solvente e in medicina come anestetico.

Acidi carbossilici - il gruppo C = O viene chiamato carbonile, e i composti che lo contengono vengono chiamati composti carbonilici. I composti carbonilici sono 2: le aldeidi e i chetoni

Aldeidi contengono il gruppo aldeidico ed hanno la formula generale

Il nome IUPAC si forma da quello degli alcani con lo stesso numero di atomi di C e sostiendo alla desinenza -o la desinenza -ale. Esempio in figura: Metanale (formaldeide, utilizzata come materiale di partenza per la fabbricazione di altri composti organici e di alcune materie plastiche. In soluzione acquosa viene usata per conservare pezzi anatomici).

Le aldeidi si possono preparare in vari modi, il più diffuso è l'ossidazione degli alcoli primari.

Chetoni - hanno formula generale (figura).

Il loro nome IUPAC si forma da quello degli alcani aventi lo stesso numero dei atomi di C e sostituendo la desinenza -o con la desinenza -one.

Il più noto dei chetoni è l'acetone, un ottimo solvente per composti organici, vernici e lacche.

Caratteristiche generali degli acidi carbossilici - gli acidi carbossilici sono composti che contengono come gruppo funzionale il gruppo carbossilico, COOH. La loro formula generale è (figura). Il loro nome IUPAC si ottiene dagli alcani con lo stesso numero di atomi di C sostituendo alla desinenza -o la desinenza -oioco, e premettendo il termine "acido". Gli acidi carbossilici vengono chiamati "acidi" perché in soluzione acquosa le loro molecole possono dissociarsi liberando ioni  . Si dissociano solo in parte perché sono tutti acidi deboli. La loro formula generica di dissociazione è

Alcuni esempi di acidi carbossilici:

• Acido formico - formula: HCOOH, scoperto dalle formiche. È il responsabile dell'azione irritante delle punture di molti insetti ed alcune piante (es., ortica).
• Acido acetico - formula:   , isolato per la prima volta dall'aceto. L'aceto viene prodotto dal vino e da altre bevande alcoliche con basso contenuto di alcol (quindi non dai liquori) per fermentazione. La fermentazione è provocata da speciali batteri che producono enzimi capaci di favorire l'ossidazione dell'alcol etilico ad acido acetico. Questo procedimento non è conveniente se applicato su scala industriale, in industria l'acido acetico viene preparato per ossidazione dell'acetaldeide, o anche di idrocarburi.
• Acido butirrico - formula:               , forma con la glicerina un estere che è uno dei principali componenti del burro. Quando il burro irrancidisce avviene il processo inverso all'esterificazione: si formano molecole libere di acido butirrico, che danno l'odore sgradevole al burro rancido.
• Acido ossalico - formula:      , presente in molte piante, è velenoso.

Acidi grassi - sono quegli acidi carbossilici che hanno una catena idrocarburica lineare e che contengono un numero pari di atomi di C, a partire da quello con 4 atomi di C, l'acido butirrico.

Gli acidi grassi si dividono in :

• Acidi saturi - di cui i più importanti sono:

Acidi insaturi - di cui i più importanti sono:

Acido oleico

Acido lineoleico

Acido lineolenico

I grassi vengono spesso chiamati trigliceridi perché provengono dalla reazione di una molecola di glicerina con 3 molecole di acidi grassi (le tre molecole possono essere tutte di uno stesso acido grasso, o anche di acidi grassi diversi).

I saponi - sono fabbricati trattando i grassi con idrossido di sodio o idrossido di potassio. Da questa reazione si ottengono glicerina e una miscela di sali di sodio (o di potassio) degli acidi grassi che costituivano in grasso di partenza, questa miscela è il sapone.

Le Ammine - sono composti organici nei quali uno o più gruppi alchilici sono legati ad un atomo di azoto. Si possono considerare derivati dell'ammoniaca per sostituzione di 1 o + atomi di idrogeno con gruppi alchilici. Si distinguono in:

Le ammine sono composti basici.

Biochimica

Carboidrati - composti che contengono carbonio, idrogeno e ossigeno. Le molecole di alcuni carboidrati possono essere scomposte in molecole di carboidrati più semplici, questi carboidrati sono chiamati monosaccaridi. Le molecole di altri carboidrati sono invece costituite da da più molecole di monosaccaridi unite: si chiamano disaccaridi se contengono 2 unità di monosaccaridi, o polisaccaridi se contengono molte unità di monosaccaridi.

Monosaccaridi - se è presente 1 gruppo aldeidico il monosaccaride è chiamato aldoso, se è presente un gruppo chetonico il monosaccaride viene chiamato chetoso. I monosaccaridi sono classificati in base al numero di carboni presenti nella loro molecola:

• 3 atomi di carbonio trioso
• 4 atomi di carbonio tetroso
• 5 atomi di carbonio pentoso
• 6 atomi di carbonio esoso

Sono solubili in acqua, insolubili in alcol etilico e in etere.

Esempi:

Struttura ciclica dei monosaccaridi - prendendo ad esempio il glucosio, si può risalire al modo in cui si origina la forma ciclica dei monosaccaridi.

La molecola contiene 5 gruppi funzionali OH e un gruppo aldeidico. Al suo interno avviene una reazione fra il gruppo aldeidico e uno dei gruppi alcolici, di conseguenza la molecola si ripiega su se stessa e forma un anello. Con la chiusura dell'anello si originano due forme cicliche con configurazione diversa, che vengono indicate con a e b

Disaccaridi - sono carboidrati costituiti da due molecole di monosaccaridi. Per idrolisi si scindono nei due monosaccaridi costituenti. Le due molecole di monosaccaridi sono unite da un atomo di ossigeno (legame glucosidico).

Esempi di disaccaridi

• Saccarosio - è il più importante dei disaccaridi. La sua formula bruta è C H O . E' costituito da una molecola di glucosio e da una molecola di fruttosio, unite da un legame glucosidico.
• Mortosio - ha sempre formula bruta C H O , si forma durante la fermentazione dell'amido ad alcol etilico (come urante la fabbricazione della birra).
• Lattosio - si trova nel latte dei mammiferi ed è fondamentale per il nutrimento dei neonati e dei cuccioli.

Polisaccaridi - composti formati da molte unità di monosaccaridi, tenute insieme da legami glucosidici.

Esempi di polisaccaridi

• Cellulosa - contiene alcune centinaia di molecole di glucosio, uniti insieme da legami b-glucosidici, la massa molecolare è elevata. Le unità di glucosio formano lunghe catene. A loro volta, queste catene rimangono unite fra loro, l'una accanto all'altra, grazie ai legami ad idrogeno che si stabiliscono fra i numerosi gruppi OH fra esse presenti. La cellulosa è il materiale di sostegno delle piante e il principale costituente del legno. Le fibre tessili di origine vegetale sono costituite da cellulosa, che viene utilizzata per fabbricare la carta, alcune fibre artificiali (come il rayan), materiali artificiali (cellophane e cellulode) ed esplosivi.
• Amido - principale materiale di riserva delle piante. (materiale di riserva=sostanza che viene accumulata in certe parti dell'organismo per essere utilizzata quando necessario). Si trova in notevoli quantità nei cereali e nelle patate. L'amido contiene il 20% di amilosio /che è solubile in acqua) e l'80% di amilopectina (insolubile in acqua). Entrambi sono costituiti da unità di glucosio, ma le loro molecole hanno struttura e massa diverse.
• Glicogeno - molecole di riserve per gli animali, le catene che lo costituiscono sono più corte di quelle dell'amilopectina e la struttura della molecola è molto più ramificata.
• Chitina - rivestimento protettivo esterno dei molluschi e degli insetti.

Carboidrati e organismi animali - le piante sono in grado di sintetizzare i carboidrati mediante la fotosintesi, mentre gli animali  non ne sono capaci, devono introdurre attraverso l'alimentazione i carboidrati necessari all'organismo. Le molecole di monosaccaride sono piccole, quindi vengono assorbite attraverso la parete intestinale e portate dal sangue al fegato e agli altri organi. Subiscono poi una serie di trasformazioni (paragonabili ad un processo di combustione: i prodotti finali sono anidride carbonica e acqua). Se con l'alimentazione viene introdotta una quantità eccessiva di carboidrati, quelli in eccesso vengono utilizzati per la produzione di glicogeno, che rimane nell'organismo come materiale di riserva e si accumula soprattutto nel fegato e nei muscoli. Il glucosio e il fruttosio sono gli unici carboidrati che possono essere utilizzati direttamente dall'organismo, senza dover subire i processi della digestione.

I lipidi - "lipidi" è un termine generico che comprende diverse classi di composti, tutti insolubili in acqua e solubili in composti organici poco polari o non polari, come l'etere e il cloroformio.

I grassi - sono presenti in organismi vegetali ed animali. Ogni specie ha i suoi grassi caratteristici, cioè contiene preferibilmente alcuni grassi piuttosto che altri. Negli organismi animali i grassi si trovano nel tessuto adiposo, intorno ai muscoli e agli organi. Hanno diverse funzioni:

Fonte energetica: da 1 grammo di grasso si possoon ottenere 38Kj. Tutte le cellule sono in grado di utilizzare i grassi come fonte energetica, eccetto quelle del cervello, che possono utilizzare solo il glucosio.

Materiale di riserva: l'organismo le usa in caso di necessità.

Come isolante termico: lo stato di grasso sottocutaneo protegge il corpo da bruche variazioni termiche, e dal freddo eccessivo (es. orso bianco).

Permettono l'assorbimento da parte dell'organismo di vitamine (come la A e la D): i grassi di origine animale contengono solo acidi grassi insaturi e sono liquidi a temperatura ambiente.

I fosfolipidi derivati della glicerina, nella loro molecola al posto di 1 degli acidi grassi si trova un gruppo fosforico unito ad un'altra catena. Insieme alle proteine costituiscono le membrane cellulari, di cui garantiscono la semipermeabilità e l'elasticità.

Gli steroidi - hanno un ruolo importante nell'organismo: infatti molte vitamine ed ormoni sono steroidi.

Le proteine - sono i principali costituenti della materia vivente. Negli animali esercitano la funzione di materiale strutturale, perché costituiscono fino all'80-90% dei tessuti. Sono polimeri costituiti da numerose unità di amminoacdi legate insieme.

Gli amminoacidi - quelli naturali che entrano nella costituzione delle proteine sono 23. Sono composti contenenti un gruppo funzionale carbossilico COOH e un gruppo funzionale amminico, NH legati alla stessa catena idrocarburica. A temperatura ambiente sono slidi cristallini di colore bianco. Hanno temperature di fusione elevate, quando fondono si decompongono. Sono solubili in acqua e insolubili nei solventi apolari, come l'etere e il benzene, perché gli amminoacidi sono ioni dipolari, hanno 2 cariche opposte: positiva sul sul gruppo amminico, negativa sul gruppo carbossilico.

Peptidi - composti che si ottengono dall'unione di 2 o + amminoacidi. Il legame ammidico che si forma fra amminoacidi viene chiamato peptidico.hanno nomi diversi, a seconda del numero di molecole di amminoacidi che li costituiscono:

• 2 molecole di amminoacidi dipeptidi
• 3 molecole di amminoacidi tripeptici
• molte molecole di amminoacidi polipeptidi.

Quando la massa molecolare di un polipeptide supera le 10.000 u.m.a. si parla di proteine.

Esempi:

Proteine - vengono classificate in 2 gradi categorie:

• Proteine fibrose - le molecole di queste proteine sono formate da lunghe catene di amminoacidi, che tendono a disporsi le une accanto le altre. Fra una catena e l'altra si formano poi legami a idrogeno. In alcune di esse, un fascio di catene si avvolge intorno ad un asse nel senso della lunghezza della catena, formando così un'elica. Sono insolubili in acqua. Hanno funzione soprattutto struttrale. Es. cheratina, collagene, miosina.
• Proteine globulari - in queste proteine le Catene peptidiche si ripiegano su sé stesse e la proteina assume una forma pressochè sferica. Il ripiegamento avviene in modo tale che i gruppi aventi cariche elettriche vengano a trovarsi dalla parte esterna della sfera, così questi gruppi sono in grado di interagire con le molecole d'acqua, e quindi le proteine globulari sono solubili in acqua. Le proteine globulari sono quelle che partecipano ai processi vitali, grazie alla loro capacità di sciogliersi in acqua sono fondamentali per la vita. Infatti esse devono potersi spostare da un punto all'altro di una cellula o da un punto all'altro dell'organismo (a seconda delle loro funzioni). Lo spostamento è possibile soltanto se le molecole si trovano disciolte in un solvente. Queste proteine possono spostarsi perché sono solubili nei liquidi presenti all'interno dell'organismo (come il plasma e la linfa) o all'interno delle cellule (liquidi cellulari), che sono liquidi costituiti prevalentemente in acqua.

Denaturazione delle proteine - sotto l'azione del calore, o di acidi o di basi, le proteine subiscono trasformazioni profonde e irreversibili, che impediscono loro di svolgere ulteriormente le proprie funzioni. Questo complesso di trasformazioni è chiamato denaturazione. Es. effetto del bianco dell'uovo attraverso il calore.

Gli acidi nucleici - sono presenti nel nucleo di tutte le cellule. Svolgono un ruolo essenziale nella trasmissione dei caratteri ereditari e nella sintesi delle proteine. Ci sono 2 tipi di acidi nucleici: acidi ribonucleici (RNA) e acidi desossiribonucleici (DNA). Le molecole degli acidi nucleici sono costituite dall'unione di nucleotidi, ogni nucleotide contiene:

• uno zucchero a 5 atomi di carbonio (ribosio per l'RNA e desossiribosio per il DNA)
• una base azotata (per l'RNA: adenina, guanina, citosina, uracile. per il DNA: adenina, guanina, citosina e timina).
• una molecola di acido fosforico.

RNA - è una singola catena avvolta ad elica. È costituita da 4 nucleotidi: adenosin-monofosfato, guanin-monofosfato, citidin-monofosfato, uridin-monofosfato. Ogni nucleotide si ripete diverse volte nella catena dell'RNA. L'RNA ha un ruolo fondamentale nella sintesi delle proteine. Diverse sequenze di nucleotidi corrispondono ad "istruzioni" diverse, quindi danno origine a sequenze di amminoacidi diverse, e quindi a proteine diverse.

DNA - sono 2 catene associate fra loro e avvolte ad elica. (struttura a doppia elica scoperta da Watson e Crick nel '53). La molecola di DNA ha il ruolo di conservare e trasmettere i caratteri ereditari. Attraverso la diversa sequenza di basi viene codificata l'informazione genetica. I suoi nucleotidi si accoppiano così: citosina-guanina e timina-adenina.