La nomenclatura dei composti organici

I composti organici sono molti milioni. E' evidente come sia impossibile classificarli in assenza di una nomenclatura sistematica. Esistono due sistemi ufficiali di nomenclatura, che fanno riferimento alla CAS (Chemical American Society) e alla IUPAC (International Union Pure and Apllied Chemistry). Il nome di un composto organico deve risultare come un'etichetta identificativa dalla quale sia possibile ricavare tutte le informazioni che ci permettano di risalire alla struttura. In particolare, deve contenere una radice, che identifica il numero di atomi di carbonio che costituiscono la catena, e un suffisso, che identifica il gruppo funzionale. In presenza di più gruppi funzionali si ricorre all'utilizzo di prefissi. Dal nome si deve capire anche la disposizione spaziale degli atomi (stereochimica). Accanto ai nomi ufficiali rimangono in uso, specie per le sostanze note da lungo tempo, nomi comuni (triviali)

Le norme da seguire nella nomenclatura chimico-organica sono molte e, molto spesso, complicate. Tuttavia, per idrocarburi, composti monofunzionali e semplici composti polifunzionali si possono dettare alcune regole di facile apprendimento, con le quali lo studente dovrà familiarizzare.

Nomenclatura degli idrocarburi.

In un idrocarburo lineare la radice del nome definisce il numero di atomi di carbonio (met, et, prop, but, pent, es, etc), il suffisso (ano, ene, ino) la presenza o meno di un doppio o un triplo legame [vedi Tabella 1].

In presenza di più doppi o tripli legami il suffisso ene o ino è preceduto da di tri tetra, a seconda che siano presenti due, tre o quattro doppi o tripli legami.

La catena deve essere numerata per determinare la posizione dei doppi o tripli legami. La numerazione deve essere fatta in modo da dare ai doppi o tripli legami il numero più basso possibile. In presenza di un doppio e un triplo legame, la precedenza va al doppio legame.

In idrocarburi ramificati si individua la catena più lunga di atomi di carbonio, che definisce la radice. Le catene laterali vanno intese come sostituenti ed elencate come prefissi utilizzando la nomenclatura dei radicali alchilici. I sostituenti vanno elencati in ordine alfabetico; davanti al nome va posto il nume che identifica la posizione nella catena. La numerazione va fatta in modo da dare ai sostituenti il numero più basso. In presenza di doppi o tripli legami la precedenza va ad essi.

4. Gli idrocarburi ciclici assumono il prefisso ciclo

Nomenclatura dei composti mono- e poli- funzionali

La presenza di un gruppo funzionale identifica l'appartenenza della molecola ad una classe di composti, designati da un suffisso (Tabella 2). Nei casi in cui il gruppo funzionale non faccia parte della catena principale si deve trattare come fosse un sostituente e si indica come prefisso

In composti polifunzionali il gruppo con priorità maggiore identifica l'appartenenza della molecola alla relativa classe di composti, che sarà designata dal suffisso; gli altri gruppi vengono trattati come sostituenti e indicati come prefissi.

Tabella 1. Nomenclatura degli idrocarburi alifatici

Nomenclatura dei più comuni composti monofunzionali

Scala di priorità nella nomenclatura di composti polifunzionali

Acidi > Anidridi > Esteri > Cloruri acilici > Ammidi > Immidi > Nitrili > Aldeidi >_ Chetoni > Alogenuri > Ammine > Immine > Eteri > Doppi legami > Tripli legami

Alcuni composti polifunzionali

Come si scrivono le molecole?

Consideriamo i vari modi di rappresentare una molecola semplice come il 2-metilpentano:

La formula bruta C₅H₁₀ non fornisce nessuna indicazione sulla struttura della molecola. In chimica organica le formule brute vengono usate solo raramente.

La formula di struttura compatta del tipo

è frequentemente usata, ma non è consigliata perché non fornisce informazioni sulla stereochimica.

La formula seguente NON E' ACCETTABILE: evidenziare i legami C-H è superfluo; gli angoli di legame non sono rispettati.

4) La formula di struttura a zig-zag è fortemente consigliata, poiché è veloce da scrivere e gli angoli di legame vengono rispettati. Formalmente, si ottiene proiettando sul foglio la molecola. I legami C-H non vanno scritti. Ad ogni vertice corrisponde un atomo di carbonio. Lo studente dovrà familiarizzare con questa simbologia.

Con questa simbologia è facile rappresentare molecole anche complesse. A titolo di esempio, consideriamo l'acido 2-ammino-3-cloro-4-metil-5-idrossiesanoico.

La radice esan indica una catena a 6 atomi di carbonio; la desinenza oico indica l'appartenenza alla classe degli acidi carbossilici; la numerazione della catena parte dal carbonio funzionale del carbossile. La molecola si scrive come si vede in proiezione sul piano.

Effetti elettronici dei gruppi funzionali

*Carbonile in funzioni -CO-H, -CO-R, -CO-OH, -CO-OR, -CO-NH₂

= effetto stabilizzante; = effetto destabilizzante

..perché il vinile e il fenile stabilizzano sia cationi che anioni?

Il legame p CC può comportarsi sia da elettron accettore che da elettron donatore

.perché alogeni, ossigeno, azoto e zolfo hanno effetto elettron donatore +M?

Gli atomi del 5, 6, e 7 gruppo hanno uno (o più) doppietti di elettroni di non-legame che possono donare a un catione

...perché alogeni, ossigeno, azoto e zolfo hanno effetto elettron donatore -I?

Gli atomi del 5, 6, e 7 gruppo sono più elettronegativi del carbonio

.perché i gruppi carbonile (di aldeidi, chetoni, acidi, esteri, ammidi, anidridi, etc.), nitrile, nitro e solforile sono elettron attrattori?

I legami multipli >C=O, -CsN, -N(O)=O e -SO₃H sono fortemente polarizzati e possono ospitare elettroni rispettivamente sull'atomo di carbonio di carbonili e nitrili, azoto di n itro gruppi e solfo di gruppi solforili.

Isomeria

Isomeria conformazionale nell'etano

L'isomeria conformazionale nell'etano e negli etani sostituiti nasce dal fatto che gli atomi legati ai due atomi di carbonio possono assumere diverse posizioni reciproche. Poiché la differenza di energia tra le varie forme è molto bassa (1-3 Kcal/mol), i conformeri non possono essere separati.

Isomeria conformazionale nel cicloesano

A differenza dei cicloalcani a 3, 4 e 5 termini, che hanno struttura rigida, il cicloesano può assumere diverse conformazioni a causa della mobilità degli atomi di carbonio. Da notare che: a) la conformazione a sedia è più stabile di quella a barca, a causa della repulsione sterica tra gli atomi di idrogeno 1,4; b) si può passare da una all'altra per semplice rotazione dei legami s CC; c) nella conformazione a sedia ci sono 6 atomi di H che giacciono nel piano contenente i 6 atomi di C; questi sono detti equatoriali. Gli altri 6 atomi di H giacciono 3 sopra e 3 sotto il piano; vengono detti assiali; d) passando da una conformazione a sedia a un'altra gli H che erano assiali diventano equatoriali, e gli equatoriali diventano assiali; e) nei cicloesani sostituiti è preferita la conformazione in cui il sostituente è in posizione equatoriale; nella posizione assiale ci sarebbe interferenza (repulsione sterica) con gli altri due idrogeni assiali.

Louis Pasteur (Dole, 1822 - Villeneuve l'Etang, 1895). Chimico e biologo francese, fra il 1863 e il 1867 studiò il fenomeno della fermentazione lattica e alcoolica, scoprendo l'esistenza dei batteri anaerobici e rigettando la teoria della generazione spontanea dei microorganismi. Dal 1873 membro dell'Accademia di Medicina, studiò diverse malattie infettive, riuscendo a identificare e isolare numerosi bacilli, tra cui quello del carbonchio e della rabbia. Dal 1882 membro dell'Academie Francaise, fu direttore dell'Institut Pasteur, fondato per lui.

Nel 1847, all'età di 26 anni, pubblicò il suo primo lavoro sull'asimmetria molecolare, unendo i principi della cristallografia, dell'ottica e della chimica. Tra i suoi innumerevoli meriti scientifici annovera anche quello di avere introdotto i concetti della stereochimica.

Enantiomeri e Diasteroisomeri

L'enantiomeria e la diasteroisomeria nascono dalla presenza nella molecola di uno o più stereocentri.

Sono stereocentri gli atomi di carbonio asimmetrici, ossia atomi di carbonio legati a 4 sostituenti diversi.

Uno stereocentro è chiamato anche centro chirale.

In un atomo di carbonio asimmetrico (stereocentro) possiamo legare i 4 sostituenti in due modi diversi:

sono possibili due configurazioni, chiamate R e S, che sono una l'immagine speculare dell'altra.

Per la determinazione della configurazione del carbonio asimmetrico:

definire i sostituenti L (large), M (medium), S (small) secondo le regole di priorità

ponendo l'atomo di idrogeno (o, comunque, il sostituente più piccolo) dentro il piano del foglio, andare idealmente da L a S passando da M. Se si va in senso orario, la configurazione è R (rectus); se si va in senso antiorario è S (sinister)

ponendo l'atomo di idrogeno (o, comunque, il sostituente più piccolo) fuori dal piano del foglio, andare idealmente da L a S passando da M. Se si va in senso antiorario, la configurazione è R (rectus); se si va in senso orario è S (sinister)

le regole di priorità tengono conto del peso atomico degli atomi A, B, C direttamente legati al carbonio; in caso di due atomi A e B uguali, si tiene conto del peso atomico dell'atomo più pesante legato a A e B

I > Br > Cl > S > O > N > C   OR > OH SR > SH CH₂R > CH₃ CH=CR₂ > CH₂R

Enantiomeri. Quando in una molecola è presente uno stereocentro, sono possibili due stereoisomeri, uno immagine speculare dell'altro, chiamati enantiomeri. Un enantiomero ha configurazione R, l'altro configurazione S. Gli enantiomeri hanno le stesse proprietà chimiche e fisiche. Sono indistinguibili, tranne che per una proprietà: sono otticamente attivi, ossia ruotano il piano della luce polarizzata, un enantiomero a destra (destrogiro, d), l'altro a sinistra (levogiro, l). Poiché in senso assoluto l'angolo di rotazione a è uguale, una miscela equimolecolare d,l (detta miscela racemica, o racemo) è otticamente inattiva.

La capacità di ruotare il piano della luce polarizzata è detto potere rotatorio, a. Il potere rotatorio specifico, [a]_D, è il potere rotatorio di una soluzione di 1 gr/mL, misurato per un cammino ottico di 10 cm alla riga gialla del sodio.

Diasteroisomeri. Quando in una molecola sono presenti due o più stereocentri, sono possibili tanti stereoisomeri quante sono le possibili combinazioni tra le diverse configurazioni degli stereocentri.

a)     2 stereocentri: 4 stereoisomeri, 2 diasterosiomeri, ciascuno presente come coppia di enantiomeri (RR/SS e SR/RS)

b)     3 stereocentri: 8 stereoisomeri, 4 diasterosiomeri, presenti come coppie di enantiomeri (RRR/SSS, RRS/SSR, RSR/SRS, RSS/SRR)

c)     n stereocentri: 2ⁿ stereosiomeri, 2ⁿ/2 diasterosiomeri, presenti come coppie di enantiomeri

Isomeria cis-trans nei cicloesani 1,2-disostituiti