Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Precorsi

Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Precorsi per concorso ammissione ai corsi di laurea in Medicina e Chirurgia e Professioni Sanitarie Chimica organica Pier Luigi Orvietani Veronica Ceccarelli Sezione Fisiologia e Biochimica Dipartimento di Medicina Sperimentale a. a. 2017 -2018

Chimica organica chimica dei composti del carbonio Nelle molecole organiche oltre al carbonio sono presenti pochi altri elementi: H, O, N, P, S, alogeni Gruppo funzionale: particolari raggruppamenti di atomi presenti nelle molecole organiche sono responsabili della reattività della molecola

Il carbonio è un elemento del 4° gruppo e quindi ha una configurazione elettronica esterna. . . 2 s 2 2 p 2 Il suo numero di ossidazione varia da + 4 a – 4 Può essere ibridato sp 3, sp 2 o sp

CH 4 (metano) promozione s px py pz s 3 sp ibridazione px py pz sp 3 H H C C H H H H

C 2 H 4 (etene) promozione s px py pz ibridazione s px py pz 2 sp H sp 2 H xy H pz

C 2 H 2 (etino) promozione s px py pz ibridazione s xz px py pz sp sp xz sp xy sp H xy C py pz C H

Idrocarburi

Idrocarburi composti formati da carbonio + idrogeno Idrocarburi alifatici Idrocarburi aromatici (sia a catena aperta che a catena chiusa) - ALCANI - ALCHENI SATURI INSATURI - ALCHINI - BENZENE e i suoi derivati - Idrocar. aromatici polinucleari (anelli benzenici condensati) SATURI: sono presenti dei legami σ. INSATURI: sono presenti dei DOPPI o TRIPLI legami.

Idrocarburi alifatici Alcani C sp 3 Alchini C sp legame H H H C H Alcheni C sp 2 H H C C legami s H 2 legami H H C C legame s H

Nomenclatura Il prefisso indica il numero di atomi di carbonio: Met un atomo Es sei atomi Et due atomi Ept sette atomi Prop tre atomi Ott otto atomi But quattro atomi Non nove atomi Pent cinque atomi Dec dieci atomi La desinenza indica la classe: -ano (alcani) -ene (alcheni) -ino (alchino)

ALCANO ALCHENE ALCHINO CH 3 CH 2 CH C CH 3 propano propene propino

ALCANI

ALCANI - Sono idrocarburi alifatici saturi; - Hanno formula generale Cn. H 2 n+2 - Contengono solo legami covalenti σ - Sono privi di gruppi funzionali (con n= 1, 2, 3…. . )

Ci sono vari modi di rappresentazione dei composti organici: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 Formula compatta C 5 H 12 Formula bruta H HH HH H H C C C H H H Formula spaziale H H C C C H H Formula di struttura

C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Nomi di Alcani a catena lineare Cn H 2 n+2 Metano Etano Propano Butano Pentano Esano Eptano Ottano Nonano Decano Undecano Dodecano Tridecano Tetradecano CH 4 CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3(CH 2)3 CH 3(CH 2)4 CH 3(CH 2)5 CH 3(CH 2)6 CH 3(CH 2)7 CH 3(CH 2)8 CH 3(CH 2)9 CH 3(CH 2)10 CH 3(CH 2)11 CH 3(CH 2)12 CH 3

Alcani a 4 atomi di Carbonio C 4 H 10 CH 3 CH 2 CH 3 CHCH 3

Isomeri di catena Si dicono isomeri di catena due o più composti aventi la stessa formula bruta, ma diversa formula di struttura CH 3 CH 2 CH 3 butano -CH 3 sostituente alchilico ( metile ) CH 3 CHCH 3 metilpropano

Alcani a 5 atomi di carbonio C 5 H 12 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 pentano Alcani a catena ramificata CH 3 CCH 3 dimetilpropano dimetil CH 3 CHCH 2 CH 3 metilbutano metil

Regole di nomenclatura IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 1. Identificare la catena carboniosa più lunga e darle il nome dell’alcano lineare corrispondente 2. Denominare tutti i gruppi legati alla catena più lunga come sostituenti alchilici CH 3 CHCH 2 CH 3 metilbutano CH 3 CCH 3 dimetilpropano

Alcani a catena ramificata CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CHCH 2 CH 3 pentano metilbutano CH 3 CCH 3 dimetilpropano

Regole di nomenclatura IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 1. Identificare la catena carboniosa più lunga e darle il nome dell’alcano lineare corrispondente 2. Denominare tutti i gruppi legati alla catena più lunga come sostituenti alchilici 3. Numerare la catena lineare in modo da indicare con i numeri più piccoli i siti di ramificazione 4. Specificare le posizioni della catena lineare a cui i sostituenti alchilici sono legati

La corretta numerazione dei carboni (segnata in rosso) consente di usare i numeri più piccoli per indicare le posizioni dei sostituenti alchilici CH 3 9 8 7 6 5 4 CH 3 CH 2 CH H 3 C 3 C CH 3 3, 3, 4 -trimetilnonano 2 CH 2 1 CH 3

Scrivere il nome dell’alcano disponendo prima tutti i sostituenti in ordine alfabetico (ciascuno preceduto dal numero del carbonio al quale è legato) quindi aggiungere il nome della catena principale CH 3 CHCHCH 3 2, 3 -Dimetilbutano CH 3 CHCH 2 CHCH 2 CCH 3 CH 2 CH 3 4 -Etil-2, 2, 7 -trimetilottano

Anche per i gruppi alchilici si usa sempre la numerazione dei carboni che consente di usare i numeri più piccoli : 1 -propile 3 2 1

metile 1 -propile H H H C C 1 -butile C C H H H 2 -butile 2 -propile CH 3 H H 3 C C CH 3 1, 1 -dimetile Tert-butile

Carbonio primario Carbonio terziario CH 3 Carbonio quaternario CH 3 CH CH 2 CH CH 2 C CH 3 CH 2 CH 3 Carbonio secondario 4 -Etil-2, 2, 7 -trimetilottano

La presenza di legami tra gli atomi di carbonio fa sì che fra di essi possa esistere una libera rotazione che porta le molecole ad assumere varie strutture tridimensionali Isomeri conformazionali molecole che hanno la stessa formula bruta ma che si differenziano per l’orientamento spaziale dei gruppi di atomi

Alcani a catena lineare, Cn H 2 n+2 Formula bruta 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Metano Etano Propano Butano Pentano Esano Eptano Ottano Nonano Decano Undecano Dodecano Tridecano Tetradecano CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26 C 13 H 28 C 14 H 30 Formula razionale CH 4 CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3(CH 2)3 CH 3(CH 2)4 CH 3(CH 2)5 CH 3(CH 2)6 CH 3(CH 2)7 CH 3(CH 2)8 CH 3(CH 2)9 CH 3(CH 2)10 CH 3(CH 2)11 CH 3(CH 2)12 CH 3

Conformazioni dell’etano (casi limite) stellata Conformazione di minima energia eclissata Conformazione di massima energia

Conformazione eclissata H H HH H H H Conformazione stellata H H H

Alcani a catena lineare, Cn H 2 n+2 Formula bruta 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Metano Etano Propano Butano Pentano Esano Eptano Ottano Nonano Decano Undecano Dodecano Tridecano Tetradecano CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26 C 13 H 28 C 14 H 30 Formula razionale CH 4 CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3(CH 2)3 CH 3(CH 2)4 CH 3(CH 2)5 CH 3(CH 2)6 CH 3(CH 2)7 CH 3(CH 2)8 CH 3(CH 2)9 CH 3(CH 2)10 CH 3(CH 2)11 CH 3(CH 2)12 CH 3

Conformeri del butano 1 3 2 CH 3 H H H H 5 H H H CH 3 CH 3 4 H CH 3 6 H H 3 C H CH 3 H H H CH 3

Alcani a catena lineare, Cn H 2 n+2 Formula bruta 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Metano Etano Propano Butano Pentano Esano Eptano Ottano Nonano Decano Undecano Dodecano Tridecano Tetradecano CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26 C 13 H 28 C 14 H 30 Formula razionale CH 4 CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3(CH 2)3 CH 3(CH 2)4 CH 3(CH 2)5 CH 3(CH 2)6 CH 3(CH 2)7 CH 3(CH 2)8 CH 3(CH 2)9 CH 3(CH 2)10 CH 3(CH 2)11 CH 3(CH 2)12 CH 3

esano 3 -metilpentano 2, 2 -dimetilbutano 2, 3 -dimetilbutano

Conformazione più stabile di un alcano a catena lineare CH 3(CH 2)9 CH 3 Conformazione di minima energia : tutti i legami sono in conformazione stellata

Stereoisomeria Gli stereoisomeri sono composti in cui gli atomi sono legati nello stesso ordine o sequenza, ma sono disposti in modo diverso nello spazio. A differenza degli isomeri conformazionali, gli stereoisomeri non possono essere convertiti l’uno nell’altro senza rottura di legami chimici Si distinguono due principali tipi di stereoisomeria: - Isomeria ottica (o enantiomeria) - Diasteroisomeria

a d c L’atomo di Carbonio centrale è ibridato sp 3 ed è legato a quattro sostituenti diversi b è un carbonio asimmetrico

Nel 2 -clorobutano è contenuto un atomo di carbonio asimmetrico. H H CH 2 CH 3 H H Cl

H H CH 2 H H Cl H H CH 2 Cl CH 3 B CH 3 A

180°

a d c a b b d c Esiste di conseguenza un’altra molecola nella quale gli stessi atomi sono legati all’atomo centrale in maniera speculare. Le due molecole, una l’immagine speculare dell’altra sono definite enantiomeri.

Enantiomeria Si dicono enantiomeri gli stereoisomeri che sono l’uno immagine speculare dell’altro, ma non sovrapponibili. L’esistenza degli enantiomeri è legata alla presenza nella molecola di almeno un atomo di carbonio asimmetrico (CHIRALE) Gli enantiomeri sono stereoisomeri configurazionali

a 4 2 immagine speculare di a 1 1 3 La molecola b è sovrapponibile alla immagine speculare della molecola a. 3 2 b 3 4 1 2 4

Il carbonio asimmetrico è definito anche carbonio chirale Una molecola che presenta un atomo di carbonio asimmetrico si definisce chirale Le molecole chirali non presentano piani di simmetria

Molecola achirale c a In questa molecola non ci sono quattro sostituenti diversi b c Questa molecola ha un piano di simmetria, quindi non è chirale

Le molecole chirali sono dotate di attività ottica, ottica sono cioè in grado di ruotare il piano della luce polarizzata L’attività ottica delle molecole si determina con il polarimetro Gli enantiomeri hanno le stesse proprietà chimico-fisiche, chimico-fisiche ad esclusione del potere rotatorio, rotatorio vale a dire che ruotano il piano della luce polarizzata dello stesso angolo, ma in senso opposto

Le molecole chirali sono otticamente attive (un raggio di luce polarizzata che le attraversi subisce una rotazione del piano di polarizzazione) luce polarizzata luce ordinaria polarizzatore

Se il raggio di luce polarizzata viene fatto passare attraverso una cella contenente un composto chirale … luce polarizzata a l l e c luce ordinaria polarizzatore

… la luce che emerge dalla cella risulta polarizzata su un altro piano luce polarizzata + a° a l l e c luce ordinaria polarizzatore

Gli enantiomeri vengono denominati correttamente dopo aver stabilito la configurazione assoluta del centro chirale. La configurazione assoluta viene stabilita adottando la convenzione di Cahn-Ingold -Prelog

Convenzione di Cahn-Ingold-Prelog: regole di priorità 1. La priorità maggiore spetta all’atomo direttamente legato al carbonio asimmetrico avente il numero atomico maggiore. 2. Se gli atomi legati al carbonio sono uguali la priorità maggiore spetta all’atomo a sua volta legato ad atomi a maggiore numero atomico. 3. Un doppio legame C=C è considerato equivalente a due legami C-C, un doppio legame C=O a due legami C-O, etc.

2 -clorobutani 3 CH 3 H 4 CH 2 Cl CH 3 2 (R)-2 -clorobutano 1 1 Cl H 4 CH 2 CH 3 2 (S)-2 -clorobutano

Molecole con più centri chirali Un composto contenente n atomi di carbonio chirali può presentare un numero massimo di stereoisomeri n pari a 2 ( Regola di Van’t Hoff) Diastereoisomeri: stereoisomeri configurazionali che differiscono per la configurazione assoluta di un solo carbonio asimmetrico

Stereoisomeri configurazionali Cl H Br H CH 3 Cl H CH 3 Br I due composti non sono uno l’immagine speculare dell’altro

Differiscono per la configurazione assoluta di un solo carbonio asimmetrico diastereoisomeri. Cl H Br H CH 3 Cl H CH 3 S S R S CH 3 H CH 3 Br

CICLOALCANI

CICLOALCANI La catena carboniosa di un idrocarburo può essere aperta (lineare o ramificata) ramificata oppure chiusa a formare un anello (idrocarburi ciclici). I cicloalcani derivano dagli alcani a catena aperta per eliminazione di due atomi di idrogeno non contigui e successiva saldatura dei due atomi di carbonio a essi legati. I cicloalcani hanno formula generale Cn. H 2 n, con n ≥ 3. 3

H H 60° H H 120° H H H 88° H H H ciclobutano ciclopropano H H H H 105° H H ciclopentano H H H H H cicloesano

I carboni del cicloesano hanno gli orbitali di valenza ibridati sp 3. Ciascuno degli angoli di legame è 109° 5’, invece che 120° Legami ASSIALI H H 109° H H H H Legami EQUATORIALI

Isomeria conformazionale Per il cicloesano si individuano 2 conformazioni: a e e a Cicloesano nella conformazione a sedia

conformazione a barca

2 4 3 1 6 5 a 4 1 1 3 2 6 5 b 3 2 6 5 4 c Sono sufficienti semplici rotazioni intorno ai legami C-C per passare dal conformero a al conformero b, al conformero c. Il conformero b, b a causa del maggiore ingombro sterico (frecce blu) e della conformazione eclissata dei quattro atomi di carbonio posti in basso (frecce rosse) è il meno stabile

cicloalcano monosostituito Isomeria conformazionale CH 3 H H H C H C C H H H C H a H H H CH 3 H H H b H H C H C C H H H C H c Stereoisomero più stabile CH 3

1, 3 -dimetilcicloesano cis. H H 3 C H H C H C C H H H CH 3 C H H H C H a H H H CH 3 H H b H H H C C H CH 3 C C H H C CH 3 c

1, 3 -dimetilcicloesano trans H 3 C H H H C H C C H H H CH 3 C H H H C H a H H CH 3 H H H H b H H H 3 C C H H C CH 3 c

Cicloalcano disostituito La nomenclatura ufficiale prevede che si faccia precedere al termine cicloesano la lista dei gruppi alchilici legati e la loro posizione, usando i numeri più piccoli possibile. 3 2 1 4 5 6

ALCHENI

Alcheni - Sono idrocarburi alifatici insaturi - Hanno formula generale Cn. H 2 n (con n ≥ 2) 2 - La desinenza caratteristica della classe è –ene - Contengono 1 o più doppi legami C C L’alchene più semplice è l’etene ( C C), chiamato comunemente anche etilene

C 2 H 4 (etene) 2 sp H H

propene

Isomeria di posizione e di catena negli alcheni CH 2 CH 3 CH CH CH 2 CH CH 3 1 -butene 2 -butene C 4 H 8 CH 2 C CH 3 metilpropene

C 5 H 10

Stereoisomeria Configurazionale

Stereoisomeria configurazionale cis-trans cis-2 -butene trans-2 -butene H H C C H 3 C C CH 3 cis CH 3 H C H H 3 C trans Il cis- e il trans-2 -butene sono tra di loro transdue diastereoisomeri

Isomeri geometrici H C CH 3 H CH 2 C CH 2 H CH 3 C H cis-2 -pentene C CH 3 trans-2 -pentene

cis-3 -metil-2 -pentene trans-3 -metil-2 -pentene 2, 3 -dimetil-2 -esene

Sistema di nomenclatura: E/Z a a b b Z a b b a E raswin

a b CH 2 CH 3 H 3 C C b C H a CH 2 CH 3 (Z)-4 -metil-3 -eptene

Sistema di nomenclatura: E-Z a H 7 C 3 H b C C a C 2 H 5 CH 3 b (Z)-3 -metil-3 -eptene (Z) b H C H 7 C 3 a C 2 H 5 CH 3 b (E)-3 -metil-3 -eptene (E) b H C H 3 C a C 3 H 7 C 2 H 5 b (E)-3 -etil-2 -esene (E)

Dieni Gli alcheni polifunzionali contengono più di un doppio legame nella molecola; i dieni contengono due doppi legami e hanno formula: Cn. H 2 n-2 In base alla loro posizione relativa i due doppi legami possono essere: - cumulati (o alleni) C C C - isolati: isolati separati da più di un legame semplice - coniugati: coniugati separati da un solo legame semplice

coniugati isolati H H H C C C H H 1, 3 -butadiene H H CH 3 H H H C C H H 1, 4 -pentadiene H C C H CH 3 H C C H H 1, 2 -butadiene 2 metil-1, 3 -butadiene cumulati coniugati

Risonanza I sistemi dei doppi legami coniugati sono caratterizzati dal fenomeno della risonanza : delocalizzazione degli elettroni che stabilizza la molecola

1, 3 -butadiene H H H Legame ad elettroni delocalizzati H H H

1, 3 -butadiene H H H La risonanza è determinata dalla delocalizzazione dei 4 elettroni dei due legami sull’intera molecola

Si possono scrivere le tre forme limite: H H C C C ↔ C H -C H C C H H ↔ H H + C H C C H H H + C -C H H

ALCHINI

Alchini -Sono idrocarburi alifatici insaturi; insaturi -Hanno formula generale Cn. H 2 n-2 (con n≥ 2); -Contengono uno o più tripli legami C (formati da un legame e da due legami ) C L’idrocarburo più semplice è l’etino (HC CH), comunemente chiamato acetilene.

Sistema di nomenclatura degli Idrocarburi CH 3 CH 2 CH C CH 3 propano propene propino La desinenza -ano si usa per gli idrocarburi lineari saturi (alcani) La desinenza -ene si usa per gli idrocarburi lineari contenenti un doppio legame C=C (alcheni) La desinenza -ino si usa per gli idrocarburi lineari contenenti un triplo legame C C (alchini)

H-C C-H xz H sp sp xy C C xz H xy Ibridazione sp

H C C H H C C CH 3 etino propino H C C CH 2 CH 3 1 -butino H 3 C C C CH 3 2 -butino H 3 C C C CHCH 2 CH 3 4 -metil esino

REAZIONE DEGLI IDROCARBURI

REAZIONE DEGLI ALCANI

Combustione degli alcani n ox -4 CH 4 + 2 O 2 CH 3 CH 2 CH 3 + 5 O 2 n ox +4 CO 2 + 2 H 2 O 3 CO 2 + 4 H 2 O propano La combustione è una reazione di ossidazione Il C passa da numero di ossidazione - 4 a + 4

In carenza di ossigeno la combustione è incompleta e porta alla formazione di monossido di carbonio n ox -4 n ox +2 2 CH 4 + 3 O 2 2 CO + 4 H 2 O Nel CO il carbonio ha numero di ossidazione +2

Deidrogenazione CH 3 etano H 2 + CH 2 etene Con la reazione di deidrogenazione degli alcani vengono eliminate molecole di idrogeno, producendo composti insaturi (alcheni e alchini)

REAZIONE DEGLI ALCHENI

REAZIONI degli ALCHENI La reazione caratteristica degli alcheni è: addizione al doppio legame addizione elettrofila A B C C sp 2 + A B C C sp 3

1) Idrogenazione C C + H 2 Pt catalizzatore H H C C sp 2 sp 3 alchene alcano corrispondente

2) Alogenazione X X C C + X 2 C C sp 2 sp 3 alchene dialogenuro vicinale X = Br, Cl

3) Addizione di idracidi H Cl C C sp 2 alchene + HCl C C sp 3 alogenuro alchilico

4) Idratazione H OH C C sp 2 alchene + H 2 O C C sp 3 alcoole

Interconversione tra idrocarburi alifatici Alcani deidrogenazione Alcheni deidrogenazione Alchini

Idrocarburi aromatici

Benzene C 6 H 6

Tutti gli atomi di valenza. C hanno ibridazione sp 2 degli orbitali di Due orbitali ibridi sp 2 di ciascun carbonio formano legami σ con i 2 carboni adiacenti; il terzo legame avviene con un atomo di idrogeno. I sei orbitali pz non ibridati sono perpendicolari al piano individuato dai carboni ibridati sp 2. H H H

Il benzene risuona fra le due forme limite. Il passaggio dall’una forma all’altra si verifica per semplice spostamento di cariche elettriche H H H Forme limite di Kekulè

La completa delocalizzazione dei sei elettroni in un unico orbitale contenente sei elettroni è rappresentato graficamente con un anello interno all’esagono nei cui vertici sono collocati i sei atomi di carbonio (ANELLO AROMATICO) AROMATICO H H H

Reattività del benzene L’ AROMATICITA’ dà particolare STABILITA’alla molecola. Pertanto: Il BENZENE non dà reazioni spontanee di addizione, bensì di SOSTITUZIONE H H A H B H H H E H ADDIZIONE H H SOSTITUZIONE H H

Benzeni monosostituiti CH 3 H 3 CCHCH 3 CH 2 CH 3 metilbenzene (toluene) OH benzenolo (fenolo) etilbenzene 2 -propilbenzene NH 2 amminobenzenolo (anilina) CH CH 2 etenilbenzene (stirene) COOH acidobenzoico

Benzeni sostituiti 1, 3, 5 -trimetilbenzene 1, 3 -dimetilbenzene (mesitilene) (m-xilene) CH 3 CH 3 1, 2 -dimetilbenzene (o-xilene) H 3 C CH 3 1, 4 -dimetilbenzene (p-xilene) CH 3

Idrocarburi aromatici polinucleari naftalene pirene antracene fenantrene benzopirene