GRUPPI FUNZIONALI E REATTIVITA'

​Classificazione molecole organiche

Una classificazione generale dei composti organici si fonda sulla natura degli atomi che li costituiscono, suddividendoli in Idrocarburi ed Eterocomposti.

• Gli Idrocarburi sono composti organici contenenti solo Carbonio e Idrogeno.

• Gli Eterocomposti contengono anche altri atomi (eteroatomi) oltre a C e H, in particolare Ossigeno, Azoto, Zolfo e Fosforo.

Una ulteriore classificazione si fonda sulla forma della molecola, suddividendo i composti organici in aciclici e ciclici.

• Si definiscono aciclici i composti organici a catena aperta di atomi di carbonio, lineare o ramificata. 

• Si definiscono ciclici i composti organici a catena chiusa in uno o più anelli (monociclici e policiclici).

Un’ultima classificazione li suddivide in alifatici ed aromatici.

• Si definiscono aromatici i composti organici ciclici che presentano almeno un anello di tipo benzenico, con più doppi legami che costituiscono una nuvola di elettroni π delocalizzata sull’intero anello.

• Si definiscono alifatici i composti organici ciclici ed aciclici non aromatici (il termine ‘alifatico’ si riferisce propriamente solo agli idrocarburi non aromatici).

In modo più analitico i composti organici possono essere classificati in famiglie o classi sulla base del gruppo funzionale che li caratterizza. In chimica organica un gruppo funzionale è un atomo o un raggruppamento di atomi che, per la loro natura ed il tipo di legame che li unisce, conferisce a una molecola le sue caratteristiche chimiche e fisiche, in modo relativamente indipendente dalla struttura molecolare complessiva.

In altre parole, un gruppo funzionale è la porzione più reattiva di una molecola organica, che influisce in modo determinante sul meccanismo delle reazioni a cui essa è suscettibile. Per queste ragioni, i composti organici vengono suddivisi nelle varie classi in base alla presenza di uno stesso gruppo funzionale.

I gruppi sono utili per definire:

1. legami e geometria

2. tipo e forze legami (idrogeno, dipolo,...)

3. proprietà fisiche (T ebollizione: Più estesa è l’area della superficie, più il punto di ebollizione è alto. Più gli atomi sono polarizzabili, più il punto di ebollizione è alto. Solubilità: polari o meno)

4. nomenclatura

5. reattività chimica (siti elettron ricchi (nucleofili) reagiscono con elettron poveri(elettrofili))

ALCANI: non ha legami polari, nessuna coppia solitaria, e nessun legame p, quindi non ha siti reattivi.

ALCHENI: nessuna coppia solitaria, e 1 legame p, quindi subisce in genere un'addizione.

​ALCHINI: ​Presentano un triplo legame che ha un effetto di dipolo maggiore rispetto al doppio legame, per questo sono più acidi.

AROMATICI: sono chiamati così perché molti dei composti conosciuti avevano un tipico odore forte. Sono ibridi e hanno risonanza (lunghezze legami uguali) e quindi molto stabili (sostituzione nucleofila). Il più semplice è il benzene. L’anello a sei termini e i tre legami p del benzene costituiscono un unico gruppo funzionale. Quando un anello benzenico si lega a un altro gruppo, viene chiamato gruppo fenile.

ALOGENURI ALCHILICI: Catena legata ad un alogeno, F, Cl, Br, I. Nel CH3-Cl (cloruro di metile) il legame è polarizzato con il carbonio positivo e l'alogeno negativo. 

ALCOLI: Catena di carbonio legata ad un ossigeno ed un idrogeno, con l'O negativo e il C e L'H positivi (reattività soprattutto sull'H.

ETERI: L'ossigeno è legato con due atomi di carbonio, L'ossigeno, nucleofilo, è negativo e i due carboni elettrofili sono positivi.

AMMINE: Si distinguono in base al numero di carboni usati. La reattività è abbastanza scarsa per la bassa differenza di elettronegatività. L'azoto è leggermente negativo.

TIOLI o MERCAPTANI: Simili agli alcoli.

TIOLO o TIOETERE: Simili agli eteri, lo zolfo è negativo, nucleofilo.

ALDEIDI, CHETONI: sono due classi di composti caratterizzate dal gruppo funzionale carbonile, che è molto polarizzato. Le principali reazioni di aldeidi e chetoni coinvolgono dunque l'attacco di un sostituente al carbonio carbonilico e spesso si risolvono in una semplice addizione.

ESTERE:  sono composti organici prodotti dalla reazione di un alcol o di un fenolo con un acido carbossilico o un suo derivato, detta "esterificazione". Si ha una parziale carica positiva sul carbonio e negativa sugli ossigeni.

AMMIDI: costituiscono una categoria di composti organici di gruppo funzionale RCONH₂. Sono derivati funzionali degli acidi carbossilici in cui l'idrossile è sostituito con un gruppo amminico.

ANIDRIDI: Sono prodotti di condensazione tra due acidi carbossilici e in acqua danno soluzioni acide. 

ALOGENURI ACILICI: sono dei composti organici derivati dagli acidi carbossilici per sostituzione dell'ossidrile con un atomo di alogeno aventi pertanto formula bruta R-COX, dove X rappresenta convenzionalmente un qualsiasi alogeno.

NITRILI: (cianuri) Sempre derivati degli acidi carbossilici o ammidi disidratate. Il carbonio è ibridizzato sp, la molecola è lineare.

Gruppo carbonilico -C-O: Il legame polare C—O rende il carbonio carbonilico un elettrofilo, mentre le coppie solitarie sull’O gli permettono di reagire come un nucleofilo e come una base. In genere si può avere la rottura del legame pi-greco "un altro nucleofilo", quindi spesso avremo un'addizione.

​REATTIVITA'

Per ogni coppia di reagenti bisogna distinguere tra il substrato e il reattivo. 

• Substrato: molecola organica che nel corso della reazione subisce la trasformazione nel prodotto principale.

• Reattivo: la sostanza che interviene sul substrato provocando la trasformazione di questo, sono spesso di natura inorganica.

• Il solvente e la temperatura della reazione possono essere aggiunti sopra o sotto la freccia.

• I simboli “hv” e “Δ” sono usati per reazioni che richiedono rispettivamente luce e calore.

Meccanismo di reazione: lo studio della modalità con cui la reazione avviene, in uno stadio o più passaggi. Ci sono 7 meccanismi che variano a seconda del substrato. Inoltre è difficile che più di tre molecole si scontrino in modo efficace.

TIPI DI ROTTURA:

Entrambi i tipi richiedono energia per avvenire:

• Omolitica: porta a reazioni radicaliche, con e- spaiati. Bisognano di alte temperature, luce (spesso ultravioletta) e catalizzatori (perossidi).*

• Eterolitica: formazione di reazioni ioniche, con basse temperature e senza catalizzatori.

*Radicali: hanno un elettrone spaiato e sono estremamente reattivi. Un radicale X• reagisce con qualsiasi specie disponibile, sia con un legame s o p stabile.

Per quanto riguarda il carbonio i suoi radicali sono classificati come primari (1^), secondari (2^) o terziari 3^. Un carbonio radicalico è ibridato sp2 ed è trigonale planare, come i carbocationi ibridati sp2. L’orbitale non ibrido p contiene un elettrone spaiato e si estende al di sopra e al di sotto del carbonio trigonale planare. Il radicale allilico è più stabile di altri radicali in quanto può essere descritto con due strutture di risonanza. 

Omolitica: 

1. inizio della reazione: porta la formazione dei radicali a partire dal reattivo ad opera del calore e del catalizzatore. Gli iniziatori radicalici contengono un legame particolarmente debole che serve come sorgente di radicali, per  esempio i perossidi, RO—OR.

2. propagazione: è uno stadio dove si ha sempre la produzione di radicali--> autoalimentazione della reazione.

3. termine della reazione: si ha la scomparsa dei radicali dall'ambiente di reazione e avviene per la reazione di due radicali. Si ottengono quasi sempre sottoprodotti.

Nel caso di un substrato con doppio legame si  va a formare il composto più stabile tra i possibili e non segue la regola si Markovnikov (la vedremo più avanti), cioè l'idrogeno si lega al C meno sostituito.

Eterolitica: Il doppietto di e- si sposta verso uno dei due atomi coinvolti nel legame interessato generando ioni. Coinvolge legami polarizzati. La rottura ionica è la tipologia di reazione che dipende dal comportamento del reattivo. ​Se si inizia con un meccanismo ionico si finisce con un meccanismo ionico. Si opera a condizioni ambientali, con temperature basse e senza catalizzatori.

La particella negativa è come se andasse a cercare i nuclei positivi del substrato, nucleofilo.

Intermedi:

Un intermedio (non si può isolare) nell'eterolisi è un carbocatione, cioè ha un carbonio positivo, che è molto instabile e quindi reagisce velocemente. Se avviene senza stadi intermedi, ma in un singolo passaggio la reazione si dice reazione concertata.

Formazione legame:

• Due radicali possono donare un elettrone ciascuno per formare la coppia elettronica di legame.

• Due ioni con carica opposta possono unirsi, con uno ione carico negativamente che dona entrambi gli elettroni per formare la coppia elettronica del nuovo legame.

La formazione di un legame libera sempre energia.

Nel caso 1, la freccia ha solo una punta per indicare la presenza di un solo e-

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​REATTIVI NUCLEOFILI

Possiedono una carica netta negativa, basi forti, o basi di Lewis, cioè sostanze con doppietti di non legame. ​I reattivi risentono delle cariche positive del substrato. Esempi: OH- R-O-, R-S-, NH3, R-OH, H2O

I 7 MECCANISMI DI REAZIONE

SOSTITUZIONE

• Radicalica: Rottura omolitica, con condizioni di reazione drastiche. E' formata da 3 fasi e si ottiene una miscela di prodotti.

• Elettrofila: C'è una rottura ionica. Si usa un acido di Lewis come catalizzatore, come  AlCl3

• Nucleofila: C'è una rottura ionica. SI divide in alchilica ( alogeno derivati, alcoli e ammine) e acilica (acidi carbossilici e derivati)

Sostituzione elettrofila aromatica

Sostituzione Nucleofila Monomolecolare

ADDIZIONE 

Solo per substrati aventi legami multipli al loro interno

• Radicalica: Rottura omolitica, con condizioni di reazione drastiche. In alcheni e idratazione alcani con platino e palladio.

• Ionica elettrofila: Per alcheni, alchini e dieni, in condizioni normali si va a rompere il legame multiplo.

• Nucleofila: In aldeidi, chetoni, c'è una rottura ionica e  perché avvenga ci deve essere nel substrato delle parziali cariche positive o negative in cui si attacca il reattivo che va in cerca dei nuclei. Una reazione importante è quella in cui si aggiungono atomi di C all'interno del substrato, si allunga la catena--> sintesi ascendente con reattivi di Grignard

ELIMINAZIONE

Il reattivo porta alla fuoriuscita del substrato in generale piccole molecole spesso inorganiche. Formano composti con legami multipli. Reazione in genere competitiva alla reazione di sostituzione nucleofila acilica.

OSSIDORIDUZIONI

Composti con legami multipli, alcheni, alchini e dieni. Avviene quando la reazione porta ad un aumento del contenuto di ossigeno all'interno della molecola o quando si ha la diminuzione del contenuto di idrogeno.

CONDENSAZIONE

Deriva da una reazione di sostituzione nucleofila accompagnata da una reazione di eliminazione di piccole molecole. Soprattutto per composti carbonili, acidi carbossilici e derivati. E' la somma di due reazioni ed è molto presente in natura.

SN1-SN2 e E1-E2

Molecolarità: è numero di particelle che entra in una singola reazione. Molecolarità 2--> Ordine 2

Sostituzioni

• SN1: sostituzione nucleofila monomolecolare che avviene in due stadi, il primo lento dove si forma il carbocatione (più stabili i 3^, benzilico e allilico)  con l'uscita di X e nel secondo si attacca il nucleofilo (non influenza la velocità. Si ottiene sempre una miscela racemica (quindi achirale nel complesso) se è presente un carbonio chirale. Quindi se si forma l'intermedio deve essere stabilizzato. La cinetica della reazione è del primo ordine: v= k[RX]

• SN2: avviene in un unico stadio e SN bimolecolare, avviene un inversione del centro chirale e l'intermedio è un carbocatione, C con 5 legami. Sono favoriti substrati meno ingombrati (metilici). La cinetica della reazione è del secondo ordine; la velocità di reazione può essere infatti accelerata aumentando la concentrazione di uno solo dei due reagenti o di entrambi. v= k[RX] [Nu-]

Solventi:

La nucleofilicità è parallela alla basicità in tre casi:

1.Per due nucleofili con lo stesso atomo nucleofilo, più forte è la base più forte è il nucleofilo. La nucleofilicità relativa di HO¯ e CH 3 COO¯, due nucleofili ossigenati, si può determinare paragonando i valori di pK a dei loro acidi coniugati (H 2 O = 15.7, e CH 3 COOH = 4.8). HO¯ è una base più forte e un nucleofilo migliore rispetto a CH 3 COO¯.

2.Un nucleofilo carico negativamente è sempre più forte del suo acido coniugato. HO¯ è una base più forte e nucleofilo migliore rispetto ad H 2 O.

3.Muovendosi da destra a sinistra lungo una riga della tavola periodica, la nucleofilicità aumenta parallelamente all’aumentare della basicità

--> Solventi:

• polari protici (H20, R-OH): SN1: formazioni di ioni che vengono stabilizzati dal solvente

• solventi polari aprotici (acetone, (CH3)2SO ): SN2: solvatano di più i carbocatione perché lasciano libero l'anione.

​Si usa il sale NaBr come fonte del nucleofilo Br- e Na+ viene solvatato dalle interazioni ione-dipolo con l'acqua.

Per i solventi aprotici invece non formano legami ad idrogeno

​Eliminazioni:

Avvengono in B (non si strappa l'idrogeno vicino al gruppo uscente) beta-eliminazioni, in condizioni basiche (non più nucleofili) per strappare un protone (base forte se primario o secondario). Reazioni collaterali alle sostituzioni:

• E1: rottura C-X con formazione di un carbocatione intermedio, poi una base strappa un H+. Si crea così un doppio legame C-C. La legge cinetica di tale reazione è dunque del tipo: v = k · [R-Lg]​

Inoltre possiamo avere:

• E2: Il meccanismo della reazione prevede un unico stadio in cui si ha la rottura concertata dei legami C―H e C―X e la contemporanea formazione del doppio legame carbonio-carbonio. L'ingombro sterico non è un problema perché l'attacco avviene lontano dal centro di reazione. Più idrogenici sono più è favorita. La base e il gruppo uscente sono in parti opposte del piano. Meglio solventi aprotici. Ha molecolarità uguale a 2 e ordine 2 (parallele alle SN2).

Es:

Alogenuri primari SN2, E2(con nucleofili basici)

Alogenuri secondari SN1(nucleofili deboli e solventi polari), SN2(nucleofili forti) ,E1, E2(basi forti)

Alogenuri terziari  SN1, E1, E2 (no SN2 per l'ingombro sferico)

Fattori che influenzano le reazioni SN1, SN2, E1, E2

• La struttura molecolare:

1. Le reazioni E1 ed SN1 sono possibili solo se la molecola è in grado di dare un carbocatione stabile e quindi sono favoriti gli alogenuri terziari, allilici e benzilici, sono meno favoriti i secondari, mentre quelli primari e metilici sono fuori discussione. E1, SN1 benzilici, allilici, terziari > secondari (sono esclusi primari e metilici).

2. Le reazioni SN2, che prevedono l’attacco del nucleofilo sul carbonio che regge il gruppo uscente, sono possibili sole se non vi è ingombro sterico, quindi sono favoriti gli alogenuri metilici e primari oltre ad allilici, benzilici e vicini al carbonile, meno favoriti sono quelli secondari, mentre quelli terziari sono fuori discussione. SN2 (benzilici, metilici > allilici > primari > secondari (sono esclusi terziari e ingombrati).

3. Le reazioni E2, invece, sono poco influenzate dalla struttura molecolare perché possono avvenire su alogenuri primari, secondari, terziari, allilici, benzilici e vinilici purché la base sia abbastanza forte e concentrata.

• La basicità del nucleofilo: Nucleofilo e basico sono due facce della stessa medaglia. Nucleofilo è un concetto cinetico: una sostanza è molto nucleofila se attacca velocemente il carbonio in reazioni SN2. Basico è un concetto termodinamico: una sostanza è molto basica se si lega ad H+ con grande forza e la sua Kb è grande. Una sostanza molto basica attacca l’H+ e dà eliminazioni, mentre una sostanza meno basica, ma più nucleofila, attacca il C in sostituzione.

• Le dimensioni del nucleofilo: Quando il nucleofilo attacca il C, deve infilarsi attraverso i suoi sostituenti e anche quando il C è primario e poco ingombrato, vi è comunque un sostituente da aggirare. Una base in una reazione di eliminazione, invece, soffre poco i problemi di ingombro sterico perché gli H+ da strappare sono più esposti. Dato che i nucleofili sono anche basi, le dimensioni molecolari diventano importanti per far prevalere un carattere o l’altro. Un nucleofilo basico e ingombrato come lo ione t-BuO– è un cattivo nucleofilo a causa dell’ingombro sterico e si comporta solo da base forte (pKa 18). Può dare eliminazioni E2 in modo pulito, senza il rischio di dare sostituzioni SN2, nemmeno con alogenuri primari. Un nucleofilo basico di piccole dimensioni come OH– è un buon nucleofilo e dà più facilmente sostituzioni SN2 soprattutto se diluito.

• La temperatura: Le eliminazioni hanno un’entropia ΔS più favorevole quindi sono favorite da T elevate. Nell’equazione del ΔG l’entropia compare come TΔS cioè va moltiplicata per la T, quindi alte T rendono più importante il fattore entropico ΔS. ΔG = ΔH – TΔS.

• La polarità del solvente: I solventi polari protici solvatano sia cationi che anioni, quindi favoriscono la formazione dei carbocationi e rendono meno aggressivi i nucleofili legandoli con legami H, quindi favoriscono le reazioni E1 e SN1. D’altra parte i solventi non molto polari aprotici solvatano bene solo i cationi mentre interagiscono debolmente con gli anioni, quindi questi sono i solventi migliori per E2 o SN2, infatti, essendo aprotici, non possiedono H in grado di fare legami H con i doppietti di non legame di nucleofili e basi. I nucleofili, quindi, sono liberi di attaccare il substrato con tutta la loro forza e le reazioni SN2 possono risultare più veloci anche di un milione di volte rispetto a quelle eseguite in acqua. 

Gruppi uscenti: migliori sono più facilmente avviene la reazione

​ZAITSEV E MARKOVNIKOV

Zaitsev: regola empirica che descrive la via preferenziale con cui avvengono le reazioni di eliminazione alogenidrica di alogenuri alchilici che portano alla formazione di un doppio legame.

L'alchene che si forma in maggior quantità è quello che deriva dalla sottrazione dell'idrogeno dal carbonio β che è legato al minor numero di idrogeni. Cioè l'idrogeno che preferenzialmente viene sottratto è quello legato al carbonio in β che possiede meno idrogeni, e quindi quello più sostituito. Questo significa che l'alchene si forma in modo da ottenere il doppio legame più sostituito: ciò significa generalmente maggiore stabilità

La regola di Zaitsev è simile alla regola di Markovnikov, che si applica al processo inverso, cioè alle reazioni di addizione.

Markovnikov: regola empirica che afferma che l’H+ si lega al carbonio che ha più idrogeni, quindi al carbonio meno sostituito del doppio legame, mentre l’alogenuro si lega al carbonio più sostituito.

​EFFETTO INDUTTIVO E DI RISONANZA

• Elettron donatore--> aumenta la carica negativa sul substrato carbonioso.

• Elettron attrattore--> sottrae carica al residuo, C caricati positivamente.

Effetto induttivo: Si basa sulla polarizzazione di una catena idrocarburica ed è derivato da una differente elettronegatività esistente tra gli atomi coinvolti in un legame covalente. Sarebbe presente all'interno di un substrato sia saturo o insaturo.

Si divide in.

• -I elettron elettro attrattore: sottraggono e-, substrato diventa più positivo.

• +I elettron donatore: aumenta il contributo di carica negativa sul substrato e determina delle parziali cariche negative che si posizionano sul substrato. Tipici esempi di +I sono i gruppi formati da C e H, -R.

Effetto mesomerico o di risonanza: Si esercita solo se nel substrato ci sono dei doppi legami alternati. In quanto su questi legami si instaura una configurazione con i doppi legami eventualmente presenti nella funzione o con doppietti elettronici di non legame presenti su un atomo legato al residuo idrocarburico. Si divide in:

• -R elettron attrattore: e viene esercitato da tutte quelle funzioni dove è presente un atomo più elettronegativo del carbonio legato dal legame multiplo ad un altro atomo C, S, N. Residuo diventa positivo. Gruppi che presentano un effetto mesomero –R sono: -CHO, -COOH, -CN, -SO3H, -NO2.  

• +R elettron donatore: è un effetto di risonanza che viene esercitato da atomi o da funzioni che hanno elettroni non condivisi utili per essere delocalizzati sul substrato carbonioso. Sono elettrondonatori per effetto mesomero +R: -NH2, -OH, -F, -Cl, -Br. 

​REAZIONI - TERMODINAMICA

Per avvenire una reazione necessita che ci sia una diminuzione dell'energia libera di Gibbs.

Entalpia di reazione ΔH°

​Le energie di dissociazione di legame sono utilizzate anche per calcolare la variazione di entalpia in una reazione in cui più legami sono scissi e formati.

ΔH= ΔH legami rotti - ΔH legami formati. Nell'esempio è esotermica e quindi produce calore.

Una reazione è governata da fattori termodinamici e cinetici.

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La termodinamica descrive come si confrontano le energie dei reagenti e dei prodotti, e quali sono le quantità relative dei reagenti e prodotti all’equilibrio. La costante di equilibrio Keq è un’espressione matematica che correla le quantità di materiale di partenza e di prodotto presenti all’equilibrio. E’ una grandezza termodinamica.

Cinetica:

Descrive la velocità della reazione. La k (costante cinetica) è invece una costante che misura la velocità di una reazione. L’equilibrio favorisce i prodotti quando essi sono più stabili (a energia minore) rispetto al materiale di partenza. (Keq >1, DG° < 0 reazione favorita termodinamicamente) 

Variazione di entropia: dS°, è la misura del disordine di un sistema. Maggiore è il disordine, maggiore è l’entropia. Le reazioni che mostrano aumento di entropia sono favorite.

Diagramma di energia:

• Ogni reazione può essere descritta da un diagramma di energia che è una rappresentazione schematica dei cambiamenti di energia che hanno luogo mentre i reagenti sono convertiti nei prodotti.

• Un diagramma di energia riporta sull’asse y l’energia contro il progredire della reazione, spesso indicato come coordinata di reazione, lungo l’asse x.

• ​Nella reazione passo attraverso un massimo di energia che è lo stato di transizione.

Esotermica

In una reazione a due stadi, ciascuno stadio ha la sua propria barriera di energia, con uno stato di transizione in corrispondenza del massimo di energia.

L'intermedio è il minimo tra i due massimi.

Leggi cinetiche:

• Uno stadio

• Due stadi

Catalizzatori:

Alcune reazioni non avvengono in tempi ragionevoli a meno che non venga aggiunto un catalizzatore. Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di una reazione. E’ recuperato inalterato alla fine della reazione e non compare tra i prodotti. Non entra nella stechiometria della reazione.

--> Enzimi:

Gli enzimi sono proteine specializzate nella catalisi di reazioni biochimiche all'interno delle cellule viventi. Queste macromolecole sono composte da amminoacidi che si ripiegano in una struttura tridimensionale ben definita, che conferisce loro la loro funzione specifica.

Ogni enzima ha un sito attivo, che è una regione specifica dove il substrato si lega e dove avviene la reazione catalizzata dall'enzima. La forma del sito attivo e le proprietà chimiche dei suoi residui amminoacidici determinano la specificità dell'enzima per il substrato.

Il substrato si lega all'enzima attraverso interazioni non covalenti, come legami idrogeno, interazioni ioniche e forze di van der Waals. Una volta legato, il substrato subisce una trasformazione chimica, che può essere una reazione di scissione o di sintesi.

Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni chimiche catalizzate di molti ordini di grandezza rispetto alla stessa reazione senza l'enzima, senza essere consumati nel processo. Questa proprietà si definisce catalisi e permette alle cellule di condurre reazioni chimiche a velocità compatibili con i tempi biologici.