Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia Tecniche Erboristiche Chimica Organica A.A. 2012-2013 2. La Struttura dei Composti Organici 1. Caratteristiche dei legami chimici metano Giuseppe G. Carbonara Dip. di Farmacia-Scienze del Farmaco
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2. La Struttura dei Composti Organici - farmacia.uniba.it · Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia TecErb-Chimica Organica A.A. 2012-2013 La struttura dei composti
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Chimica OrganicaA.A. 2012-2013
2. La Struttura dei Composti Organici
1. Caratteristiche dei legami chimici
metano
Giuseppe G. CarbonaraDip. di Farmacia-Scienze del Farmaco
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Caratteristiche dei legami chimici
COS’E’ LA CHIMICA
ORGANICA?
La Struttura e la Reattività
La Sintesi dei Composti Organici
La Struttura dei Composti Organici e le Caratteristiche
Chimico-Fisiche
- Le molecole della vita- I materiali
- L’Ambiente e la Salute
OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO
Descrivere i concetti fondamentali dellastruttura atomica.
Spiegare i vari aspetti del legame chimicoe della struttura delle molecole organiche.
Imparare a scrivere formule molecolari.
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La struttura dei composti organici1. Caratteristiche dei legami chimici
I. Struttura atomica II. Legame ionico e legame covalente III. Formule strutturali ed isomeri IV. Ioni covalenti e strutture isoelettronicheV. Orbitali atomici VI. Orbitali molecolari VII. Ibridazione e legami covalenti VIII.Distanze ed angoli di legame IX. Energie di legame X. Elettronegatività e dipoli XI. Legame d’idrogeno
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Cosa rende il Carbonio tanto speciale?
Perché ci sono tanti composti che contengonocarbonio?
Il carbonio, situato al centro della riga, è più propenso a condividereelettroni, cioè è più propenso a formare legami.
Il carbonio forma legami sia con altri atomi di carbonio, sia conmolti altri atomi differenti: formazione di milioni di compostistabili.
La velocità di formazione o di scissione dei legami dipende daltipo di elettroni coinvolti e dal tipo di atomi a cui appartengono.
2.1I Struttura atomica
elementi della seconda riga della Tavola Periodica
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2.1I Struttura atomica (numeri quantici)
2n2 elettroni
per ogni guscio (n = numero del guscio)
N° quantico principale n
2e-
n = 1
n = 2
Gli elettroni sono contenuti in sottogusci (o sottolivelli energetici) detti Orbitali Atomici s, p, d, fN° quantico azimutale l = 0(n-1)
Orbitale Atomico = spazio3D posto a distanza edenergia quantizzate dalnucleo, la cui formarappresenta la probabilità ditrovare l’elettrone in quelvolume di spazio.
GusciN° totale di elettroni
per guscio (2n2)Energie relative N° e tipi di orbitali per ogni guscio
4 32 alte 4s, 4px, 4py, 4pz, cinque 4d e sette 4f
3 16 3s, 3px, 3py, 3pz e cinque 3d
2 8 2s, 2px, 2py, 2pz
1 2 basse 1s
Orbitali Atomici con stessi numeri ned l, quindi stessa energia, si diconodegeneri e differiscono per la loroorientazione nello spazio
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La configurazione elettronica dello stato fondamentale di
un atomo può essere determinata applicando i seguenti tre
principi della meccanica quantistica:
Principio di aufbau: gli orbitali vengono occupati dagli
elettroni a partire dall’orbitale a energia più bassa, seguito da
quelli a energia più alta.
Principio di esclusione di Pauli: ogni orbitale può contenere massimo due elettroni,e, se sono presenti entrambi gli elettroni, devono avere spin opposto (N° quantico
magnetico di spin).
Es.: i due elettroni dell’elio devono occupare l’orbitale 1s con spin opposto.
He 1s2 = 1sE
Regola di Hund: quando sono presenti orbitali degeneri (che hanno la stessa energia,
es. i tre orbitali 2p) ma non vi sono elettroni sufficienti a riempirli completamente, gli orbitali
verranno occupati prima da un singolo elettrone non appaiato.
N 1s2 2s2 2p3 = 1sE 2sE 2px2py2pz
2.1I Struttura atomica
E
E
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2.1I Struttura atomica
E Primo periodo Secondo periodo Terzo periodo
En
erg
ia c
rescen
te →
He 2 1s2 Ne 10 [He] 2s2 2p6 Ar 18 [Ne] 3s2 3p6
F 9 [He] 2s2 2p5 Cl 17 [Ne] 3s2 3p5
O 8 [He] 2s2 2p4 S 16 [Ne] 3s2 3p4
N 7 [He] 2s2 2p3 P 15 [Ne] 3s2 3p3
C 6 [He] 2s2 2p2 Si 14 [Ne] 3s2 3p2
B 5 [He] 2s2 2p1 Al 13 [Ne] 3s2 3p1
Be 4 [He] 2s2 Mg 12 [Ne] 3s2
H 1 1s1 Li 3 [He] 2s1 Na 11 [Ne] 3s1
La configurazione elettronica di un atomo descrive il numero di elettroni posseduti dall’atomo
e gli orbitali in cui sono sistemati (es. C = 1s2 2s2 2p2).
Le configurazioni elettroniche dei diversi atomi possono essere rappresentate utilizzando i simboli
dei gas nobili, per indicare gli elettroni dei gusci più interni, seguiti dagli elettroni degli orbitali esterni
(es. C = [He] 2s2 2p2).
La valenza è il numero di elettroni che un atomo deve perdere o guadagnare per raggiungere la
configurazione elettronica del gas nobile più vicino. Gli elettroni degli orbitali più esterni sono
detti elettroni di valenza [es. C – 4e- (2s2 2p2) = He].
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2.1I Struttura atomica La tavola periodica degli elementi è un metodo tabellare di riportare le
configurazioni elettroniche degli atomi con i periodi diposti in
orizzontale e i gruppi disposti in verticale.
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H He
Li Be B C N O F Ne
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2.1I Struttura atomicaMendeleev, con la sistemazione degli elementi in tabella, evidenziò che le proprietà chimiche
erano ricorrenti e simili nei diversi gruppi ("periodiche").
Lo schema della tavola è stato rifinito col tempo, man mano che venivano scoperti nuovi elementi e
venivano sviluppate nuove teorie per spiegarne il comportamento chimico.
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Dmitri Ivanovich Mendeleev(8 Febbraio1834 – 2 Febbraio 1907)
Chimico e inventore russo A lui è attribuita la creazione della tavolaperiodica degli elementi.Utilizzando la tavola predisse l’esistenza dielementi non ancora scoperti.
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2.1I Struttura atomica
aI valori di elettronegatività sono relativi, non assoluti. Per questo esistono varie scale di elettronegatività.
Le elettronegatività qui indicate sono quelle della scala sviluppata da Linus Pauling.
È la capacità di un atomo impegnato inun legame chimico di attrarre verso di segli elettroni di legame.
È misurata da una scala di valori, percui gli elementi più elettronegativiesercitano un’attrazione maggiore.
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Il raggio atomico è, convenzionalmente, la metà della distanza internucleare tra due atomidello stesso elemento, legati in modo covalente. Nel SI il raggio atomico si misura in picometri(pm), nella pratica i chimici continuano ad utilizzare l’angstrom (Å).
Il raggio ionico indica il raggio dall'atomo dopo essere stato ionizzato, supposto sferico edefinito, ovvero privato o fornito di un certa quantità di elettroni di valenza: diminuisce conl'aumentare del numero di ionizzazioni che l'atomo ha subito.
Il raggio di Van der Waals di un atomo è il raggio di una sfera immaginaria che rappresenta ilvolume di spazio occupato dall'atomo. I raggi di Van der Waals vengono determinati dallamisurazione degli spazi interatomici tra coppie di atomi privi di legami presenti neicristalli.
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2.1II Legame ionico e legame covalente
Per formare un legame, un elettrone di valenza spaiato h di un atomo si
accoppia con un elettrone di valenza spaiato h di un atomo vicino; il legame
contiene due elettroni accoppiati con spin opposti E.
Per rappresentare gli elettroni di valenza di un atomo si usano le formule di
Lewis.
Carbonio 1s2 2s2 2p2 oppure
guscio
internoguscio di
valenza
Gli Atomi tendono a formare i legamiper raggiungere una configurazioneelettronica stabile (gas nobile più vicino).
Gli elettroni posti nei gusci più esternisono detti elettroni di valenza e il livelloenergetico in cui sono situati è detto gusciodi valenza: sono quelli utilizzati performare i legami.
Gli elettroni dei gusci più interni completinon sono coinvolti nella formazione deilegami.
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2.1II Legame ionico e legame covalente
Il legame ionico è dovuto al trasferimento di uno o più elettroni da atomi, o meno elettronegativi, verso atomi .
Gli atomi elettropositivi perdono uno o più elettroni di valenza per diventare, mentre quelli più elettronegativi guadagnano uno o più elettroni
diventando .
I legami ionici: sono dovuti all’attrazione elettrostatica tra ioni carichi positivamente enegativamente, e i composti ionici sono uniti da cariche di segnoopposto;
si formano normalmente tra metalli reattivi (elementi elettropositivi -a sinistra nella tav. per.) e non-metalli (elementi elettronegativi - adestra nella tav. per.).
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2.1II Legame ionico e legame covalente Dovuto all’attrazione elettrostatica tra ioni carichi positivamente enegativamente I composti ionici sono uniti da cariche di segno opposto.
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2.1II Legame ionico e legame covalente
Legame covalente: è formato da elementi non troppoelettonegativi, né troppo elettropositivi, o con elettronegativitàsimile, che condividono un doppietto elettronico.
C,H,N,O (P, S, Alogeni) formando i legami covalenti tendono a completare l’ottettoelettronico dei gusci elettronici di valenza per assumere laconfigurazione elettronica del gas nobile più vicino.
Non c’è un acquisto o una perdita netta di elettroni.
Due o più atomi legati tra loro mediante legami covalentiformano una molecola.
Nei legami costituiti da atomi dello stesso tipo la nuvolaelettronica del legame è distribuita equamente tra i due atomi.
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2.1II Legame ionico e legame covalente Il Legame covalente polare è formato tra atomi aventidiversa elettronegatività.
La nuvola elettronica del legame non è distribuitaequamente tra i due atomi, ma presenta una maggiore densitànelle vicinanze dell’atomo più elettronegativo (legamepolarizzato).
La polarità del legame covalente è indicata con i simboli d+ e d-
che significano rispettivamente parziale carica positiva eparziale carica negativa.
La direzione della polarità del legame può essere indicata con unafreccia la cui punta è diretta verso l’atomo più elettronegativo.
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2.1II Legame ionico e legame covalente La polarità del legame può anche essere indicata utilizzando lemappe di potenziale elettrostatico.
Mostrano la distribuzione elettronica, e di carica elettrica, su unsingolo legame, o su una intera molecola, in conseguenza dell’attrazioneesercitata da un atomo più elettronegativo sugli elettroni.
Evidenziano la forma tridimensionale e le dimensioni della nuvolaelettronica di una molecola (raggio di Van der Waals).
poteziale elettrostatico
+ positivo
poteziale elettrostatico
+ negativo
Blu > Verde > Giallo > Arancio > Rosso
Li―H H―H H―Fd+ d- d-d+
Il potenziale elettrostatico è l’energia (eV) di
interazione di una carica positiva con la nuvola
elettronica di una molecola.
Rappresenta il bilancio tra le interazioni repulsive della
carica positiva rispetto ai nuclei carichi positivamente e le
interazioni attrattive con gli elettroni carichi negativamente.
Le regioni dove il bilancio è a favore dell’attrazione sono
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2.1II Legame ionico e legame covalente Il legame covalente polare, comportando una separazioneparziale di carica (d+d-), possiede un dipolo elettrico.
La grandezza del dipolo di legame è misurata dal momentodipolare m.
m = e x ddove:
- e è la grandezza della carica- d è la distanza tra le cariche
Unità di misura del momento dipolare è il debye (D):- carica dell'elettrone 4,80x10-18
unità elettrostatiche (esu) - distanza tra le cariche circa 10-8 cm.Per esempio, un momento dipolare di 1,5x10-18 esu x cm èscritto più semplicemente 1,5 D.
LegameMomento
dipolare (D)Legame
Momento dipolare (D)
H-C 0,4 C-C 0
H-N 1,3 C-N 0,2
H-O 1,5 C-O 0,7
H-F 1,7 C-F 1,6
H-Cl 1,1 C-Cl 1,5
H-Br 0,8 C-Br 1,4
H-I 0,4 C-I 1,2
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Le formule in Chimica Organica
2.1III Formule strutturali ed isomeri
Formula bruta o molecolareIndica in modo conciso la qualità e laquantità di ogni atomo che costituisce lamolecola.
Formule di struttura di Lewis e diKekuléIndicano il modo con cui i singoli atomisono legati tra loro, mostrando i doppiettiliberi (Lewis) e senza precisare angoli elunghezze dei legami (Lewis e Kekulé).
Formule di struttura a linee eprospetticheIndicano il modo con cui i singoli atomisono legati tra loro, evidenziando alcuniangoli (linee) o impiegando artifici graficiper evidenziare la disposizione dei legaminello spazio 3D (prospettiche).
Formule condensateIndicano solo gli atomi di carbonio, con osenza legami, seguiti dagli idrogeni, con ilnumero riportato in pedice, gli eteroatomied eventuali idrogeni legati.
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2.1III Formule strutturali ed isomeri La valenza è il numero di elettroni degli orbitali più esterni che un
atomo deve perdere o guadagnare per raggiungere la configurazioneelettronica del gas nobile più vicino.
Le strutture elettroniche di Lewis permettono di valutarerapidamente quanti elettroni di valenza vengono utilizzati per i legami edi predire il tipo di legame formato.
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2.1III Formule strutturali ed isomeri
Le strutture di Lewis forniscono informazioni sul tipo di atomi cheformano un legame e sul numero totale di coppie di elettroni coinvolte.
Un atomo può perdere, accettare o condividere elettroni inmodo che il suo guscio di valenza contenga otto elettroni e siacompletamente pieno. Questa configurazione elettronica piùstabile è indicata come ottetto (regola dell’ottetto).
Per l’idrogeno e l’elio, il cui guscio 1s può contenere massimo dueelettroni; il guscio di valenza completo degli atomi del 2° periodo può
contenere massimo otto elettroni (2s2, 2p6).
Questa condizione può essere raggiunta:
perdendo o acquistando elettroni formazione di ioni
legame ionico
condividendo elettroni con altri atomi legame covalente
C OH
H
H
H C NH
H
H
H
H
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Per scrivere formule di Lewis considerare prima il numero di elettronidi valenza presenti per ogni elemento:
questo numero da indicazione sul numero di elettroni necessari per
completare l’ottetto (o il doppietto per l’idrogeno!) formando legami covalenti.
Gli ioni sono atomi che per completare l’ottetto acquistano o perdono elettroni.
catione anione
Nei composti organici gli elementi formano un legame covalentecondividendo due elettroni, uno per ogni elemento.
2.1III Formule strutturali ed isomeri
+
-e-
+e-
S
O
P
N
Br
Cl
F
I
CB
Al Si
H
Li
Mg
Nessun atomo può formare più di 4 legami.Fanno eccezione P, S, Cl, Br, I che possono esten-dere l’ottetto utilizzando anche gli orbitali d.
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2.1III Formule strutturali ed isomeri
Il carbonio può completare l’ottetto formando legami semplici emultipli anche con altri atomi del secondo periodo (N, O, F), o di periodisuperiori (P, S, Cl, Br, I):
legame singolo, 1 coppia di elettroni condivisi, 1 legame s
legame doppio, 2 coppie di elettroni, 1 legame s + 1 legame p
legame triplo, 3 coppie di elettroni, 1 legame s + 2 legami p
C N C O C S
C N
C N C O C S C F+
C Cl+
C Br+
Il numero di elettroni necessari per completare l’ottetto determina sia ilnumero sia il tipo di legami che un dato elemento può formare:
legame singolo, 1 coppia di elettroni condivisi, 1 legame s
legame doppio, 2 coppie di elettroni, 1 legame s + 1 legame p
legame triplo, 3 coppie di elettroni, 1 legame s + 2 legami p
PC IC
PC
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Gli atomi che hanno un guscio di valenza completo, per aver perso oacquistato elettroni, o per formazione di legami, si dice che hanno unaconfigurazione a guscio chiuso.
Gli elettroni che non sono condivisi vengono indicati come elettroni dinon legame o doppietti elettronici liberi (lone pair), e nelle strutture diLewis vengono indicati con due punti vicino al simbolo dell’elemento.
Le specie che hanno elettroni non appaiati sono dette radicali liberi, evengono indicati con un punto singolo posto vicino all’elemento; laconfigurazione elettronica è detta a guscio aperto.
C OH
H
H
H C NH
H
H
H
H
2.1III Formule strutturali ed isomeri
C
H
HH
H
Na+
Cl-
doppietto elettronico
non condiviso
doppietti elettronici
non condivisi
H·
radicaleidrogeno
radicalefluoruro
radicalemetilico
metano
metilamminametanolo
elettrone spaiato
ione cloruroione sodio
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In alcuni casi un atomo può completare l’ottetto:
formando un numero di legami maggiore del numero di elettroni di valenza,
non condividendo alcuni doppietti elettronici, formando un numero inferiore dilegami rispetto a quelli previsti dalla valenza
Il Carbonio, a seguito della perdita di elettroni, può non completare l’ottetto emostrare un numero di elettroni di valenza inferiore a quello previsto
In tutti questi casi sarà necessario verificare l’attribuzione di un’eventualecarica elettrica formale all’atomo interessato, utilizzando la formula seguente:
carica formale = N° elettroni di valenza – (N° elettroni di nonlegame + ½ N° elettroni di legame)
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I legami delle strutture di Lewis possono essere rappresentati oltreche da una coppia di elettroni anche con una linea intera (—).
Nelle strutture in cui sono presenti eteroatomi (es. N, O, F, ecc.), unavolta rappresentati i legami con una linea intera, si scrivono i doppiettielettronici non condivisi (lone pair) vicino agli atomi interessati.
2.1III Formule strutturali ed isomeri
CH
H
H
H C
H
H H
H
C OH
H
H
HC NH
H
H
H
H
C OH
H
H
HC NH
H
H
H
Hmetilammina metanolo
doppietto elettronico
non condiviso
doppietti elettronici
non condivisi
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Strutture di Kekulé
Sono simili alle strutture di Lewis, ma sono evidenziati solo i legami comelinee (—); se sono presenti eteroatomi i doppietti elettronici liberi non vengonoindicati, a meno che non si vogliano indicare particolari caratteristiche chimiche.
Strutture condensate
Sono strutture semplificate in cui vengono omessi i legami a linea o i doppietticondivisi; accanto all’atomo di carbonio vengono indicati gli atomi di idrogeno legati,seguiti dal loro numero in pedice, o gli eteroatomi legati, seguiti a loro volta dagliidrogeni.
2.1III Formule strutturali ed isomeri
C C CH
H
H H
H H
H
H C C ClH
H
H H
H
C C C
H
OH
H
H H
H
H
H
propano etilcloruro propanolo
propano etilcloruro propanolo butilammina
CH3CH2CH3 CH3CH2Cl CH3CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2NH2
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2.1III Formule strutturali ed isomeri
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a. Il legame tra due atomi di C èrappresentato con una linea (scheletro).
b. L’intersezione (angolo di 120°) dove siincontrano due linee rappresenta unatomo di carbonio.
c. Il simbolo C non è mostrato sia alleintersezioni che alla fine di qualsiasilinea.
d. Gli atomi di idrogeno legati ai carboninon sono mostrati. Il numero di atomi diidrogeno legati ad ogni carbonio è taleche ogni carbonio abbia quattro legami.
e. Se è presente un eteroatomo (N, O, F,Cl, S, etc.) questo deve essere indicato,così come gli idrogeni legati ad esso.
f. Il legame con un eteroatomo èrappresentato con una linea.
g. Il carbonio legato all’eteroatomo non èmostrato.
h. I doppietti elettronici di non legame(lone pair) non sono mostrati.
CH3
NH2
OH
2.1III Formule strutturali ed isomeri Strutture con legami a linea (scheletri)
N
O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
ab
c
d
e
ff
h
h
struttura di Lewis
OH OH
O
o
Esempi
C
C
CC
C
H H
H
H
H
H
H
HH
H
HH
O
C
CO
O
H
HH
H
C
C
C
H
H
H H
H
H
a
d
neopentano
acido idrossi acetico
ciclopropano
(2R)-1-amminopropan-2-olo
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Isomeria, ovvero la molteplicità delle strutture
Isomeri costituzionali o strutturali: composti che hanno uguale formulabruta o molecolare (uguale peso molecolare), ma formula di strutturadiversa.
Formule di struttura isomere rappresentano molecole diverse edistinguibili, con caratteristiche chimico-fisiche diverse.
C2H6O
P.M. 46
C3H8O CH3CH2CH2OH CH3CH(OH)CH3 CH3CH2OCH3
P.M. 60
C5H12
P.M. 72
Il numero di isomeri strutturali possibili aumenta rapidamenteall’aumentare del numero di atomi di carbonio.
2.1III Formule strutturali ed isomeri
OCC H
H
H
H
H
H
OC C
H
H
H H
H
H
etanololiquido, p.e. 78,4 °C
dimetil eteregas, p.e. –23 °C
pentanoliquido, p.e. 36,1 °C
neopentanogas, p.e. 10 °C
isopentanoliquido, p.e. 28 °C
propan-1-ololiquido, p.e. 97,1 °C
propan-2-ololiquido, p.e. 82,3 °C
metil-etil-eteregas, p.e. 7,6°C
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Le regole di Lewis permettono di scrivere anche le formule di struttura di ioniinorganici poliatomici contenenti legami covalenti.
Gli ioni positvi vengono detti cationi, mentre quelli negativi sono dettianioni.
Ogni ione è sempre associato al suo contro-ione capace di bilanciare lacarica.
Un anione o un catione inorganico può essere legato ad un residuoorganico per dare origine a ioni organici o a molecole neutre organiche
2.1IV Ioni covalenti e strutture isoelettroniche
O-
O
O-
CCa2+
O-
O
H
H
H
C C
Na+
O
O-
O-
N+Na+ O-
O
O-
O
SMg2+
O
O-
C N+
H2
H2
H2
O-
O
H
H
H
C C
O-
O
O-
C
O
O-
O-
N+
O-
O
H
H
H
C N+
O-
O
O-
O
S
calcio carbonato sodio nitrato magnesio solfato
sodio acetato nitrometano
CH3
CH3
CH3
CH3
N+
Cl-CH3
CH3
CH3
CH3
N+
ammonio cloruro
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CH
H
H
NH
H
N+H
H
H
+
ione ammonio(ione fosfonio P+)
CH
H
H
+
carbocatione
OH
ione ossido
-OH
H
B-H
H
H
B-H
H
H
-
+O+H
Hione ossonio(ione solfonio S+)
XH
H
XH+
ione alonio
-
CH
H
Hcarbanione
Co
nfi
gu
razio
ni is
oele
ttro
nic
he
-
NH
H
ione ammido
Situazioni di legame isoelettroniche di atomi che presentano guscielettronici di valenza identici.
2.1IV Ioni covalenti e strutture isoelettroniche
B
+3
C
+4
N (o P)
+5
O (o S)
+6
X (alogeni)
+7
Elettroni di valenza
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In base ai principi della meccanica quantistica, non è possibile determinare
contemporaneamente e con precisione la posizione e la quantità di moto dell’elettrone
(principio di indeterminazione di Heisenberg).
Pertanto, un elettrone non ruota attorno al nucleo atomico in un’orbita definita, ma occupa una
porzione 3D dello spazio in cui vi è la maggiore probabilità di trovarlo (orbitale atomico).
Le forme degli orbitali atomici derivano dalle soluzioni, espresse in forma di funzioni d’onda
(simbolo Ψ), all’equazione di Schrödinger, che descrive l’energia e la posizione degli elettroni
considerati come onde stazionarie, data la loro natura dualistica onda-corpuscolo.
La soluzione di una specifica funzione d’onda viene chiamata orbitale. Orbitali diversi
definiscono energie e distribuzione di elettroni diversi. Ogni orbitale (s, p, d, f) possiede
specifici numeri quantici n, l, m.
Il modo migliore di rappresentare graficamente le soluzioni delle funzioni d’onda Ψ (orbitali) è
quello di utilizzarne il quadrato Ψ2, che è proporzionale alla probabilità di trovare l’elettrone in
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2.1V Orbitali Atomici Costituenti principali dei Composti Organici
1 H
8O
7N
6C
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2.1VI Orbitali molecolari (OM) Molecola di idrogeno H2: si forma un legame quando due atomi diidrogeno si avvicinano ad una distanza di equilibrio (distanza di legame).
Le forze di attrazione dei nuclei sugli elettroni “controbilanciano”le forze di repulsione delle cariche positive dei nuclei e le forze direpulsione delle cariche negative degli elettroni.
La forza gravitazionale, pur essendo presente, incide debolmente.
+
+ OM legante s2
- + OM antilegante s*E pot.
Distanza, R (Å)
++Distanza grande (10 Å)
Nessuna interazione
++
Gli orbitali atomici
cominciano ad interagire
per formare un legame:legante (funzioni d’onda in fase ++)
antilegante (funzioni d’onda non in fase -+)
distanzadi legame0.74 Å
Alla distanza internucleare di equilibrio le nuvoleelettroniche degli OA si fondono in un OM
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2.1VI Orbitali molecolariLa forma delle molecole organiche
Il metodo VSEPR (Valence Shell Electron-Pair Repulsion) Si applica all’atomo centrale di molecole semplici e tiene conto della
repulsione delle coppie elettroniche di legame e dei doppietti liberi.
Il metodo del legame di valenza (Valence Bond - VB, Legame di Valenza)
Utilizza orbitali atomici ibridi.
Prevede l’uso di orbitali molecolari “localizzati” (leganti o antileganti) tra gli atomi che formano il legame.
Permette di ottenere una rappresentazione qualitativa della distribuzione elettronica sulla molecola.
Il metodo della combinazione lineare di orbitali atomici (Linear Combination of Atomic Orbitals - LCAO, Combinazione Lineare di Orbitali Atomici)
Prevede la formazione di tanti orbitali molecolari (leganti e antileganti) “delocalizzati” su tutta la molecola, quanti sono gli orbitali atomici di partenza.
Ogni orbitale molecolare può accogliere al massimo due elettroni, con spin opposto.
La forma delle molecole e la distribuzione elettronica sono determinate solo mediante calcoli quanto-meccanici.
I calcoli permettono di determinare anche gli orbitali di frontiera (HOMO, LUMO e SOMO), necessari per spiegare la reattività delle molecole e le proprietà spettroscopiche.
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2.1VI Orbitali molecolari Combinazione lineare di orbitali atomici (Linear
Prevede la formazione di tanti orbitali molecolari(leganti e antileganti) “delocalizzati” su tutta lamolecola, quanti sono gli orbitali atomici di partenza,dove vi è la maggiore probabilità di trovare la coppia dielettroni.
Ogni orbitale molecolare può accogliere al massimodue elettroni, con spin opposto.
La forma delle molecole e la distribuzione elettronicasono determinate solo mediante calcoli quanto-meccanici.
I calcoli permettono di determinare anche gli orbitali difrontiera (HOMO, LUMO e SOMO), necessari per spiegarela reattività delle molecole e alcune proprietàspettroscopiche.
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2.1VI Orbitali molecolari Secondo la teoria quanto-meccanica dell’Orbitale Molecolare, i legami covalentirisultano dalla Combinazione Lineare di Orbitali Atomici (AO) per formare OrbitaliMolecolari (MO). Le funzioni d’onda che descrivono gli AO di partenza possono essere in fase(combinazione costruttiva, legante) o con fase opposta (combinazione distruttiva,antilegante). Si formano tanti OM quanti sono gli OA di partenza. Ogni OM può contenere massimo due elettroni con spin opposto.
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2.1VI Orbitali molecolari Sovrapposizione assiale di AO s MO s
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2.1VI Orbitali molecolari Sovrapposizione assiale di AO p MO s
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2.1VI Orbitali molecolari Sovrapposizione laterale di AO p MO p
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2.1VI Orbitali molecolari Energie degli orbitali molecolari formati con AO p
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2.1VI Orbitali molecolari Sovrapposizione laterale di AO p di atomi diversi (C=O)
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2.1VI Orbitali molecolari H2 e CH4 - calcolati con Spartan 2006 (Wavefunction)
H2 CH4
OM antilegante s*
OM legante s
OM leganti - 2 elettroni per orbitale
sovrapposizionedegli OM leganti
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2.1VI Orbitali molecolari Il metodo VSEPR (Valence Shell Electron-Pair Repulsion)
Si basa sul presupposto che in una molecola le coppieelettroniche di legame, e gli eventuali doppietti liberi, sidispongono in modo da minimizzare la repulsione deidoppietti elettronici.
Prevede che gli elettroni di legame siano localizzati tradue nuclei.
La struttura tridimensionale di una molecola AXE(A=atomo centrale, X=n. legami sigma) si ottienedeterminando il numero sterico (NS):
NS = N° doppietti liberi + N° dopietti dei legami covalenti s
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Il legame covalente polare, comportando una separazione parziale di
carica (d+d-), possiede un dipolo elettrico.La grandezza del dipolo di legame è misurata dal momento dipolare m.Nelle molecole biatomiche il momento dipolare di legame
corrisponde al momento dipolare molecolare.
m = e x d
dove:
- e è la grandezza della carica- d è la distanza tra le cariche
2.1X Elettronegatività e dipoli
Unità di misura del momento dipolare è il debye (D):- carica dell'elettrone 4,80x10-18 unità elettrostatiche (esu) - distanza tra le cariche circa 10-8 cm.Per esempio, un momento dipolare di 1,5x10-18 esu x cm èscritto più semplicemente 1,5 D.
Molecole con più diun legame covalentepolare.
Il momento dipolaremolecolare dipendedalla somma vettorialedei momenti dipolaridi tutti i legami e dallageometria dellamolecola.
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2.1X Elettronegatività e dipoli Molecole apolari
Il momento dipolare di molecole che hanno più di un legame
covalente dipende dalla geometria della molecola.
E’ determinato sia dal modulo che dalla direzione dei singoli momenti
dipolari dei legami (somma vettoriale).
Se il momento dipolare molecolare risulta nullo, la molecola è
apolare.
metanom = 0 D
carbonio tetraclorurom = 0 D
carbonio diossidom = 0 D
C OO
Cl
ClCl
Cl
H
HH
H
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2.1X Elettronegatività e dipoli Molecole polari
Se il momento dipolare molecolare risulta non nullo, la molecola
sarà polare e ad essa sarà associato un dipolo elettricomolecolare.
La maggiore o minore polarità dipende dalla grandezza del
momento dipolare molecolare m.
clorometanom = 1,87 D
H
HH
Cl
acquam = 1,85 D
ammoniacam = 1,47 D
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2.1XI Legame idrogeno Interazioni dipolo-dipolo
Le molecole dotate di momento dipolare si attraggono tra loro
poiché possono allinearsi in modo che l'estremità positiva di undipolo risulti adiacente all'estremità negativa di un altro
dipolo.
Queste forze attrattive elettrostatiche, dette interazioni dipolo-
dipolo, sono più deboli dei legami ionici o covalenti.
interazioni dipolo-dipolo
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Il legame idrogeno è un tipo speciale di interazione dipolo-dipolo tra unidrogeno legato ad ossigeno, azoto o fluoro e il doppietto elettronico suun ossigeno, azoto o fluoro di un'altra molecola adiacente.
I legami idrogeno più forti (1,9-40 kcal/mole) sono quelli lineari, con idue atomi elettronegativi e l'idrogeno allineati sulla stessa retta.
La lunghezza dipende dalla forza del legame, dalla temperatura e dallapressione e, in generale, è compresa tra ~1,6 e 2,0 Å.
I legami idrogeno sono più forti delle altre interazioni dipolo-dipolo, mameno dei legami ionici o covalenti.