Riassunto: Chimica del carbonio e isomeria

📋 Schema del Corso

1. Carbonio e composti organici
2. Ibridizzazione degli orbitali
3. Legami carbonio-carbonio
4. Emissioni e crisi climatica
5. Isomeria e classificazione
6. Isomeri costituzionali
7. Isomeri conformazionali
8. Isomeria geometrica
9. Chiralità ed enantiomeri
10. Configurazione assoluta e Fischer
11. Dorian Gray ed estetismo
12. Fattori delle reazioni organiche
13. Effetto induttivo

📖 1. Carbonio e composti organici

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Chimica organica: Studia i composti dell’atomo di carbonio, caratterizzati dalla presenza di forti legami carbonio-carbonio.
• Sostituenti: Atomi o gruppi di atomi uniti a un atomo di carbonio.

★ Da sapere

• Il carbonio ha quattro elettroni di valenza e può formare quattro legami covalenti; nei composti organici è legato almeno all’idrogeno e spesso anche a ossigeno, azoto, fosforo, zolfo o alogeni.

• Le catene e strutture carboniose possono essere:

  • lineari
  • ramificate
  • cicliche

Approfondimenti

• Nel 1828 Friedrich Wöhler sintetizzò l’urea, confutando l’idea che i composti organici potessero essere prodotti soltanto dagli organismi viventi.

• È stato stimato che il 94% dei composti conosciuti è di tipo organico.

📖 2. Ibridizzazione degli orbitali

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Ibridizzazione: Il mescolamento di orbitali atomici dello stesso atomo che forma nuovi orbitali con caratteristiche diverse da quelle degli orbitali di partenza.

★ Da sapere

• La configurazione elettronica del carbonio è $1s^2 2s^2 2p^2$ e un elettrone può essere promosso dall’orbitale 2s al 2p vuoto, rendendo disponibili quattro orbitali semoccupati.

• L’ibridizzazione sp³ produce quattro orbitali disposti tetraedricamente con angoli di 109,5° e carattere s del 25%.

• L’ibridizzazione sp² produce tre orbitali sullo stesso piano, con angoli di 120° e carattere s del 33%, mentre un orbitale p rimane non ibridizzato e perpendicolare al piano.

• L’ibridizzazione sp produce due orbitali lineari con angolo di 180° e carattere s del 50%, mentre due orbitali p restano non ibridizzati.

Approfondimenti

📌 L’energia degli orbitali ibridi diminuisce al diminuire del numero di orbitali p combinati con l’orbitale s, seguendo l’ordine sp³, sp², sp.

💡 Trucco mnemonico

Da sp³ tetraedrico a sp lineare: diminuendo gli orbitali p coinvolti aumenta il carattere s.

📖 3. Legami carbonio-carbonio

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Legame σ: Deriva dalla sovrapposizione frontale degli orbitali di due atomi.
• Legame π: Deriva dalla sovrapposizione laterale degli orbitali di due atomi.

★ Da sapere

• Nel metano CH₄ il carbonio è ibridizzato sp³, forma quattro legami equivalenti e la molecola ha geometria tetraedrica con angoli di 109,5°.

• Un doppio legame carbonio-carbonio comprende un legame σ e un legame π; i carboni coinvolti sono ibridizzati sp² e insaturi.

• Un triplo legame carbonio-carbonio comprende un legame σ e due legami π; i carboni coinvolti sono ibridizzati sp e insaturi.

Approfondimenti

📌 L’elettronegatività del carbonio aumenta nell’ordine sp³ < sp² < sp, mentre la lunghezza del legame aumenta al diminuire del carattere s degli orbitali ibridi.

💡 Trucco mnemonico

σ nasce da sovrapposizione frontale; π da sovrapposizione laterale.

📖 4. Emissioni e crisi climatica

★ Da sapere

• Le attività umane immettono gas climalteranti, tra cui diossido di carbonio e metano, che intensificano l’effetto serra e aumentano la temperatura media globale.

• Per tutti gli scenari è previsto un aumento della temperatura media globale di 1,5–1,8 °C entro il 2030.

Approfondimenti

• Nel 2020 sono state rilasciate nell’atmosfera terrestre 40 miliardi di tonnellate di diossido di carbonio.

• L’IPCC riunisce scienziati di 195 Paesi e ha individuato cinque possibili scenari climatici futuri. - Summary for Policymakers, 2021

• Gli effetti della crisi climatica comprendono eventi estremi più frequenti e intensi, innalzamento del livello del mare, alterazione degli ecosistemi, perdita di biodiversità e cambiamenti nei cicli degli organismi.

• Le misure indicate per ridurre l’impatto climatico comprendono efficienza energetica, riduzione delle dispersioni degli edifici, ottimizzazione della filiera agroalimentare e degli allevamenti e riduzione dei consumi.

💡 Trucco mnemonico

Gas climalteranti → effetto serra più intenso → aumento della temperatura globale.

📖 5. Isomeria e classificazione

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Isomeri: Composti con la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura.

★ Da sapere

📌 L’isomeria costituzionale comporta collegamenti diversi tra gli atomi, mentre la stereoisomeria comporta la stessa sequenza di legami ma un diverso orientamento degli atomi nello spazio.

Approfondimenti

• Gli stereoisomeri si distinguono in conformazionali e configurazionali; questi ultimi comprendono isomeri geometrici e ottici.

• L’alcol etilico e l’etere metilico hanno formula molecolare C₂H₆O ma strutture diverse e proprietà differenti: l’alcol è più solubile in acqua, ha un diverso punto di ebollizione e reagisce con sodio, mentre l’etere non reagisce con sodio.

💡 Trucco mnemonico

Costituzionali: cambia il collegamento degli atomi; stereoisomeri: cambia il loro orientamento nello spazio.

📖 6. Isomeri costituzionali

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Isomeri costituzionali: Composti in cui gli stessi atomi sono legati in modo da occupare posizioni diverse e formare strutture differenti.
• Isomeria di posizione: L’isomeria di posizione si verifica quando un gruppo funzionale occupa posizioni diverse nella catena carboniosa; alla formula C₃H₈O corrispondono due isomeri di posizione.
• Isomeria funzionale: Si verifica quando gli stessi atomi formano gruppi funzionali diversi, determinando proprietà chimiche differenti.

★ Da sapere

• Gli isomeri di catena differiscono per la disposizione lineare, ramificata o ciclica degli atomi di carbonio e idrogeno; alla formula C₅H₁₂ corrispondono tre composti.

Approfondimenti

• Due composti con formula C₄H₉Cl che differiscono per la posizione dell’atomo di cloro sono isomeri di posizione.

📖 7. Isomeri conformazionali

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Isomeri conformazionali: Stereoisomeri le cui diverse conformazioni derivano dalla rotazione degli atomi attorno a legami singoli.

★ Da sapere

📌 Nell’etano la conformazione sfalsata è la più stabile, mentre quella eclissata è la meno stabile per la maggiore repulsione tra atomi ravvicinati, detta ingombro sterico.

📌 Nel cicloesano la conformazione a sedia è più stabile perché i sostituenti sono sfalsati, mentre quella a barca è meno stabile per la tensione associata a legami con sostituenti eclissati.

Approfondimenti

• Le proiezioni di Newman sono usate per rappresentare i conformeri osservando lungo un legame carbonio-carbonio.

💡 Trucco mnemonico

Nell’etano la forma sfalsata è più stabile dell’eclissata; nel cicloesano la sedia è più stabile della barca.

📖 8. Isomeria geometrica

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Isomeri geometrici: Stereoisomeri configurazionali con diversa disposizione dei sostituenti legati a un carbonio di un doppio legame o appartenente a un anello.

★ Da sapere

• La notazione cis indica sostituenti uguali dalla stessa parte del doppio legame e trans indica gli stessi sostituenti da parti opposte.

• L’isomeria geometrica non si verifica se uno dei carboni del doppio legame è legato a due gruppi uguali, perché manca una disposizione alternativa distinguibile dei sostituenti.

• Per le configurazioni E/Z si confrontano le priorità dei gruppi legati ai due carboni del doppio legame: se i gruppi prioritari sono dalla stessa parte la configurazione è Z, altrimenti è E.

Approfondimenti

• Le regole CIP furono proposte nel 1966 da Robert S. Cahn, Christopher K. Ingold e Vladimir Prelog per assegnare le priorità ai sostituenti.

• Nel cis-1,2-dicloroetilene il momento dipolare è diverso da zero e il punto di ebollizione è 60 °C, mentre nel trans-1,2-dicloroetilene il momento dipolare è zero e il punto di ebollizione è 47 °C.

💡 Trucco mnemonico

Z: gruppi prioritari dalla stessa parte; E: gruppi prioritari da parti opposte.

📖 9. Chiralità ed enantiomeri

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Carbonio asimmetrico: È legato a quattro sostituenti diversi.
• Enantiomeri: Stereoisomeri speculari non sovrapponibili, privi di un piano di simmetria e detti anche antipodi ottici.
• Attività ottica: La capacità di una sostanza di ruotare il piano della luce polarizzata; l’angolo di rotazione si misura con un polarimetro.
• Racemo: Una miscela costituita dal 50% di ciascuno dei due enantiomeri e non presenta attività ottica.

★ Da sapere

📌 Due enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata dello stesso angolo ma in sensi opposti; il segno (+) indica rotazione verso destra e il segno (−) verso sinistra.

Approfondimenti

• Una molecola con n atomi di carbonio asimmetrici può avere $2^n$ isomeri.

💡 Trucco mnemonico

Due mani speculari non sovrapponibili ricordano gli enantiomeri.

📖 10. Configurazione assoluta e Fischer

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Proiezione di Fischer: Emil H. Fischer - Rappresenta sul piano una struttura tridimensionale con il carbonio asimmetrico al centro di una croce; i legami orizzontali escono dal piano verso l’osservatore e quelli verticali si allontanano.

★ Da sapere

• Le configurazioni assolute dei centri chirali si indicano convenzionalmente con R (rectus) e S (sinister).

• 🔄 L’assegnazione della configurazione assoluta avviene così:

  1. Si ordinano i quattro sostituenti per priorità.
  2. Si osserva il centro dal lato opposto al gruppo meno prioritario.
  3. Si segue il percorso dal gruppo prioritario maggiore al minore passando per il secondo.
  4. Il percorso orario dà R e quello antiorario dà S.

📌 Le sigle D e L indicano configurazioni relative basate sul confronto con la gliceraldeide e non identificano né le configurazioni R/S né il senso di rotazione ottica, indicato con (+) o (−).

Approfondimenti

📌 Una proiezione di Fischer ruotata di 180° nel piano rappresenta la stessa molecola, mentre una rotazione di 90° rappresenta l’enantiomero.

💡 Trucco mnemonico

R corrisponde al percorso orario e S a quello antiorario, osservando dal lato opposto al gruppo meno prioritario.

📖 11. Dorian Gray ed estetismo

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Estetismo: Oscar Wilde - Un movimento artistico europeo della fine del XIX secolo secondo cui l’arte esiste per la propria bellezza e non deve avere scopi politici, didattici o di altro tipo.

📝 Punti essenziali

• Nel 1890 Oscar Wilde pubblicò The Picture of Dorian Gray, seguito nel 1891 da una versione rieditata con prefazione dell’autore.

• Nel romanzo di Oscar Wilde Dorian Gray rimane giovane mentre il ritratto invecchia e manifesta la corruzione della sua anima; alla fine Dorian trafigge il ritratto e viene trovato morto e invecchiato accanto all’immagine del giovane. - The Picture of Dorian Gray, 1890

💡 Trucco mnemonico

Dorian conserva l’apparenza giovane mentre il ritratto mostra il suo decadimento.

📖 12. Fattori delle reazioni organiche

★ Da sapere

• Tra i fattori che guidano le reazioni organiche rientrano: la polarità dei legami, le proprietà elettroniche degli atomi vicini, la presenza di sostanze che accettano o donano coppie elettroniche, la stabilità degli intermedi, i prodotti formati

Approfondimenti

• Nei composti organici i legami C—C sono covalenti puri, quelli C—H sono lievemente polari e quelli C—O o C—N sono decisamente polari.

• L’effetto induttivo dipende dall’elettronegatività, mentre l’effetto mesomerico dipende dalla delocalizzazione elettronica.

📖 13. Effetto induttivo

🔑 Concetti chiave e definizioni

• Effetto induttivo: La polarizzazione di un legame e di quelli vicini causata da atomi o gruppi con elettronegatività diversa da quella del carbonio.
• Gruppi alchilici: Gruppi formati soltanto da atomi di carbonio e idrogeno, indicati genericamente con —R.

★ Da sapere

📌 L’effetto +I, esercitato da sostituenti meno elettronegativi del carbonio o ricchi di elettroni, sposta densità elettronica verso il carbonio; l’effetto −I, esercitato da sostituenti più elettronegativi o poveri di elettroni, la allontana dal carbonio.

Approfondimenti

• I sostituenti con effetto +I comprendono: metalli legati covalentemente al carbonio come —Li e —Mg, sostituenti carichi negativamente come —O⁻ e —S⁻, gruppi alchilici —R

• La capacità dei gruppi alchilici di cedere elettroni aumenta nell’ordine —CH₃ < —CH₂CH₃ < —CH(CH₃)₂ < —C(CH₃)₃.

💡 Trucco mnemonico

+I spinge densità elettronica verso il carbonio; −I la allontana.

📊 Tabelle di sintesi

Configurazioni degli stereoisomeri