Appunti di
CHIMICA ORGANICA 1
Prof. G. Ramis
REGOLE DI NOMENCLATURA IN CHIMICA ORGANICA A qualsiasi molecola organica si può assegnare un nome secondo la convenzione IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Talvolta, inoltre, il nome d’uso corrente di un composto organico prende origine dalla sua “storia”. Per alcune classi di composti, esiste infine una nomenclatura alternativa radical-funzione. Può quindi accadere che un composto organico possieda anche tre nomi. Ad esempio il CH3-O-C6H5 si può chiamare: anisolo, metossibenzene o fenilmetiletere. La “filosofia” della nomenclatura IUPAC consiste nel costruire il nome del composto attraverso un prefisso, indicante il numero d’atomi di carbonio della catena principale, e una desinenza indicante il gruppo funzionale priore. In assenza di funzioni organiche (alcani) il suffisso è -ano. Per indicare il prefisso caratterizzante il numero degli atomi di carbonio presenti nella catena principale si utilizza la numerazione greca. Per cui l’alcano lineare con cinque atomi di carbonio si chiama pentano, quello con sei esano quello con undici undecano, quello con venti eicosano, quello con trenta triacontano e così via. I primi quattro prefissi, indicati in tabella, fanno però eccez ione: N. AT. DI C PREFISSO
1 met-
2 et-
3 prop-
4 but-
In presenza di un idrocarburo non lineare occorre dare un nome anche alle ramificazioni attaccate alla catena principale. Tale nome si ottiene sostituendo il suffisso -ano dell’alcano corrispondente alla ramificazione con -ile. Ad esempio, se sulla catena principale di un eptano nel terzo -CH2- un H- è sostituito con un CH3-CH2-, la ramificazione è etile; perciò il nome completo dell’idrocarburo in questione, in base anche alle regole che saranno dette successivamente, è 3-etileptano. Per alcune ramificazioni fino a quattro atomi di carbonio, la convenzione IUPAC accetta il nome “storico” d’alcuni radicali. I nomi IUPAC e d’uso dei più comuni radicali fino a quattro atomi di carbonio sono elencati nella tabella seguente:
RADICALE ALCHILICO
- CH3
- CH2 -
-CH2-CH3
-CH=CH2
NOME
metile
metilene
etile
vinile
RADICALE ALCHILICO
=CH-CH3
-CH2-CH2-CH3
CH3-CH-CH3
CH2=CH-CH2-
NOME
etilidene
propile
isopropile
RADICALE ALCHILICO
-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3-CH2-CH-CH3
NOME
butile
-CH2-CH-CH3 CH3 isobutile
allile CH3-C-CH3 CH3 ter.butile
sec.butile
REGOLE DI NOMENCLATURA PER IDROCARBURI ALIFATICI Alcani La catena principale è quella con il maggior numero d’atomi di carbonio. La numerazione della catena deve essere assegnata in modo che il numero di posizione della prima ramificazione sia il più piccolo possibile. Tra numero e nome s’inserisce un trattino. La molteplicità di uno stesso gruppo sostituente s’indica con i prefissi di-, tri-, tetra-, ecc. prima del nome del radicale; quindi si antepongono tutti i numeri di posizione separati da una virgola. I gruppi sostituenti diversi si elencano secondo ordine alfabetico, prefissi esclusi. In presenza di più catene “principali” con lo stesso numero d’atomi di carbonio, la priorità appartiene quella con il maggior numero di ramificazioni. La numerazione di radicali alchilici complessi parte dall’atomo di carbonio attaccato alla catena principale; quindi si procede secondo le regole precedenti. I numeri e i sostituenti dei radicali alchilici complessi vanno posti tra parentesi prima del nome della catena radicalica principale. Alcheni e alchini La desinenza corrispondente agli alcheni è -ene; quella corrispondente agli alchini è -ino. La catena principale è quella con il maggior numero d’atomi di carbonio contenente l’insaturazione, non più lunga in assoluto. L’insaturazione deve avere il numero più piccolo. A parità di posizione dell’insaturazione valgono le regole precedenti. Se i due sostituenti principali, dei quattro legati ad un doppio legame C=C, sono dalla stessa parte rispetto al piano perpendicolare all’orbitale π l’isomero è Z, se sono dalla parte opposta l’isomero è E. Se la priorità si basa sulla sola lunghezza della catena a Z ≡ cis e ad E ≡ trans. In presenza di più insaturazioni queste devono essere indicate dai numeri di posizione; la loro molteplicità deve inoltre essere evidenziata dal prefisso in modo analogo ai gruppi sostituenti. Nel caso di polieni, poliini e polienini, la catena principale è quella contenente il maggior numero d’insaturazioni. Nella numerazione il doppio legame è priore sul triplo Alicicli Il nome agli idrocarburi monociclici è dato anteponendo il prefisso ciclo-. Poi si seguono le regole precedenti. Nei polisostituiti, i sostituenti devono avere i numeri più piccoli possibile, in caso di parità il numero 1 è assegnato al carbonio con il primo sostituente per ordine alfabetico. Nei cicloalcheni sostituiti gli atomi di carbonio insaturi devono avere i numeri 1 e 2; i sostituenti devono poi avere i numeri di posizione più piccoli.
REGOLE DI NOMENCLATURA PER IDROCARBURI AROMATICI Quando i sostituenti dell’anello benzenico sono diversi, si prende come base l’arene più complesso con nome ritenuto. Se non è possibile allora la base è il benzene. La numerazione dell’anello parte dall’atomo di carbonio con il sostituente che si è preso come base. La numerazione prosegue in modo da assegnare agli altri sostituenti i numeri più piccoli. Alternativamente si possono utilizzare gli indici orto (o.) per le posizioni 2 e 6, meta (m.) per le 3 e 5 e para (p.) per la 4. Se sono presenti due sostituenti uguali, la base è il benzene. Alcuni radicali di idrocarburi aromatici dal nome ritenuto sono elencati di seguito:
Fenile
CH2
CH
Benzile
Benzale
C
Benzo
Naftile
REGOLE DI NOMENCLATURA PER CLASSI FUNZIONALI Convenzione IUPAC La catena deve essere numerata in modo che il suffisso caratteristico del gruppo funzionale priore abbia il numero più piccolo. Se sono presenti più gruppi funzionali diversi, il suffisso deve corrispondere alla funzione priore. I gruppi funzionali restanti devono essere considerati come sostituenti e dovranno quindi essere indicati con un numero di posizione (o con la corrispondente lettera greca partendo dal carbonio adiacente al carbonile), ed eventuale molteplicità, seguendo le regole viste precedentemente per gli idrocarburi. Quando sono presenti più funzioni priori dello stesso tipo si sceglie la catena idrocarburica contenente il maggior numero possibile di funzioni priori, quindi non necessariamente la più lunga in assoluto. La prima funzione priore deve avere il numero più piccolo possibile e deve essere indicata la molteplicità delle funzioni con il prefisso numerico, come visto per gli idrocarburi. I gruppi funzionali, salvo gli alogeni, sono priori nei confronti delle insaturazioni. Il numero della posizione delle insaturazioni va posto prima del nome della base. I nomi dei sostituenti si elencano per ordine alfabetico. Nomenclatura radical-funzione Il nome del composto si ottiene dal nome della classe funzionale, cui la funzione priore appartiene, seguito, o preceduto, dal nome del/i radicale/i ad essa attaccato. Semplificando, si può affermare che si considera radicale tutto ciò che è attaccato al gruppo funzionale priore. Se sono presenti più tipi di funzioni, il nome è assegnato seguendo le regole di priorità. Tutte le funzioni dipendenti sono considerate come radicali.
ALOGENODERIVATI Nomenclatura sistematica: l’alogeno è sempre funzione dipendente, anche nei confronti delle insaturazioni, si considera quindi come un comune radicale. Nomenclatura radical-funzione: sono considerati alogenuri d’alchile.
ALCOLI E FENOLI Nomenclatura sistematica: se l’ossidrile è funzione priore si aggiunge al nome della base (l’alcano corrispondente senza la o finale) la desinenza -olo, se è funzione dipendente si usa il prefisso idrossi. Nomenclatura radical-funzione: sono considerati alcoli alchilici. Nel caso in cui due ossidrili sono vicinali sono glicoli alchenici.
SALI D’ALCOLI E FENOLI La formula di struttura dei sali corrispondenti è R-O-Me+ o Ar-O-Me+. Da ricordare che i sali occupano il primo posto nella scala di priorità, perciò sono sempre funzione priore. Nomenclatura sistematica: si sostituisce il suffisso -olo con -olato di Me. Nomenclatura radical-funzione: al nome del radicale si aggiunge la desinenza -ato di Me.
ETERI Nomenclatura sistematica: il radicale R-O- è sempre considerato funzione dipendente e prende il nome della base alifatica o aromatica cui è aggiunto il suffisso -ossi. Per i radicali fino a quattro atomi di carbonio si contrae il nome. Nomenclatura radical-funzione: sono visti come eteri alchilici o alchileteri; quando sono asimmetrici, il nome dei radicali va messo in ordine alfabetico.
EPOSSIDI Nomenclatura sistematica: esiste solo questa. Il ponte -O- che si lega ai due atomi di C adiacenti è sempre funzione dipendente e prende il nome epossi. Solo per i termini più semplici, esiste una nomenclatura alternativa che li considera ossidi di alchene.
ACIDI CARBOSSILICI Nomenclatura sistematica: non esiste una nomenclatura radical-funzione. Il nome è costituito dalla sequenza acido nome sistema base+suffisso. I suffissi sono -oico per i sistemi a catena aperta e -carbossilico per i sistemi aromatici o a catena chiusa. Quando la funzione è dipendente prende il nome il nome carbossi. Da notare che essendo il gruppo carbossile sempre terminale, in una catena non ce ne potranno mai essere più di due. Tuttavia, per gran parte degli acidi carbossilici e derivati, è molto più diffusa la nomenclatura che utilizza i nomi d’uso comune. Il nome dei sali deriva da quello dei corrispondenti acidi per sostituzione della desinenza -ico con -ato, seguito ovviamente dal nome del metallo, e con l’eliminazione della parola acido. Nomi d’uso comune di alcuni acidi monocarbossilici: H-COOH formico CH3-CH2-COOH propionico CH3-(CH2)3-COOH valerianico
CH3-COOH acetico CH3-(CH2)2-COOH butirrico CH3-(CH2)4-COOH capronico
CH2=CH-COOH
CH3-CH=CH-COOH crotonico
acrilico
COOH
COOH
benzoico
salicilico
OH Nomi d’uso comune di alcuni acidi grassi: CH3-(CH2)14-COOH palmitico (p.f. 63°C)
CH3-(CH2)16-COOH stearico (p.f. 70°C)
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH
oleico (p.f. 16°C) linoleico (p.f. -5°C) linolenico (p.f. -11°C)
Nomi d’uso comune di alcuni acidi bicarbossilici: HOOC-COOH HOOC-(CH2)2-COOH HOOC-(CH2)4-COOH
ossalico succinico adipico
HOOC-CH=CH-COOH cis
maleico
HOOC-CH2-COOH HOOC-(CH2)3-COOH HOOC-(CH2)5-COOH COOH COOH
HOOC
COOH
tereftalico
malonico glutarico pimelico ftalico.
DERIVATI FUNZIONALI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI Hanno formula R-CO-Y. Il radicale R-CO- si chiama acile o radicale acilico. Alogenuri acilici per Y = -X (alogeno) Nomenclatura sistematica: esiste solo questa. Se la funzione è priore sono considerati alogenuri d’acile. Quando la funzione è dipendente è indicata con il prefisso alogenoformile. Ammidi per Y = -NH2 Se il gruppo alchilico R si lega anche sull’azoto ammidico, formando un ciclo, prendono il nome di lattami. Nomenclatura sistematica: esiste solo questa. Se la funzione è priore si sostituisce la desinenza dell’acido -oico o -ico con -ammide. Se il nome dell’acido termina con il suffisso -carbossilico si sostituisce con -carbossiammide, in quest’ultimo caso il carbonio ammidico non fa parte del sistema base. Se la funzione è dipendente prende il nome -amido. Anidridi per Y = -O-CO-R’ Si differenziano in simmetriche (R = R’), miste (R ≠ R’) e cicliche (-R-R’-). Nomenclatura sistematica: esiste solo questa. Il nome deriva da quello dell’acido per sostituzione della parola acido con anidride. Nelle anidridi miste i due acidi sono indicati in ordine alfabetico. Esteri per Y = -O-R’ In presenza di un ciclo -R-R’- prendono il nome di lattoni. Nomenclatura sistematica: esiste solo questa. Se la funzione è priore si deriva il nome da quello dell’acido eliminando la parola acido, sostituendo la desinenza -ico con -ato e facendo seguire il nome del radicale -R’. Quando la funzione è dipendente possono essere possibili due diversi attacchi. Se il radicale è R-CO-O- prende il nome di acilossi; se il radicale è R-O-CO- prende il nome di alchilossicarbonil.
ALDEIDI E CHETONI Aldeidi Nomenclatura sistematica: non esiste una nomenclatura radical-funzione. Quando il carbonile è funzione priore, il nome si forma aggiungendo la desinenza -ale al nome della base. Quando il gruppo -CHO è funzione dipendente prende il nome di formile (vedi acidi carbossilici). Per le aldeidi esiste una nomenclatura alternativa che le considera derivate dagli acidi carbossilici. In questo caso si sostituisce la parola acido con aldeide e si trasforma in femminile il nome dell’acido. Si può invertire l’ordine di scrittura della base con la parola aldeide. Chetoni Nomenclatura sistematica: quando il carbonile è funzione priore il nome si forma aggiungendo la desinenza -one al nome della base; quando è funzione s’indica con il prefisso oxo. Nomenclatura radical-funzione: Sono considerati, analogamente agli eteri, alchilchetoni.
RIASSUNTO DEI PRINCIPALI RADICALI CONTENENTI OSSIGENO MOLECOLA BASE R-CH2-H CH3-CH3 R-CH2-O-H CH3-CH2-OH R-CO-O-H ″ CH3-CO-OH ″ ″ ″ --------(1)
NOME DEL COMPOSTO alcano etano alcolo etanolo ac. carbossilico ″ ac. etanoico ac. acetico ac. etanoico ac. acetico ---------
RADICALE
REGOLA
R-CH2ano→ile CH3-CH2″ R-CH2-Oolo→ossi CH3-CH2-O″ R-COico→ile R-CO-Oico→ilossi CH3-COico→ile ″ ″ CH3-CO-Oico→ilossi ″ ″ R-O-COano→ossicarbonil CH3-CH2-O-CO″
NOME RADICALE alchile etile alcossi etossi acile acilossi etanoile (1) acetile etanoilossi (1) acetilossi alcossicarbonile etossicarbonile
Non si usano; specialmente per i composti fino a quattro o cinque atomi di carbonio sono più comuni i prefissi provenienti dalla nomenclatura d’uso comune.
AMMINE Nomenclatura sistematica: considerando l’azoto come funzione priore, per un’ammina primaria si utilizza il suffisso -amina dopo quello della base. Se l’ammina è semplice comunemente si usa il nome del radicale al posto della base. Nelle ammine secondarie o terziarie simmetriche il nome della base (o del radicale) deve essere preceduto dal prefisso moltiplicativo. Tutte le altre ammine asimmetriche sono invece trattate come composti N-sostituiti. I nomi dei radicali che non appartengono alla catena base devono essere preceduti da N-.
NITRILI Nomenclatura sistematica: Quando -CN è funzione priore si aggiunge al nome della base la desinenza -nitrile. Qualora il gruppo funzionale fosse legato ad un sistema ciclico, quindi l’atomo di carbonio del nitrile non fa parte del sistema base, la desinenza è -carbonitrile. Se è funzione dipendente si usa il prefisso ciano. Nomenclatura radical-funzione: Sono considerati cianuri d’alchile. Per questa classe di composti esiste una terza nomenclatura che li considera derivati degli acidi carbossilici: si omette la parola acido e i suffissi -ico o -carbossilico vengono sostituiti
PRIORITÀ DEI GRUPPI FUNZIONALI Nomenclatura radical funzione: 1) alogenuri degli acidi; 2) cianuri e isocianuri; 3) chetoni; 4) alcoli e tioalcoli; 5) eteri; 6) solfuri, solfossidi e solfoni; 7) floruri, cloruri, bromuri e ioduri. Nomenclatura sistematica: 1) sali; 2) acidi carbossilici, solfonici e solfinici; 3) anidridi, esteri, alogenuri acilici e ammidi; 4) nitrili; 5) aldeidi e derivati; 6) chetoni e derivati; 7) alcoli; 8) idroperossidi; 9) ammine e derivati; 10) eteri e tioeteri; 11) perossidi.
TABELLA RIASSUNTIVA DEI GRUPPI PRINCIPALI NOME DELLA FAMIGLIA
GRUPPO FUNZIONALE
FUNZIONE PRIORE
Alogenuri R-X ----Alcoli e fenoli R-OH -olo Eteri R-O-R’ ----Epossidi O=R ----Acidi carb. cat. ap. R-COOH acido -oico Acidi carb. cat. ch. R-COOH acido -carbossilico Alogenuri acilici R-CO-X alogenuri di ... Ammidi cat. ap. R-CO-NH2 -ammide Ammidi cat. ch. R-CO-NH2 -carbossiammide Anidridi R-CO-O-CO-R’ anidride -oica Esteri R-CO-O-R’ -ato di ... Aldeidi R-CHO -ale Chetoni R-CO-R’ -one Immine R-CH=NH -immina Nitrili cat. ap. R-CN -nitrile Nitrili cat. ch. R-CN -carbonitrile Ammine R-NH2 -ammina Azocomposti R-N=N-R’ -azoOssime R-CH=N-OH -ossima Idrazoni R-CH=N-NH2 -idrazone Semicarbazoni R-CH=N-CO-NH2 -semicarbazone Sali di diazonio R-N2+ -diazonio Nitroderivati R-NO2 ----Nitrosoderivati R-NO ----Tioalcoli R-SH -tiolo Tioeteri R-S-R’ ----Disolfuri R-S-S-R’ ----Acidi solfonici R-SO2-OH ac. -solfonico Acidi solfinici R-SO-OH ac. -solfinico Solfossidi R-SO-R’ ----Solfoni R-SO2-R’ -----
FUNZIONE DIPENDENTE
RADICAL FUNZIONE
nome alogenoidrossiossiepossicarbossicarbossialogenoformileamidoamido----(vedi tab. sopra) formileoxoimminocianocianoamino----idrossimminoidrazonosemicarbazono----nitronitrosomercaptotioditiosolfosolfinosolfinilsolfonil-
alogenuro di ... alcol + radicale radicali + etere ------------------------------------radicali + chetone ----cianuro di ... cianuro di ... --------------------------------idrosolfuro di ... solfuro di ... disolfuro di ... --------solfossidi solfoni
ISOMERIA 1. Isomeria strutturale 1.1. Isomeria funzionale p.e. C2H6O =
CH3-O-CH3 etere dimetilico
CH3-CH2-OH alcol etilico
1.2. Isomeria di catena p.e.
(CH3)2CH-CH=O CH3-CH2-CH2-CH=O isobutirraldeide n-butirraldeide 2-metil-propanale butanale es. isomeri del butano = 2, del pentano = 3, del decano = 75. 1.3. Isomeria di posizione p.e.
(CH3)3COH terbutanolo 2-metil-2-propanolo
(CH3)2CH-CH2OH isobutanolo 2-metil-1-propanolo
2. Isomeria geometrica 2.1. Per le olefine.
H
H C
p.e.
CH3
cis-2-butene Z-2-butene
C
H3 C
H
trans-2-butene E-2-butene
H
H C
CH3 C
C
H3 C
HOOC
H
H
COOH C
C COOH
acido maleico acido Z-buten-di-oico
HOOC
C H
acido fumarico acido E-buten-di-oico
2.2. Per i composti ciclici (coinvolge C tetraedrici asimmetrici, è compresa nell’isomeria ottica, vedi sotto)
3. Isomeria ottica Ogniqualvolta si hanno uno o più carboni asimmetrici. Potere ottico rotatorio - condizione necessaria e sufficiente: chiralità. A C B
A D C
D C
C B
enantiomero S enantiomero R (Supponendo la gerarchia A > B > C > D) potere ottico rotatorio opposto Per 2 centri asimmetrici diversi: 4 isomeri ottici: RR SS coppia di enantiomer i r elazioni di diaster eoisomer ia RS coppia di enantiomer i SR Per 2 centri asimmetrici uguali: 3 isomeri RR SS coppia di enantiomer i
RS
H
SR
for ma meso (non chir ale, otticamente inattiva)
C H3 C H3 H
H3C H
H C H3 H
C H3 C H3 H
p.e. cis-1,2-dimetil-ciclopentano una forma meso (esiste un piano di simmetria)
trans-1,2-dimetil-ciclopentano una coppia di enantiomeri (non esiste un piano di simmetria)
R,S-1,2-dimetil-ciclopentano S,R-1,2-dimetil-ciclopentano
S,S-1,2-dimetilciclopentano
R,R-1,2-dimetilciclopentano
Per n centri asimmetrici diversi, ci sono 2n stereoisomeri e 2n-1 coppie di enantiomeri
POLIMERI TATTICI Da un punto di vista strutturale, la polimerizzazione di un monomero olefinico del tipo CH2=CH-Y può dare luogo a tre tipi di macromolecola: ATATTICA I gruppi –Y sono disposti casualmente rispetto al piano dello zig-zag planare.
C
C C
C C
Y
C C
Y
C C
Y
C C
Y
C C
C C
Y Y
C
Y
Y
ISOTATTICA I gruppi –Y sono tutti dalla stessa parte rispetto al piano dello zig-zag planare;
C
C C
C C
Y
C C
Y
C C
Y
C C
Y
C C
Y
C C
Y
C
Y
Y
SINDIOTATTICA I gruppi –Y sono alternativamente disposti rispetto al piano dello zig-zag planare;
C
C C Y
C C
C C
Y Y
C C
C C
Y Y
C C
C C
Y Y
C Y
