Propedeutica biochimica appunti

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Propedeutica biochimica appunti

CORSO DI PROPEDEUTICA BIOCHIMICA

Prof. Arosio

LA CHIMICA DEL CARBONIO

Inizialmente la chimica del carbonio veniva definita organica poiché i composti del carbonio erano principali costituenti della materia vivente:

ora, si sa che anche elementi inorganici possono essere costituiti da carbonio, che si trova abbondante in natura.
Anche parecchi prodotti di sintesi possono essere composti di carbonio

Gli organismi sono costituiti da molecole che sono leggere e formano legami covalenti, quindi i metalli non sono molto rappresentati.

L’idrogeno è uno dei costituenti principali della materia vivente:

è l’elemento più leggero e più piccolo
il suo catione è un semplice protone
ha una altissima mobilità intermolecolare e intramolecolare (determina l’acidità)
ha una elettronegatività molto prossima a quella del carbonio (2,2) con il quale forma legami covalenti.

In natura l’idrogeno è presente sottoforma di una molecola biatomica H2, che è un gas incolore, inodore, ed è il più leggero che esista:

passa facilmente attraverso membrane
fatica ad essere trattenuto dall’atmosfera
è poco solubile in acqua
esiste libero nella stratosfera e nelle stelle

E’ inoltre presente come costituente di molti minerali, idrocarburi, idrossidi e, soprattutto, dell’acqua.

Gli elementi del secondo periodo, invece, sono molto piccoli, possono dunque formare i doppi e tripli legami, che si riscontrano solamente in tre elementi: C, O, N.

Mentre il carbonio esprime la tendenza a formare catene, ossigeno e azoto sono tendenti a fare doppi legami.

L’ossigeno, è un elemento del VI gruppo e del II periodo, con 6 elettroni di valenza e Z=8.

È l’elemento più abbondante sulla terra, forma composti con tutti gli elementi tranne che con i gas inerti.

In natura è presente come molecola bivalente gassosa O2, ma può anche trovarsi come molecola trivalente allotropica: l’ozono O3.

Ha una forte tendenza a fare doppi legami con sé stesso, gli è permessa l’ibridazione degli orbitali.

È una molecola di origine biologica, deriva infatti dalla fotosintesi clorofilliana, che ha lo scopo di unire il carbonio all’idrogeno passando per molecole di anidride carbonica e acqua, liberando O2.

L’ azoto è del V gruppo con 5 elettroni di valenza. Presente in natura come molecola biatomica, che ha una altissima energia di dissociazione.

In natura è presente in molti composti come ammoniaca o come costituente delle ammine.

Gli ossidi di azoto sono composti particolarmente instabili (NO), ed hanno una rilevante importanza biologica.

il carbonio

Il carbonio è un elemento che è al centro della tavola periodica, ha 4 elettroni di valenza su 6 disponibili, con una elettronegatività appena superiore a quella dell’idrogeno (2,5):

forma facilmente legami C–C, ad esempio nelle due forme allotropiche, il diamante e la grafite
può formare 4 legami con ibridazione sp3 o 3 legami con ibridazione sp2.
Nel diamante il carbonio lega sé stesso formando una struttura a tetraedro
Nella grafite invece si dispone ad esagoni planari uniti agli strati sottostanti da attrazioni di Van der Waals

Le catene di carbonio, si distinguono in:

sature: posseggono solamente legami semplici C-C
insature: possiedono almeno un doppio/triplo legame C=C, oppure C≈C.
aromatici: sono composti ciclici e insaturi (simili al benzene)

IDROCARBURI ALIFATICI

Gli idrocarburi sono composti formati solamente da C e H.

In base ai legami tra i loro carboni, si possono distinguere in:

alcani (legami singoli, suff -ano)
alcheni (legame doppio, suff -ene)
Alchini (legame triplo, suff. -ino)

Alcani

Formano una serie omologa di carboni ibridati sp3, i cui termini differiscono per CH2.

La formula generale è CnH2n+2.

Dal C3 in poi si possono avere anche i cicloalcani, che sono catene cicliche di carboni semplici. Si nominano con il nome dell’alcano che li forma preceduto dal prefisso ciclo-.

La nomenclatura degli alcani è data dall’aggiunta del suffisso –ano al prefisso del numero degli atomi di carbonio che li forma:

met-ano
et-ano
pro-pano
but-ano
pent-ano
es-ano
ept-ano
ecc…

Per i gruppi radicali che si vengono a formare si aggiunge il suffisso –ile.

Se vi sono composti ramificati:

si numera la catena più lunga possibile, a partire dall’estremità più vicina alla prima ramificazione
si scrive il nome in un'unica parola
i numeri sono separati da virgole
tra i numeri e la parola si pone un trattino.
Se vi sono due catene contigue di uguale lunghezza si sceglie la più ramificata.
Se vi sono due ramificazioni simmetriche, si numera a partire dalla terza ramificazione più vicina
Se la terza ramificazione non c’è, si comincia da quello che h il sostituente primo in ordine alfabetico.

Proprietà fisiche.

Gli alcani sono composti estremamente apolari, quindi sono insolubili in acqua, ma solubili in composti apolari.

L’interazione tra le molecole è data dalla forza di Van der Waals, che aumenta all’aumentare della catena:

anche il punto di ebollizione aumenta all’aumentare della catena.
Da c1 a C4 sono gassosi, poi liquidi.
Gli isomeri ramificati hanno punti di ebollizione più bassi, a causa dell’alto ingombro sterico.

Conformazioni

Il legame sigma del C-C rende possibile la rotazione degli atomi di carbonio, dando luogo a stereoisomeri, ovvero che differiscono solamente per la disposizione spaziale degli atomi, la conformazione.

Alcheni

Sono catene carboniose che presentano rispettivamente un doppio legame tra atomi di carbonio della catena, con relativa ibridazione sp2.

La nomenclatura avviene inserendo un suffisso –ene e altri accorgimenti quali:

si sceglie per numerare la catena più lunga contenente il doppio legame e si anepone il numero del primo atomo che riceve il legame
se il legame multiplo è equidistante dalle due estremità della catena, si inizia a numerare da dove inizia la prima ramificazione
il numero che si indica è quello del carbonio con numero più basso
se i legami multipli sono più di uno, la numerazione inizia da quello più vicino all‘estremità/punto di ramificazione

Se si presenta più di un doppio legame, si chiamano polieni (se 2 doppi dieni, se tre trieni, ecc…). In virtù della posizione dei doppi legami reciprocamente, sono possibili differenti configurazioni.

Nei dieni coniugati, ovvero nei dieni che hanno i doppi legami a distanza di un legame singolo, è possibile riscontrare la delocalizzazione della carica degli elettroni p.

La presenza del doppio legame non permette rotazioni, quindi non permette la presenza di isomeri conformazionali come avviene negli alcani.

Isomeri di posizione

Gli isomeri di posizione (del doppio legame) possono formarsi a partire dal butene, ottenendo due isomeri di posizione: 1-butene, 2-butene.

Isomeri di catena

Un isomero di catena del butene invece è il metilpropene, che presenta 4 atomi di C, ma si trova, a differenza del butene, ramificato, con un gruppo metile legato al C-2.

Isomeria cis-trans.

In corrispondenza del doppio legame, possono esservi due differenti posizioni relative degli altri gruppi legati ai C=C:

sei i due gruppi si trovano nella stessa posizione rispetto al piano del doppio legame si chiamano cis.
Se i due gruppi sono da parti opposte rispetto al piano del doppio legame si dicono isomeri trans.

Questi due isomeri non sono interconvertibili tra loro:

per la conversione è necessaria la rottura del doppio legame ed un ingente dispendio energetico
in questo caso si tratta di stereoisomeria configurazionale, ovvero la stereoisomeria di tutti gli stereoisomeri che non possono essere interconvertiti in altri per semplice rotazione su un legame

stabilità degli alcheni

la stabilità degli alcheni è influenzata prioritariamente da:

grado di sostituzione (tetra, tri, di, mono alchilati)
trans è più stabile di cis, poiché l’ingombro sterico è minore
gli alcheni coniugati sono più stabili degli alcheni isolati

proprietà fisiche

Il punto di ebollizione è un po’ più basso rispetto agli alcani, la densità è un po’ più alta.

Gli isomeri cis hanno un piccolo momento dipolare.

Il doppio legame assorbe radiazioni:

ultravioletta
infrarossa

reattività degli alcheni (C=C)

Il legame p è ad alta densità di elettroni, ma trattenuti debolmente:

gli elettrofili sono attratti dal legame p e causano la rottura del doppio legame.
Si ha la formazione di un carbocatione intermedio di reazione
Un nucleofilo si addiziona al carbocatione

Generalmente gli alcheni danno reazioni di addizione elettrofila che converte il legame p in due nuovi legami sigma.

Per addizione elettrofila si possono legare:

acidi alogenidrici (idracidi)
altri acidi (nucleofili)

Gli step della reazione di HCl ad un alchene:

la parziale carica positiva di H (nucleofilo) si porta verso la parziale carica negativa di C=C
rompe il doppio legame e si lega ad uno dei carboni, con la formazione di un carbocatione
A questo punto il carbocatione lega Cl-
si ha la formazione di un alcano monosostituito, ed il C si ibrida sp3.

Regola di Markovnikov

Quando si ha la addizione di reagenti asimmetrici ad alcheni simmetrici, la parte elettropositiva del reagente si lega al carbonio con il numero maggiore di atomi di idrogeno.

Se si premette che un carbocatione terziario è più stabile di un carbocatione secondario, che sua volta è più stabile di uno primario, si può enunciare con un’altra forma la regola di Markovnikov:

“in una addizione eletrofila ad un alchene, l’elettrofilo si addiziona in modo da formare il carbocatione più stabile”
per ciò, l’H si lega al C con maggior numero di idrogeni, in modo da lasciare la carica positiva sul C terziario o secondario, quindi più stabile.

I carbocationi, a loro volta, sono fortemente elettrofili e reagiscono con i nucleofili.

Idratazione

L’idratazione (aggiunta di una molecola d’acqua) degli alcheni necessita di essere catalizzata in ambiente acido forte in modo da:

avere ioni idronio che siano fortemente elettropositivi (elettrofili)
avere basi coniugate scarsamente reattive, che non si leghino al posto di OH-.

Con l’idratazione degli alcheni si ha la formazione di un alcol.

Polimerizzazione

È una reazione in cui un alchene (monomero) si addiziona ad una molecola simile per formare dei polimeri, ovvero una catena.

La reazione può avvenire in tre modalità:

cationica, con un carbocatione intermedio
radicalica
anionica, con un carboanione intermedio (molto rara)

La addizione cationica di una catena segue la regola di Markovnikov

idrogenazione

è una reazione per cui H2 si addiziona ad un alchene, per la formazione di un alcano.

Solitamente è necessaria la presenza di una catalizzatore metallico (Pt, Pd, Ni, ecc…).

Alogenazione

Capita che Cl2 o Br2 o più raramente I2 si addizionino ad un doppio legame formando dialogenuri vicinali.

La reazione è anti, stereospecifica.

alchini

Sono composti del carbonio in cui due carboni contigui sono ibridati sp, formando un triplo legame.

La nomenclatura segue le medesime regole degli alcheni, ovvero si numera il carbonio più vicino al triplo legame con la catena più lunga.

La desinenza specifica è –ino.

La presenza del triplo legame esclude l’esistenza di isomeri conformazionali.

Le reazioni a cui può andare incontro un alchino sono:

protonazione
alogenazione
addizione elettrofila con formazione di un carbocatione

idrocarburi ciclici

Sono composti formati dalla chiusura della catena degli alcani:

il più piccolo è il ciclopropano
i più stabili e presenti in natura sono il ciclopentano e il cicloesano.

La nomenclatura segue le regole già enunciate.

Si numera la catena carbonica a partire dal sostitente di un H, in modo che anche gli altri abbiano i numeri più bassi.

Stabilità.

Gli angoli di 60° e di 88° del ciclopropano e del ciclobutano portano una grande tensione angolare, quindi i comopsti ciclici con 3 e 4 atomi di C sono abbbastanza instabili.

Il ciclopentano, invece, ha una struttura con angoli di 105°, che si avvicinano ai 109,5° del cicloesano e dell’ibridazione sp3 a conformazione tetraedrica:

ciclopentano e cicloesano sono molecole più stabili

stereoisomeria del cicloesano.

Gli atomi del cicloesano non sono posti sullo stesso piano:

sono posti su due piani paralleli nella conformazione più stabile
il medesimo piano significherebbe la necessità di ibridazione sp2.
Gli atomi di idrogeno sono sempre uno sopra e l’altro sotto

Questa conformazione in cui il cicloesano è più stabile e prende il nome di conformazione a sedia:

assiali: i legami C-H ortogonali al piano della molecola
equatoriali: legame C-H paralleli al piano della molecola.
nella conformazione a sedia tutti i metili sono in conformazione stellata

Ruotando due legami C-C opposti nella molecola si può ottenere la conformazione a barca: questa ha legami compatibili con l’ibridazione sp3, ma ha una più alta energia potenziale rispetto alla sedia. Dovuto a:

gruppi metilenici sono in conformazione eclissata
si ha repulsione sterica tra atomi di carbonio che porgono sopra il piano.

Il cicloesano assume con più probabilità una delle due conformazioni a sedia.

Se si hanno sostituenti di atomi di H (es. metilcicloesano), questi si trovano preferenzialmente in posizione equatoriale:

la posizione assiale comporta una repulsione con gli idrogeni equiplanari.

IDROCARBURI AROMATICI

Sono strutture che si trovano in molti composti che possiedono aromi particolari.

Sono costituiti da anelli in cui doppi legami si alternano a legami semplici.

Sebbene siano composti insaturi hanno un comportamento sensibilmente differente dagli alcheni.

La struttura è planare e presenta una densità elettronica sopra e sotto la molecola.

Il principale rappresentante di questa classe è il benzene.

Nel benzene, i sei atomi di carbonio sono tutti ibridati sp2:

due orbitali ibridi si legano ai carboni vicini con angoli di 120°
l’altro orbitale ibrido si lega ad un atomo di idrogeno
l’orbitale p non ibrido è perpendicolare al piano della molecola e forma i doppi legami.

I legami, tuttavia, risultano tutti di una lunghezza intermedia tra un doppio legame e uno singolo:

si ha un modello con elettroni delocalizzati su tutta la nube elettronica parallela al piano della molecola
Il benzene (e i composti aromatici) non danno reazioni di addizione elettrofila, essendo molecole altamente stabili.

Nomenclatura.

La nomenclatura dei composti del benzene è relativamente semplice:

se al benzene è legato un solo composto, si fa precedere alla parola benzene il nome del composto
Quando sono presenti più sostituenti si specificano le posizioni relative dei sostituenti, numerando la catena.
Se sono presenti sostituenti identici si utilizza il prefisso orto per i sostituenti 1,2; meta- per i sostituenti 1,3; para- per i sostituenti 1,4.

Effetti dei sostituenti sulla delocalizzazione degli elettroni nel benzene.

Se al benzene è legato un gruppo alchilico, ad esempio il metile, per il suo carattere elettron-donatore, la carica dell’anello non è più perfettamente distribuita tra gli elettroni π:

la carica degli elettroni distribuiti nell’anello è maggiore rispetto a quella dei singoli 6 elettroni π.
La maggior disponibilità di elettroni nell’anello aromatico è riscontrabile nelle posizioni orto e para.

Altri gruppi funzionali, oltre agli alchilici possono creare una differente distribuzione di carica:

gruppo amminico (–NH2): Il doppietto libero dell’azoto si delocalizza nell’anello benzenico alterando la densità elettronica. Si ha la formazione di un doppio legame al C1 con il gruppo amminico e la rottura di un doppio legame nell’anello on la delocalizzazione di una carica negativa in posizione orto o para (2,4,6). Il gruppo amminico possiede una carica positiva
il gruppo ossidrilico: Si composta esattamente come il gruppo amminico. Forma un doppio legame con il c1, possiede una carica positiva e cede n elettrone all’anello che si posiziona in –orto e –para.

I gruppi sostituenti che sono forti elettron-attrattori, come ad esempio il gruppo nitro (–NO2), privano l’anello di un elettrone, soprattutto in posizione orto e para.

La differente posizione delle cariche localizzate sull’anello comporta un attacco da parte di elettrofili solamente in posizioni preferenziali.

Areni

Quando il benzene si comporta da sostituente forma dei composti che vengono definiti areni.

Importanti sono i due gruppi:

fenolo: è C6H5–
benzile: C6H5–CH2–

Gli areni si indicano con il nome del sostituente seguito dal nome del composto a cui si lega. Ad esempio:

2-fenilpentano
benzile-cloruro

reazioni

La principale reazione che avviene nei composti aromatici è la sostituzione elettrofila di un atomo di H con un gruppo sostituente:

l’elettrofilo si lega agli elettroni π
in seguito viene staccato l’atomo di H

I principali sostituenti possono essere:

alchilici
solfati
nitrati
alogeni

attivanti e disattivanti

orto- meta- para- orientanti

I gruppi che possiedono doppietti elettronici liberi sono gruppi orto para orientanti.

I gruppi che hanno un atomo legato all’anello parzialmente positivo sono meta orientanti.

ALCOLI E FENOLI

Sono composti del carbonio che si possono formalmente considerare derivanti dagli idrocarburi per sostituzione di un idrogeno con un gruppo ossidrile (–OH).

I tioli, invece sono idrocarburi in cui il sostituente è –SH.

I derivati dei composti aromatici sono chiamati fenoli e tiofenoli.

La presenza di un gruppo fortemente elettronegativo, come l’–OH rende questi composti polari, quindi solubili in acqua:

hanno una alta temperatura di ebollizione
che scende con l’aumentare della catena.
Formano legami idrogeno tra loro

Nomenclatura

La desinenza caratteristica che si aggiunge al nome dell’idrocarburo è –olo:

dal propanolo è necessario indicare anche il numero del carbonio in cui è presente l’ossidrile
Se sono presenti più gruppi alcolici si indica il numero del carbonio sostituito e la desinenza prende i numeri greci, esempio –diolo, -triolo, ecc..

Acidità degli alcoli.

Sono acidi molto deboli, a causa della polarizzazione del legame O-H che porta una carica parzialmente positiva sull’idrogeno:

se nella molecola sono presenti atomi elettron-attrattori (F o altri) la costante di dissociazione si alza a causa della maggior delocalizzazione della carica e della polarizzazione del legame.
I fenoli sono generalmente più acidi degli alcoli, essendo la carica negativa maggiormente delocalizzata nell’anello aromatico
Gli alcoli non reagiscono con basi forti, mentre i fenoli sì.

Reazioni

sostituzione elettrofila: in reazioni catalizzate da acidi il gruppo ossidrilico può essere sostituito da un alogeno, con meccanismo Sn2. (viene protonato l’ossidrile, la parziale carica positiva della molecola d’acqua che si forma attrae il nucleofilo che espelle la molecola d’acqua attaccando l’orbitale p non ibrido dalla parte opposta)
eliminazione: avviene con catalisi di acidi forti (acido solforico) e ad alte temperature, altrimenti si ha solamente sostituzione

Per eliminazione si può convertire un alcole in un alcheni, per l’eliminazione di una molecola d’acqua:

la cinetica è di primo ordine (E1) quando si ha la formazione di un carbocatione intermedio, nello specifico quando si ha un carbonio terziario
la cinetica è invece E2 se, allo ione ossonio che si forma per scissione dell’ossidrile, si cede anche un H del carbonio alfa (quello attiguo all’ossidrile)

condensazione: si ha la formazione di un etere se la reazione con acido solforico è condotta a temperature più basse.

In ambiente acido si forma una molecola d’acqua sull’ossidrile, che si scinde quando un altro alcol si lega al carbonio, formando un’etere protonato. Per successiva deprotonazione si ha un’etere.

Esterificazione: se reagiscono con acidi carbossilici si ha la formazione di esteri

ETERI E TIOETERI

Un etere è il prodotto di condensazione di due molecole di alcol. È un atomo di ossigeno che lega due gruppi carboniosi.

La IUPAC denomina questi composto con il termine ossi in mezzo al nome dei due gruppi legati.

I Tioeteri sono molecole in cui nella catena è presente un atomo di zolfo:

si nominano come se fossero sali del solfuro di idrogeno.

ALDEIDI E CHETONI

Le aldeidi e i chetoni sono composti che contengono il gruppo carbonilico C=O.

Nelle aldeidi:

al carbonio ibridato sp2 che forma legami sigma si legano un H, una catena alifatica R e l’ossigeno
il suffisso che si fa seguire alla catena alifatica satura è –ale.

Nei chetoni:

al carbonio ibridato sp2 si legano, oltre all’ossigeno, due catene alifatiche.
Il suffiso che si fa seguire alla catena che lo contiene è –one, e si prepone il numero del carbonio a cui il gruppo appartiene.

Il benzene con un gruppo aldeidico sostituito si chiama metanoilbenzene, con un gruppo metil-chetonico si chiama etanoilbenzene.

Il gruppo carbonilico e le sue proprietà.

La grande differenza di elettronegatività tra il carbonio e l’ossigeno comporta una forte polarizzazione del legame C=O, sia il π che il sigma:

l’atomo di carbonio del gruppo funzionale ha una parziale carica positiva, e l’ossigeno una parziale carica negativa.
Può essere descritto con la risonanza tra il doppio legame e il legame singolo con l’intero doppietta sull’O.

Nelle reazioni di aldeidi e chetoni, l’atomo di carbonio del gruppo funzionale si comporta sempre come un acido di lewis (elettrofilo), subendo l’attacco di nucleofilo.

L’ossigeno, al contrario, subisce l’attacco di elettrofili, comportandosi dunque come base di Lewis.

Possono andare incontro ad addizione nucleofilo, con ibridazione sp3 del C del gruppo e rottura del doppio legame.

Le aldeidi sono più reattive dei chetoni perché:

minor ingombro sterico
i sostituenti alchilici sono elettron donatori e diminuiscono la parziale carica positiva sul C.

I relativi punti di ebollizione crescono con l’aumentare del peso molecolare (non possono formare legami idrogeno poiché gli manca l’idrogeno donatore, possono solamente riceverli).

Reazioni dei composti carbonilici con l’acqua

Aldeidi e chetoni possono addizionare acqua per dare gem-dioli:

uno ione OH- attacca il gruppo carbonilico con attacco nucleofilo
a questo punto l’acqua cede un protone all’ossigeno negativo del gruppo carbonile

La reazione può avvenire anche in un ambiente acido:

un protone si lega all’ossigeno del gruppo carbonile
si spezza il doppio legame per compensare la carica positiva sull’ossigeno
si crea un carbocatione a cui viene unita una molecola d’acqua
la molecola d’acqua cede un protone
si forma un diolo.

Reazioni con gli alcoli con formazione di acefali e semiacetali

La reazione è formalmente identica a quella dell’addizione dell’acqua in un ambiente catalizzato da acidi:

un protone si lega all’ossigeno del gruppo carbonilico, destabilizzando il doppio legame
la parziale carica positiva sul carbonio del gruppo carbonile induce l’ossigeno dell’alcole a legarsi, dando origine ad uno ione positivo e alla rottura del doppio legame
successivamente, il protone sull’alcol se ne va e si ha la formazione di un emiacetale.

Dall’emiacetale si ha molto velocemente la formazione di un acetale:

un protone si lega al gruppo alcolico formando una molecola d’acqua
la molecola d’acqua (carica positivamente) viene espulsa con la formazione di un carbocatione intermedio
un’alcol si lega con l’ossigeno alcolico al C+ del carbocatione
viene espulso il protone del gruppo alcolico neolegato
si forma un acetale.

Questo intero processo è reversibile:

in ambiente con acidi minerali si forma l’acetale
in ambiente acquoso-acido, una mole di acetale si idrolizza completamente, formando un chetone o una aldeide e due molecole di alcol.

Questa reazione, se non catalizzata, avviene solamente per i composti che diventano ciclici, ad esempio i monosaccaridi naturali.

Reazione dei composti carbossilici con le ammine.

Le ammine primarie reagiscono con i chetoni per formare:

aldimmine
chetimmine

La reazione di un’ammina con un aldeide o un chetone è una reazione di attacco nucleofilo:

il lone pairs dell’azoto attacca il carbonio carbonile (carico positivamente in maniera parziale a causa della presenza dell’ossigeno ce polarizza il legame)
si scinde eteroliticamente il legame π rendendo disponibile un orbitale p
un protone si lega all’ossigeno (carico negativamente) partendo dall’azoto
successivamente anche l’altro protone dell’azoto si lega all’ossigeno formando un intermedio di reazione in cui l’ossigeno è carico positivamente e l’azoto possiede due lone pairs (carico negativamente)
con l’eliminazione della molecola d’acqua sull’ossigeno dell’ex-carbonile si forma il prodotto di reazione
un doppietto dell’azoto forma un doppio legame con il carbonio e si ha la formazione di una immina.

Anche le ammine secondarie possono reagire con i chetoni o le aldeidi, ma la formazione di una immina non è possibile poiché è solamente uno l’idrogeno disponibile:

il secondo idrogeno è dato dal carbonio alfa
dopo la formazione della molecola d’acqua che viene espulsa si forma un doppio legame sul carbonio alfa e il carbonio carbonilico.

Reazioni con i cianuri

Gli aldeidi o i chetoni (i carbonilici) si legano al gruppo cianidrico con la formazione di una cianidrina:

il meccanismo di reazione è di adizione nucleofila
il carbonio passa dall’ibridazione sp2 a ibridazione sp3

tautomeria cheto-enolica.

In ambiente fortemente basico, nelle aldeidi e nei chetoni si può dissociare un H+ del carbonio vicino (alfa), poiché:

l’ossigeno esercita un effetto eletro-attrattore
si crea una parziale carica sul C del gruppo, anche perché il carbonio alfa attrae elettroni dai protoni a cui è legato
si può avere il distacco di un protone.

Si crea un effetto di risonanza tra:

forma chetonica
forma enolica.

Reazione di condensazione aldolica.

In ambiente acquoso basico le aldeidi hanno idrogeni mobili sul carbonio alfa:

possono dare luogo ad una reazione in cui si condensano due molecole per addizione nucleofila.
La funzione della base è soltanto catalitica.

Anche nei chetoni si può avere una condensazione:

è maggiormente spontanea nelle aldeidi
l’energia dei legami del gruppo carbonilico è maggiore nei chetoni che nelle aldeidi
il ∆H nei chetoni è leggermente positivo, mentre nelle aldeidi la reazione è esotermica.

Ossidazione di aldeidi e chetoni.

In presenza di catalizzatori metallici l’ossigeno del gruppo carbonilico si ossida a dare alcoli primari (dalle aldeidi) e alcoli secondari (dai chetoni).

Un altro metodo di conversione dei composti carbonilici ad alcoli adotta gli idruri metallici come agenti riducenti:

saggio di Tollens: con sali di argento in ambiente basico si converte l’aldeide (e non il chetone) in acido carbossilico
saggio di Fehling: fa la medesima reazione del saggio di Tollens utilizzando sali rameici in ambiente molto basico.

ACIDI CARBOSSILICI
REAZIONI

Reazione	Catalizzatori	Intermedio di reazione	Specie coinvolte	prodotti
combustione	-		Idrocarburi generici	CO2 acqua
Sostituzione radicalica	-	Radicale	alcani	Alcano sostituito (plurisostituito)
Addizione elettrofila	-	carbocatione	Idrocarburi insaturi (per rottura del doppio legame)	Alcani, cicloalcani, alcoli
Sostituzione elettrofila	Acidi di lewis	carbocatione	aromatici	Aromatici sostituiti o fenoli

Gli alogeno-derivati, se derivati da composti alifatici danno reazioni caratteristiche di:

sostituzione nucleofila (Sn2, Sn1)
eliminazione (E1; E2)

La reazione di sostituzione nucleofila Sn2 avviene in presenza di una base forte:

un alogeno-derivato si trasforma in un alcole
reazione che comporta due stadi
lo stadio lento è rappresentato dall’attacco nucleofilo del gruppo ossidrilico (sul carbonio legato all’alogeno vi è una parziale carica positiva, dovuta alla elettronegatività dell’alogeno)
lo stadio veloce dalla scissione dell’atomo di alogeno

La reazione sn2 procede come segue:

Di contro, la reazione nucleofila sn1 avviene quando con una base forte reagisce un alogeno-derivato terziario, presentando caratteristiche differenti:

la cinetica è di primo ordine
non dipende dalla concentrazione della base
il carbonio non cambia la propria configurazione chirale.

L’attacco del nucleofilo dalla parte opposta a quella dell’alogeno non è permessa a causa dell’ingombro strerico dei radicali legati al carbonio:

nella prima fase si ha il distacco dell’alogenuro e la formazione di un carbocatione
nella seconda fase si ha l’attacco nucleofilo dell’orbitale p non ibridato che si è formato dopo il distacco dell’alogenuro.

Sempre in presenza di una base forte si hanno le reazioni di eliminazione.

L’eliminazione E2 avviene quando si ha un alcano-sostituito primario:

si stacca insieme all’alogeno anche l’H nella posizione vicina al sostituente (carbonio alfa)
si formano due orbitali non ibridi p, che si sovrappongono e formano un doppio legame

L’eliminazione E2 è una cinetica del secondo ordine, poiché dipende:

sia dalla concentrazione del nucleofilo
sia dalla concentrazione dell’alogeno-derivato

La reazione e2 avviene con il seguente schema:

Quando si è in presenza di un carbonio terziario si ha una differente reazione di eliminazione, la E1:

si distacca l’alogeno e si forma un carbocatione
viene successivamente perso un protone (H+) del carbonio alfa per dare la possibilità a due orbitali p di formare un doppio legame.

La reazione di eliminazione di un alogeno E1 e la formazione di un alchene è così schematizzata

Se gli alogeno-derivati derivano da composti aromatici, allora la reazione specifica è di sostituzione elettrofila.

A meno della specifica presenza di gruppi attivanti l’anello che esplicano la funzione di eletron-donatori, gli alogeni sono elettron-attrattori a causa della forte elettronegatività:

la nuvola di elettroni π dell’anello è parzialmente carente di carica
un composto aromatico che ha un sostituente alogeno rende la molecola meno reattiva nei confronti di sostituenti elettrofila
un composto aromatico con un alogeno subisce attacchi elettrofila solamente in orto e in para.

ISOMERIA

L’isomeria è una proprietà di determinati composti che hanno la stessa formula molecolare ma una differente struttura (concatenazione degli atomi) o una differente configurazione o conformazione degli atomi nello spazio.

Nonostante gli stessi atomi abbiano uguale peso molecolare possono avere diverse caratteristiche chimico-fisiche.

L’isomeria si distingue in due tipi:

costituzionale: isomeri costituzionali hanno uguale formula molecolare ma diversa struttura, differiscono ovvero per l’ordine con cui sono legati gli atomi
stereoisomeria: hanno la stessa costituzione ma differiscono per come gli atomi sono posizionati nello spazio

isomeri costituzionali

Sono isomeri che differiscono per il modo con cui gli atomi si legano tra loro. Possono essere di tre tipi:

di catena: gli isomeri di catena differiscono per la disposizione degli atomi nella catena
di posizione: isomeri di posizione differiscono per l posizione di un sostituente
di funzione: possono avere la stessa formula molecolare, ma differenti gruppi funzionali.

Le isomerie costituzionali (di posizione, di catena, di funzione) presentano caratteristiche fisiche e chimiche molto differenti

Stereoisomeria

La stereoisomeria si verifica tra molecole che hanno medesima formula di struttura ma differiscono per la conformazione o per la configurazione spaziale degli atomi.

Possono esservi stereoisomerie di due tipi:

conformazionali: sono isomeri che hanno gli stessi legami nello stesso ordine, ma differiscono per la disposizione spaziale degli atomi. Possono essere interconvertibili per semplice rotazione intorno ad un legame.
Configurazionali: sono isomeri che differiscono per configurazione spaziale, ma non possono essere interconvertibili per semplice rotazione. È necessaria la rottura e ricostruzione di un legame.

Gli isomeri conformazionali sono atomi che possono essere resi uguali per semplice rotazione intorno ad un legame semplice di tipo sigma:

è il caso del cicloesano che può passare da una conformazione a sedia all’altra per semplice rotazione dei legami
è il caso dell’etano, che può ruotare tra le due forme limite sfalsata e eclissata.

Gli configurazionali, invece, sono atomi che non possono essere convertiti l’uno nell’altro se non per rottura e ricostruzione di un legame, quindi con un apprezzabile dispendio energetico.

Poiché sono molecole molto differenti tra loro, due stereoisomeri configurazionali sono separabili fisicamente.

Negli stereoisomeri configurazionali, si distinguono due categorie:

enantiomeri: godono della presenza di un atomo chirale, ovvero sono immagini speculari sovrapponibili.
Diastereomeri: non presentano centri chirali, non sono immagini speculari.

Enantiomeri

Due enantiomeri (molecole chirali) presentano identiche proprietà chimiche e fisiche. Tranne quella di poter ruotare il piano della luce polarizzata in maniera differente.

Si definisce potere rotatorio specifico l’angolo che viene segnato da una cella di lunghezza 1 dm contenente una soluzione a concentrazione 1 g/ml di strereoisomero. La legge è:

I diastereoisomeri sono le molecole che possiedono più di un centro chirale e non possono essere raffrontate specularmene.

Convenzione di Fischer.

È una convenzione ancora utilizzata per distinguere alcuni composti organici:

si basa sulla stereoisomeria della gliceraldeide
attribuisce le lettere D o L a seconda della posizione del gruppo ossidrile legato al carbonio asimmetrico più distante dal carbonio con maggior numero di ossidazione.

Nel caso dei carboidrati, il carbonio più distante dal gruppo aldeidico (solitamente il penultimo della catena), si assegna:

L, se l’ossidrile è posto a sinistra
D se l’ossidrile è posto a destra

Fonte: http://www.bluejayway.it/Enrico_Colombos_Page/Medicina_files/CORSO%20DI%20PROPEDEUTICA%20BIOCHIMICA.doc

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