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Paolo Arcari » 10.Gruppi Funzionali


Alcoli

Gli alcoli sono composti organici ottenuti per sostituzione di un atomo di idrogeno di un idrocarburo con un gruppo ossidrile -OH. Essi hanno pertanto formula bruta CnH(2n + 1)OH. A temperatura ambiente, gli alcoli a più basso peso molecolare sono liquidi incolori con odori caratteristici e sono miscibili con l’acqua in tutte le proporzioni. 
La miscibilità in acqua degli alcoli, e il loro elevato punto di ebollizione rispetto ad altre molecole organiche di peso molecolare simile, è spiegato dalla loro capacità di formare legami a idrogeno tra l’idrogeno del gruppo -OH e l’ossigeno delle molecole vicine. Gli alcol più semplici sono il metanolo (CH3-OH) e l’etanolo (CH3-CH2-OH). Quest’ultimo si ottiene dalla fermentazione degli zuccheri. Gli alcoli sono classificati in primari, secondari o terziari in base al numero di gruppi alchilici legati all’atomo di carbonio cui è legato il gruppo -OH:

La nomenclatura degli alcoli (IUPAC) segue regole simili a quella degli alcani, in particolare:

  • il nome viene dalla catena idrocarburica principale con la perdita dell’ultima vocale e l’aggiunta del suffisso -olo
  • nel numerare la catena principale, il numero più basso possibile dovrà essere assegnato all’atomo di carbonio cui è legato il gruppo -OH.

 

A) Classificazione degli alcoli. B) primi termini e nomenclatura

A) Classificazione degli alcoli. B) primi termini e nomenclatura

Esempio di nomenclatura degli alcoli, primi termini della serie.

Esempio di nomenclatura degli alcoli, primi termini della serie.


Fenoli

Nei fenoli il gruppo ossidrilico è legato all’anello benzenico, cioè a un radicale fenile (Ar), corrispondente a una formula Ar–OH. Il capostipite è il fenolo (o idrossibenzene o acido fenico) di formula C6H5OH.

Il gruppo funzionale alcolico o fenolico (-OH) può dare reazioni con altri gruppi funzionali dando origine a nuovi composti con proprietà chimico-fisiche diverse rispetto a quelle dei composti di partenza.

I fenoli, rispetto agli alcoli, hanno un carattere acido molto più spiccato in quanto il radicale arilico esalta la polarità del legame idrogeno-ossigeno del gruppo funzionale. Formano quindi forti legami a idrogeno.

Le reazioni più importanti di alcoli e fenoli riguardano la formazione degli eteri e degli esteri.

 

Struttura del fenolo

Struttura del fenolo


Eteri

Gli eteri sono derivati degli alcoli per sostituzione dell’idrogeno del gruppo funzionale alcolico -OH con un radicale alchilico o arilico. Hanno formula generale R-O-R oppure R-O-Ar; sono chimicamente inerti e reagiscono solo in condizioni molto  drastiche.

La nomenclatura degli eteri può essere ottenuta indicando il nome dei due radicali uniti attraverso l’atomo di ossigeno seguiti dal termine etere. Esistono anche eteri ciclici come ad esempio quello più piccolo a tre termini della classe degli epossidi definito ossido di etilene.

Gli eteri sono conposti di odore caratteristico, liquidi incolori che, a causa della impossibilità di formare legami idrogeno intramolecolari, presentano punti di ebolizzione più bassi dei corrispondenti alcoli da cui derivano. Gli eteri a basso peso molecolare sono poco solubili in acqua mentre quelli con più alto peso molecolare sono completamente insolubili.

Struttura di alcuni eteri semplici e misti

Struttura di alcuni eteri semplici e misti


Aldeidi e chetoni I

Il nome delle aldeidi si ottiene cambiando la desinenza finale dell’idrocarburo corrispondente in -ale.

Tali composti sono presenti in natura come costituenti di oli essenziali. Il gruppo carbonilico presenta proprietà polari e tale polarità è responsabile delle proprietà chimiche e fisiche che questi composti posseggono. Le aldeidi e i chetoni a basso peso molecolare sono abbastanza solubili in acqua. La solubilità diminuisce con l’aumentare del peso molecolare in quanto, aumentando la catena carboniosa, aumenta anche la parte idofobica della molecola.

Il gruppo funzionale delle aldeidi e dei chetoni è il gruppo carbonilico. Nelle aldeidi, il carbonio del gruppo carbonilico è legato ad un radicale alchilico o arilico e ad un atomo di idrogeno. Nei chetoni, il carbonio è legato a due radicali sia alchilici che arilici. Il gruppo funzionale carbonile è fornato da un doppio legame covalente tra carbonio ed ossigeno.

La polarizzazione del legame, dovuta alla differente elettronegatività tra carbonio ed ossigeno, porta alla formazione di una parziale carica positiva sul carbonio ed una parziale carica negativa sull’ossigeno rendendo così il gruppo funzionale molto reattivo.

 

Struttura del gruppo carbonilico

Struttura del gruppo carbonilico


Aldeidi e chetoni II

Il nome di un chetone si ottiene analogamente cambiando la desinenza finale dell’idrocarburo in -one. La presenza del gruppo carbonilico nella catena carboniosa è indicata dal numero corrispondente al carbonio a cui è legato l’ossigeno.

La reazione più importante delle aldeidi e dei chetoni è la reazione di addizione. Sono particolarmente importanti le reazioni con gli alcoli e con le ammine che portano alla formazione rispettivamente di semiacetali, semichetali e  basi di Shiff.

Struttura di alcune aldeidi

Struttura di alcune aldeidi

Struttura di alcuni chetoni

Struttura di alcuni chetoni


Acidi carbossilici I

Il gruppo funzionale degli acidi carbossilici è il carbossile. Tale gruppo può essere legato sia ad una catena carboniosa alifatica che ad un idrocarburo aromatico. Il nome di un acido si ottiene cambiando la desinenza finale dell’idrocarburo corrispondente in -oico, preceduto dal termine acido. Nel caso in cui nella molecola siano presenti due o tre gruppi carbossilici la desinenza è -dioico,    -trioico. La posizione di eventuali sostituenti nella catena carboniosa di un acido carbossilico può essere definita oltre che con i numeri anche con le lettere dell’alfabeto greco.

Le proprietà fisiche degli acidi carbossilici dipendono spiccatamente dai legami a idrogeno che si formano tra i gruppi funzionali di molecole associate. Tale legame è più forte di quello che si forma tra molecole di alcoli per cui hanno punti di ebollizione più elevati rispetto agli altri composti organici a funzione semplice.

La solubilità in acqua è completa per gli acidi a basso peso molecolare, inferiore a C4 e diminuisce sensibilmente con l’aumentare della catena carboniosa.

Le proprietà chimiche degli acidi derivano dalla capacità del gruppo funzionale di dissociare un protone.

 

Struttura e formazione di legami a idrogeno negli acidi carbossilici

Struttura e formazione di legami a idrogeno negli acidi carbossilici

Strutture di acidi alifatici mono e bicarbossilici

Strutture di acidi alifatici mono e bicarbossilici


Acidi carbossilici II

Le reazioni più importanti degli acidi carbossilici sono: la formazione di esteri e la formazione delle ammidi.

Gli esteri si formano quando un acido reagisce con un alcol.

Le ammidi si ottengono per reazione con le ammine.

 

Acidi organici con un gruppo funzionale aggiuntivo. Due acidi biologicamente importanti.

Acidi organici con un gruppo funzionale aggiuntivo. Due acidi biologicamente importanti.


Ammine I

Le ammine sono composti azotati a carattere basico e possono considerarsi come derivati dell’ammoniaca NH3 mediante la sostituzione sia parziale che totale degli atomi di idrogeno con radicali alifatici o aromatici. Si ha così la formazione rispettivamente di ammine alifatiche e di ammine aromatiche che a loro volta possono essere primarie, secondarie o terziarie a seconda del numero di atomi di idrogeno sostituiti.

Il nome delle ammine si ottiene dal nome del radicale o dei radicali legati all’atomo di azoto seguito/i dal termine ammina.

Le ammine sono presenti in alcuni vegetali e sono prodotte da alcuni batteri per decarbossilazione di amminoacidi. La presenza di ammine provoca odore sgradevole come ad esempio quello che si nota nel pesce putrefatto dovuto alla formazione di trimetilammina.

 

Formazione delle ammine a partire dall’ammoniaca

Formazione delle ammine a partire dall'ammoniaca

Struttura e nomenclatura di alcune ammine

Struttura e nomenclatura di alcune ammine


Ammine II

Le ammine alifatiche sono liquide o solide in dipendenza del loro peso molecolare. La metilammina è gassosa. La formazione di legami a idrogeno intramolecolari nelle ammine primarie e secondarie, è dovuto alla polarizzazione del legame N-H, più debole di quello dei corrispondenti alcoli e conferisce alle ammine punti di fusione e di ebollizione più bassi. Le ammine aromatiche hanno odore sgradevole e sono poco solubili in acqua. Generalmente, le ammine aromatiche hanno un carattere basico meno spiccato rispetto alle ammine alifatiche.

 Le reazioni più importanti delle ammine sono:

la reazione con acidi organici per formare ammidi e la reazione con aldeidi e chetoni per dare origine alle basi di Shiff.

 

Formazione del legame a idrogeno tra molecole di ammina primaria. In alto a destra è mostrata la polarizzazione del legame N-H (ammina secondaria).

Formazione del legame a idrogeno tra molecole di ammina primaria. In alto a destra è mostrata la polarizzazione del legame N-H (ammina secondaria).


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