Isomeri di struttura: composti che presentano la stessa formula molecolare ma diverso ordine di connessione fra gli atomi.
Stereoisomeri: isomeri i cui atomi sono collegati nello stesso ordine, ma presentano diversa disposizione spaziale. Si dividono in:
Isomeri conformazionali: diverse conformazioni dello stesso composto in equilibrio tra loro grazie alla veloce convertibilità (rotazione intorno ad un legame singolo). Non possono essere separati l’uno dall’altro
Isomeri configurazionali: sono degli stereoisomeri che, pur mantenendo la medesima connettività (i collegamenti tra i singoli atomi rimangono i medesimi), possono essere trasformati l’uno nell’altro solo rompendo legami chimici. Sono composti diversi e possono essere separati l’uno dall’altro. Gli isomeri configurazionali si dividono in:
Isomeri geometrici (isomeri cis-trans): composti che non presentano libera rotazione attorno al legame tra i due atomi di carbonio, ognuno dei quali è legato a due gruppi diversi
Isomeri ottici: composti in cui sono presenti degli elementi stereogenici, cioè elementi a causa dei quali la molecola ammette due isomeri che sono uno la forma speculare non sovrapponibile dell’altro.
ISOMERI GEOMETRICI
Pochè la rotazione attorno ai legami di un composto ciclico è impedita, i composti ciclici disostituiti possono presentare gli isomeri cis-trans.
L’isomero cis ha due sostituenti dallo stesso lato dell’anello; l’isomero trans ha i sostituenti su lati opposti.
Se in un cicloesano disostituito un conformero a sedia ha entrambi i gruppi in posizione equatoriale e l’altro entrambi i gruppi in posizione assiale, il conformero più stabile è quello con entrambi i gruppi in posizione equatoriale
Se in un cicloesano disostituito i due conformeri a sedia hanno entrambi un gruppo in posizione equatoriale e l’altro in posizione assiale, il conformero più stabile è quello con il gruppo più ingombrante in posizione equatoriale
Le quantità relative dei due conformeri a sedia dipendono dai sostituenti.
Un sostituente con dimensioni più grandi avrà una preferenza maggiore per la posizione equatoriale poiché avrà interazioni 1,3-diassiali più forti con gli idrogeni 1,3-diassiali.
Disegna il seguente cicloesano in conformazione a sedia.
Stabilisci quale conformero ha più bassa energia; discuti delle interazioni steriche tra i gruppi presenti anche rappresentando i due conformeri mediante proiezioni di Newman.
Poiché la rotazione intorno ad un doppio legame è impedita, un alchene può presentare gli isomeri cis-trans.
L’isomero cis ha gli idrogeni sullo stesso lato del doppio legame; l’isomero trans ha gli idrogeni su lati opposti del doppio legame.
Le lettere Z ed E indicano la configurazione di un doppio legame
L’isomero Zha i sostituenti ad alta priorità (regole CIP) sullo stesso lato del doppio legame; l’isomero Eha i sostituenti ad alta priorità sui lati opposti del doppio legame.
Isomeri di struttura: composti che presentano la stessa formula molecolare ma diverso ordine di connessione fra gli atomi.
Stereoisomeri: isomeri i cui atomi sono collegati nello stesso ordine, ma presentano diversa disposizione spaziale. Si dividono in:
Isomeri conformazionali: diverse conformazioni dello stesso composto in equilibrio tra loro grazie alla veloce convertibilità (rotazione intorno ad un legame singolo). Non possono essere separati l’uno dall’altro
Isomeri configurazionali: sono degli stereoisomeri che, pur mantenendo la medesima connettività (i collegamenti tra i singoli atomi rimangono i medesimi), possono essere trasformati l’uno nell’altro solo rompendo legami chimici. Sono composti diversi e possono essere separati l’uno dall’altro. Gli isomeri configurazionali si dividono in:
Isomeri geometrici (isomeri cis-trans): composti che non presentano libera rotazione attorno al legame tra i due atomi di carbonio, ognuno dei quali è legato a due gruppi diversi
Isomeri ottici: composti in cui sono presenti degli elementi stereogenici, cioè elementi a causa dei quali la molecola ammette due isomeri che sono uno la forma speculare non sovrapponibile dell’altro.
ISOMERI CONFORMAZIONALI:
Le proiezioni di Newman sono uno strumento molto utile in chimica organica per rappresentare la conformazione di molecole attorno a un legame singolo, visualizzando come gli atomi sono orientati nello spazio rispetto a quel legame. Vediamo come costruire una proiezione di Newman passo per passo.
Il legame C-C
Immagina una molecola di etano (C₂H₆), che ha un legame singolo tra due atomi di carbonio (C-C). In una proiezione di Newman, osserviamo la molecola guardando lungo l’asse di un legame carbonio-carbonio.
atomo di carbonio frontale: L’atomo di carbonio più vicino a te.
atomo di carbonio posteriore: L’atomo di carbonio più lontano da te.
Ogni atomo di carbonio ha tre legami con gruppi sostituenti (come atomi di idrogeno o gruppi alchilici) disposti in modo tetraedrico.
Immagina la vista dal davanti
Nella proiezione di Newman, guardi il legame C-C come se tu fossi posizionato lungo la linea del legame, con il primo carbonio (C1) direttamente davanti a te e il secondo carbonio (C2) nascosto dietro di esso.
Il carbonio frontale (C1) viene rappresentato da un punto.
Il carbonio posteriore (C2) viene rappresentato da un cerchio.
Ogni molecola può essere rappresentata da più proiezioni di Newman. Infatti, possiamo guardare la molecola mettendoci di fronte al carbonio rosso che diventa così il carbonio frontale mentre il carbonio blu quello posterione:
Disegna la proiezione di Newman dell’1-bromo-2-cloroetano
Passo 1: Il carbonio frontale
– Disegna un punto al centro del foglio, che rappresenta l’atomo di carbonio più vicino (C1).
– Da questo punto, disegna tre linee che si irradiano in direzioni diverse (idealmente a 120° l’una dall’altra). Queste linee rappresentano i legami tra il carbonio frontale e i suoi tre sostituenti
– Aggiungi i sostituenti: il bromo rivolto verso l’alto e i due idrogeni verso il basso.
Passo 2: Il carbonio posteriore
– Ora disegna un cerchio attorno al punto centrale, che rappresenta il secondo atomo di carbonio (C2), dietro al primo.
– Dal cerchio esterno, disegna altre tre linee (anch’esse distanziate di 120°) che indicano i legami tra il carbonio posteriore e i suoi tre sostituenti. Queste linee dovrebbero apparire dietro le linee disegnate per il carbonio frontale.
– Aggiungi i sostituenti: il bromo rivolto verso l’alto e i due idrogeni verso il basso.
.
Rappresentare le diverse conformazioni
Le proiezioni di Newman sono utili per visualizzare le conformazioni della molecola. Due conformazioni comuni sono:
Conformazione eclissata: I sostituenti del carbonio frontale e posteriore sono allineati, ovvero si sovrappongono l’uno all’altro. Questo crea una configurazione meno stabile a causa della repulsione sterica tra i sostituenti.
Conformazione sfalsata: I sostituenti del carbonio posteriore sono sfalsati rispetto a quelli del carbonio frontale, cioè distanti il più possibile. Questa è la conformazione più stabile perché minimizza la repulsione tra i gruppi.
Il conformero sfalsato è più stabile del conformero eclissato a causa dell’iperconiugazione
Un conformero sperimenta una tensione quando la sua struttura chimica subisce un qualche sforzo che innalza la sua energia interna rispetto a un conformero privo di tensione o con una minore tensione.
La tensione torsionale dovuta all’eclissamento dei legami C-H.
La tensione sterica è il risultato della repulsione tra le nuvole elettroniche di atomi o gruppi
La tensione angolare si manifesta quando gli angoli di legame deviano dal valore ideale
Il conformero anti (o antiperiplanare) presenta due gruppi alchilici che formano un angolo diedro di 180° è più stabile del conformero gauche (angolo diedro 60°)a causa della tensione sterica
Il cicloesano interconverte rapidamente tra le due conformazioni a sedia ugualmente stabili. Questo processo è chiamato inversione di anello
I legami che sono assiali in un conformero sono equatoriali nell’altro e viceversa
Il conformero a sedia con un sostituente in posizione equatoriale ha meno tensione sterica ed è perciò più stabile del conformero con il sostituente assiale
Un sostituente in posizione assiale ha interazioni 1,3-diassiali sfavorevoli
Rappresentare il cicloesano mediante le proiezioni di Newman è un ottimo modo per visualizzare la disposizione spaziale dei legami e la conformazione della molecola, in particolare la conformazione a sedia, che è la più stabile per il cicloesano.
Nella rappresentazione tramite proiezioni di Newman, ci concentriamo su due legami carbonio-carbonio alla volta, osservando l’orientamento dei gruppi attaccati.
Vista lungo i legami C-C
Per disegnare una proiezione di Newman del cicloesano, bisogna osservare lungo l’asse di un legame carbonio-carbonio. Iniziamo con una parte della conformazione a sedia, osservando un legame tra due carboni adiacenti:
I carboni 1 e 2 (o qualsiasi altra coppia di carboni adiacenti) e i carboni 5 e 4.
Vedrai il primo carbonio frontalmente e il secondo dietro di esso.
Questa rappresentazione ti permette di visualizzare come gli idrogeni e altri sostituenti (se presenti) sono orientati rispetto ai due carboni che stai osservando.
Disegna la proiezione di Newman dell’1-clorocicloesano
Passo 1: Il carbonio frontale C1
Disegna un punto per rappresentare il carbonio frontale (C1).
Dal punto centrale, disegna tre linee che si irradiano a 120° l’una dall’altra. Queste linee rappresentano i legami tra C1 e i suoi sostituenti
Per il cicloesano, in conformazione a sedia:
Un legame sarà assiale, puntando verso l’alto o verso il basso (rispetto all’anello).
Gli altri due legami saranno equatoriali, orientati lateralmente e distanti tra loro.
Passo 2: Il carbonio posteriore C2
Disegna un cerchio più grande dietro il punto del carbonio frontale per rappresentare il carbonio posteriore (C2).
Anche per C2, disegna tre linee distanziate di 120° tra loro che rappresentano i suoi legami. Una linea sarà orientata assialmente (opposta all’assiale del C1), e le altre due saranno equatoriali.
Passo 3: Il carbonio frontale C5
Disegna un punto per rappresentare il carbonio frontale (C5).
Dal punto centrale, disegna tre linee che si irradiano a 120° l’una dall’altra. Queste linee rappresentano i legami tra C5 e i suoi sostituenti
Lo stesso vale per il carbonio posteriore. Ricorda che i legami assiali tra carboni adiacenti sono opposti (se un assiale punta in alto, l’altro punta in basso).
Disegna la proiezione di Newman del conformero dell’1-clorocicloessano dell’esempio precedente:
Passo 1: Il carbonio frontale C1 e C5
Per disegnare la proiezione di Newman del conformero, bisogna sclissare gli stessi legami presi in considerazione precedentemente: legame C1-C2 e C-5-C4).
Le proiezioni di Newman applicate al cicloesano ti permettono di visualizzare meglio l’orientamento spaziale dei gruppi legati ai carboni e di valutare la stabilità conformazionale, specialmente in molecole sostituite dove la presenza di gruppi voluminosi può influenzare la conformazione preferita:
Le frecce rappresentano il movimento simultaneo di due elettroni
La coda della freccia è posizionata in corrispondenza degli elettroni nel reagente. Ci sono due fonti di elettroni: (a) un atomo che possiede una coppia solitaria; (b) una coppia di elettroni di legame.
Gli ioni spettatori vanno ignorati (ioni metallici)
Disegnare gli idrogeni sugli atomi coinvolti nei legami che cambiano
Disegnare le coppie solitarie sugli atomi coinvolti nei legami che cambiano
TUTORIAL: ACIDI E BASI
ACIDI E BASI:
Un acido è una specie che può perdere un protone (Bronsted-Lowry) trasformandosi così nella sua base coniugata. Quando il protone si allontana dall’acido, la base coniiugata trattiene la coppia di elettroni che legava il protone: la freccia deve partire dal legame tra l’atomo e il protone e deve arrivare sull’atomo.
Una base è una specie che può ricevere un protone formando così il suo acido coniugato
Un acido non può perdere un protone senza la presenza di una base che lo accetta: un acido reagisce sempre con una base
Spesso le due specie (acido e base) che reagiscono possiedono entrambe degli idrogeni acidi e delle coppie solitarie: questo significa che entrambe le specie possono comportarsi sia da acido che da base. Per capire chi perde il protone e chi lo acquista, bisogna confrontare i valori di pKa: L’acido che ha il valore di pKa più basso (acido più forte) è la specie che agisce da acido, perdendo un protone.
L’equilibrio favorisca la formazione dell’acido più debole da quello più forte
Quando gli acidi hanno protoni legati ad atomi di dimensioni simili, l’acido più forte è costituito da quello con il protone legato all’atomo più elettornegativo.
L’elettronegatività di un atomo dipende dalla sua ibridazione; l’acido più forte è quello il cui protone è legato all’atomo più elettronegativo
Quando compariamo due acidi con i protoni legati ad atomi di differenti dimensioni, l’acido più fote risulterà quello nikl cui protone è legato all’atomo più grande
La sostituzione di un idrogeno con un sostituente elettronegativo, che attira versi di sé gli elettroni di legame, aumenta la forza dell’acido.
La nomenclatura dei composti eterociclici è una componente fondamentale della chimica organica, in quanto permette di identificare, descrivere e comunicare in modo chiaro la struttura e le proprietà di queste molecole. I composti eterociclici sono sistemi ciclici organici che contengono almeno un eteroatomo (ossia un atomo diverso dal carbonio), tipicamente azoto (N), ossigeno (O) o zolfo (S), all’interno dell’anello. Questi composti sono ampiamente diffusi in natura e ricoprono un ruolo centrale in numerosi ambiti, tra cui la chimica farmaceutica, la chimica dei materiali, l’agrochimica e la biochimica.
La denominazione dei composti eterociclici può seguire diversi sistemi, a seconda del contesto, della complessità strutturale del composto e della diffusione del suo utilizzo. I tre principali approcci sono: la nomenclatura Hantzsch-Widman, la nomenclatura sistematica IUPAC, e la nomenclaturatradizionale.
Nomenclatura Hantzsch-Widman: Questo sistema è utilizzato principalmente per la denominazione sistematica di composti eterociclici, in particolare quando si tratta di anelli contenenti eteroatomi (come azoto, ossigeno o zolfo). La nomenclatura Hantzsch-Widman utilizza prefissi per indicare il tipo di eteroatomo (es. ossa-, aza-, tia-) e suffissi per indicare la dimensione dell’anello e il grado di saturazione (es. -olo, -ina, -ano).
Nomenclatura tradizionale: Molti composti eterociclici comuni sono noti con nomi storici o convenzionali, che non seguono necessariamente regole sistematiche. Questi nomi tradizionali sono ampiamente accettati e utilizzati soprattutto nella chimica organica classica o in ambiti applicativi come la farmacologia.
Esempi:
Piridina: eterociclo aromatico a sei termini con un atomo di azoto.
Furano: anello a cinque termini con un atomo di ossigeno.
Tiofene: anello a cinque termini con un atomo di zolfo.
La scelta del sistema di nomenclatura dipende spesso dall’ambito in cui ci si trova. In contesti accademici e formali, si preferisce la nomenclatura sistematica (inclusa la Hantzsch-Widman), mentre in ambiti pratici o divulgativi è comune usare i nomi tradizionali, soprattutto per composti ben noti.
Nomenclatura sistematica: La nomenclatura sistematica è un approccio rigoroso che descrive completamente la struttura del composto, indicando:
il numero di atomi nell’anello,
la natura e posizione degli eteroatomi,
il grado di saturazione/insaturazione,
eventuali sostituenti.
Questo sistema viene utilizzato quando si richiede una denominazione precisa e completa, ad esempio nella letteratura scientifica e nei brevetti. I nomi possono diventare complessi, ma evitano ambiguità.
La scelta del sistema di nomenclatura dipende spesso dall’ambito in cui ci si trova. In contesti accademici e formali, si preferisce la nomenclatura sistematica (inclusa la Hantzsch-Widman), mentre in ambiti pratici o divulgativi è comune usare i nomi tradizionali, soprattutto per composti ben noti.
1.NOMENCLATURA HANTZSCH-WIDMAN
In questo sistema di nomenclatura bisogna tener conto di tre cose:
l’elemento che costituisce l’eteroatomo (parte iniziale del nome)
la grandezza dell’anello (parte centrale del nome)
il numero di insaturazioni (parte finale del nome)
Prefissi caratteristici per nomi di sostituzione
Se sono presenti più di un eteroatomo il prefisso del nome deve indicarne il numero:
es. per N: 1=aza-, 2=diaza-, 3=triaza-, 4=tetraza-, …
Se gli eteroatomi sono diversi, i prefissi del nome devono essere combinati insieme tenendo conto del periodo della tavola periodica dove si trova l’elemento (ha la priorità il periodo maggiore) e, successivamente, del gruppo (ha la priorità il gruppo minore)
es.: N,O= ossaza-; S,O=ossatia-; P,O= ossfosfa; …
Suffissi usati nella nomenclatura dei composti eterociclici
Suffissi usati nella nomenclatura dei composti eterociclici
esempi:
Gli atomi dell’anello si numerano iniziando dall’eteroatomo e la numerazione procede intorno all’anello nel senso che permette di assegnare numero più bassi alle posizioni dei sostituenti.
Se nel ciclo è presente un atomo saturo, la sua posizione è indicata mediante la lettera H preceduta da un numero che indica la posizione dell’atomo saturo.
Quando un eterociclo presenta un gruppo carbonilico, il nuovo ciclo è nominato indicando con la lettera H preceduta da un numero la nuova posizione assunta dall’idrogeno del gruppo metinico.
Se l’eterociclo è parzialmente saturato si utilizza il nome del composto insaturo ma nel nome si indica su quale atono è stato addizionato l’idrogeno:
2. NOMENCLATURA TRADIZIONALE
Alcuni importanti eterocicli mantengono il nome tradizionale e non vengono quasi mai indicati con la nomenclatura Hantzsch-Widman:
Nomi comuni di composti eterociclici disposti in ordine di priorità:
Questi nomi d’uso sono conservati dalla IUPAC per indicare un composto oppure come base per formare nomi di fusione:
3. COMPOSTI ETEROCICLICI CONDENSATI
Gli eterocicli policiclici vengono denominati facendo precedere il nome del componente base (anello o sistema) le designazioni degli altri componenti.
Se il composto eterociclico è condensato con un altro anello, il nome è dato dall’unione dei nomi dei due anelli:
Per indicare i componenti secondari possono essere utilizzati i seguenti prefissi contratti:
benzo per indicare il benzene
furo per indicare il furano
tieno per indicare il tiofene
imidazo per indicare l’imidazolo
pirido per indicare la piridina
pirimido per indicare la pirimidina
cinno per indicare la cinnolina
isochino per indicare l’isochimnolina
Composti eterociclici condensati con l’anello benzenico
Il componente base viene distinto numerando i lati -e non gli atomi- con le lettere in ordine alfabetico. Le lettere vanno scritte sempre in corsivo e racchiuse in parentesi quadre.
ll seguente composto, benzo[b]pirrolo, è un sistema biciclico formato da un anello benzenico condensato con un eterociclico e possiede il nome comune indolo. Il nome dell’etereociclo è scelto come base e il nome dell’anello condensato è scelto come prefisso. Per individuare il lato condiviso, i lati periferici del componente base vengono indicati con la lettera a il lato 1,2, b il lato 2,3 e così via. Al nome del componente base, pirrolo si fa precedere il nome contratto del componente, benzo- seguito dalla lettera del lato condiviso b in parentesi quadre.
Sistemi con anelli eterociclici condensati
In questo caso, la piridazina è scelta come componente principale poiché tra due anelli di uguale grandezza si sceglie l’anello che ha la priorità (vedi par.: nomenclatura tradizionale). Per indicare il punto di fusione della pirazina (componente secondaria), nella parentesi quadra si indicano i numeri degli atomi fusi (nell’esempio, i carboni C-2 e C-3 della pirazina), prima della lettera che indica il lato di fusione del componente principale (nell’esempio, il lato d della piridazina).
Questi due composti differiscono nella disposizione degli anelli pirimidinici e piridazinici. Nel caso della Pirimido[4,5-c]piridazina, i carboni 4 e 5 dell’anello pirimidinico sono fusi rispettivamente con i carboni 3 e 4 (lato c) dell’anello piridazinico
In questo caso l’atomo con il numero più basso nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-4) è fuso con l’atomo con il numero più basso nella numerazione dell’anello piridazinico (C-3 del lato c); conseguentemente, l’atomo con il numero più alto nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-5) è fuso con l’atomo con il numero più alto nella numerazione dell’anello piridazinico (C-4 del lato c). È importante notare che la disposizione delle fusione degli anelli è indicata dalla notazione tra parentesi quadre: [4,5-c].
Nel caso della pirimido[5,4-c]piridazina, i carboni 5 e 4 dell’anello pirimidinico sono fusi rispettivamente con i carboni 3 e 4 (lato c) dell’anello piridazinico
In questo caso l’atomo con il numero più alto nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-5) è fuso con l’atomo con il numero più basso nella numerazione dell’anello piridazinico (C-3 del lato c); conseguentemente, l’atomo con il numero più basso nella numerazione degli atomi di carbonio dell’anello pirimidinico (C-4) è fuso con l’atomo con il numero più alto nella numerazione dell’anello piridazinico (C-4 del lato c). La disposizione delle fusione degli anelli, in questo caso, è indicata scrivendo tra parentesi quadre il legame partendo dall’atomo che ha il numero maggiore: [5,4-c].
Scelta del componente principale
Il componente base è un sistema eterociclico e, se c’è una scelta, il componente base è, in ordine di preferenza:
a. l’eterociclo più sviluppato che può essere nominato con le regole Hantzsch-Widman con la nomenclatura comune.
b. il componente contenente azoto:
c. il componente contenente un eteroatomo (diverso dall’azoto) che che ha maggiore priorità.
d. il compomente contenente il maggior numero di anelli:
e. a parità di eteroatomi, il componente che contiene l’anello più grande:
f. il componente che contiene il maggior numero di eteroatomi:
g. il componente che contenente la maggiore varietà di eteroatomi:
h. il componente contenente il maggior numero di eteroatomi
i. il componente con l’anello nel quale gli eteroatomi hanno gli indici numerici più bassi prima della condensazione:
La posizione di fusione è occupata da un eteroatomo
Se una posizione di fusione è occupata da un eteroatomo, i nomi degli anelli componenti che si fondono sono scelti in modo che ciascuno contenga l’eteroatomo:
Numerazione
Il sistema policiclico orientato in modo che il maggior numero di anelli si trovi su una fila orizzontale con il maggior numero di anelli in alto e a destra, viene numerato in senso orario cominciando dal primo atomo non impegnato nella fusione della prima posizione antioraria dell’anello superiore destro. Gli atomi in comune a due o piàù anelli vengono omessi e segnati con le lettere “a”, “b”, “c” al numero della posizione immediatamente precedente.
NOMENCLATURA DEI COMPOSTI ETEROCICLICI SPIRANICI
NOMENCLATURA DEI SISTEMI BICICLICI A PONTE
NOMENCLATURA SISTEMATICA
La nomenclatura sistematica per composti eterociclici monociclici deriva dai nomi dei corrispondenti composti carbociclici:
Un centro pseudoasimmetrico è un atomo tetraedrico (di solito carbonio) che ha quattro sostituenti diversi, due dei quali sono enantiomeri tra loro, mentre gli altri due sono differenti da essi e tra loro. Questo centro è prochirale, ma non genera una molecola chirale nel suo complesso; piuttosto, si trova in una molecola achirale, anche se il centro ha una configurazione designata come r o s (in minuscolo), a differenza di R o S nei veri centri stereogenici.
I sostituenti del carbonio 3 indicati in rosso e in blu sono gruppi chimici che sono immagini speculari tra loro e vengono detti sostituenti enantiomorfi
Il carbonio 3 del 2,3,4-pentantriolo (o molecole simili) non è asimmetrico quando il carbonio 2 e il carbonio 4 sono entrambi R (o entrambi S)
Quando uno dei due carboni è R e l’altro è S il carbonio 3 è asimmetrico; tale carbonio viene chiamato carbonio pseudoasimmetrico
La IUPAC raccomanda di usare r e s (minuscoli) per i centri pseudoasimmetrici, proprio per distinguerli dai veri centri stereogenici R/S
Per descrivere questi centri si utilizzano le regole CIP; poiché i due gruppi enantiomorfi sono costituiti dagli stessi atomi ma differiscono solo nella configurazione assoluta del carbonio chirale, il gruppo che ha il carbonio con configurazione R ha la priorità sul gruppo che ha il carbonio con configurazione S. Pertanto, nel caso del primo composto le priorità sono le seguenti:
La rotazione 1=> 2 =>3 è oraria ma il quarto sostituente si trova sulla linea orizzontale della proiezione di Fischer, la notazione del carbonio 3 sarà s.
Il nome IUPAC della prima forma meso sarà dunque (2R, 3s,4S)-2,3,4-pentantriolo; la seconda forma meso avrà il nome (2R, 3r,4S)-2,3,4-pentantriolo
Si definisce enantiomorfo un doppio legame in cui i gruppi legati creano due configurazioni speculari non sovrapponibili, a causa della presenza di ligandi chirali.
I gruppi chirali presenti sulle due estremità sono enantiomorfi, ovvero configurati in modo opposto (es. un (R) da un lato e un (S) dall’altro).
In tal caso, la configurazione del doppio legame (che normalmente sarebbe descritta come cis/trans o Z/E) non è sufficiente a distinguere le due forme, perché quelle due configurazioni possono essere enantiomorfe fra loro.
In questi casi, la IUPAC ha introdotto i descrittori seqCis e seqTrans:
• seqCis: i due sostituenti con priorità più alta secondo le regole CIP sono dallo stesso lato.
• seqTrans: si trovano su lati opposti.
Questi descrittori sono riflessioni l’uno dell’altro, e quindi rappresentano una coppia di enantiomorfi geometrici.
Anche i carboni 1 e 3 del trans-1,3-dimetilciclobutano sono carboni pseudoasimmetrici:
Infatti, anche per questo composto, la IUPAC suggerisce il nome (1r,3r)-1,3-dimetilciclobutano piuttosto che del trans-1,3-dimetilciclobutano.
Analogamente, il nome preferito dalla IUPAC per il cis-1,3-dimetilciclobutano è (1s,3s)-1,3-dimetilciclobutano.
Come si fa in questo caso ad assegnare la notazione r o s?
Immaginiamo di metterci nel centro dell’anello e di guardare il carbonio 1; riportiamo questo carbonio in una proiezione di Fischer: se il carbonio 1 si trova al centro della croce, in alto avremo il gruppo metile, in basso l’idrogeno a destra il C2 e a sinistra il C4; Continuando a destra, dopo il C2 abbiamo il C3 che lega il metile in alto e l’idrogeno in basso, poi il C4 e infine ritorniamo a C1: l’ultimo termine della sequenza è un carbonio duplicato (C1) che si intende legato a tre atomi fantasma
Il carbonio 3, è chirale in questa rappresentazione, pertanto possiamo assegnare le priorità ai gruppi legati sulla base delle regole CIP: l’H è l’atomo con priorità più bassa (4° sostituente) e il metile è il sostituente 3. Il C2 lega due idrogeni e un carbonio così come il C4, pertanto dobbiamo andare oltre. Il C2 è legato ad un carbonio che lega un idrogeno e due carboni, mentre il C1 è rappresentato come legato a tre atomi fantasma con numero atomico nullo (0). Quindi il gruppo a sinistra ha priorità 1 mentre il gruppo legato a destra, priorità 2. La rotazione è antioraria, il quarto sostituente sulla linea verticale, pertanto la configurazione assoluta è S. Facendo lo stesso a sinistra e assegnando le priorità troviamo che il C3 a sinistra ha una configurazione R:
Possiamo notare che i gruppi legati a C1 sul lato destro e sinistro dell’anello sono enantiomorfi, pertanto C1 è un centro pseudoasimmetrico. Assegnando le priorità e ricordando che il sostituente enantiomorfo con configurazione R ha la priorità sul sostituente enantiomorfo con configurazione S, assegniamo a C1 la notazione s.
Facendo la stessa cosa per il C3, troviamo una situazione identica:
Da cui ricaviamo il nome IUPAC del composto come (1s,3s)-1,3-dimetilciclobutano.
Quando un carbonio lega quattro sostituenti diversi ma due sono gruppi alchenilici che che si distinguono unicamente per la configurazione dei doppi legami, il carbonio è chirale e nell’assegnare la configurazione assoluta, il doppio legame con configurazione Z ha la priorità sul doppio legame con configurazione E.
Le mappe delle reazioni presentate nel corso di chimica organica offrono un’esaustiva rappresentazione visiva delle reazioni coinvolgenti i principali gruppi funzionali, in un formato compatto e facilmente comprensibile.
Le sfide maggiori per gli studenti di chimica organica spesso derivano dai quesiti sulle reazioni a più stadi, mentre la sintesi chimica costituisce l’essenza dell’insegnamento. Un obiettivo fondamentale è quello di memorizzare le reazioni man mano che vengono presentate durante le lezioni, al fine di applicarle in contesti di sintesi organica per generare molecole complesse partendo da precursori più semplici.
MAPPA 1: Sintesi e reattività di alcani, alcheni, alchini, alogenuri alchilici ed alcoli
MAPPA 2: Sintesi e reattività di alcheni (altre reazioni), alcoli, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici e derivati
MAPPA 3: Le reazioni al carbonio alpha
MAPPA 4: Le reazioni del benzene e di benzeni sostituiti
Quando si progetta una sintesi, il primo passaggio è confrontare il reagente con il prodotto. In particolare, bisogna:
contare gli atomi di carbonio nello scheletro carbonioso della molecola target. Determinare come ottenere la catena carboniosa dai materiali dipartenza disponibili è la parte più impegnativa della sintesi. Se necessario aggiungere atomi di carbonio, bisogna considerare le reazioni che permettono di formare i legami carbonio-carbonio
analizzare i gruppi funzionali. Quali sono e come possono essere modificati per facilitare la formazione della catena di atomi di carbonio? Come possono essere modificati aggiunti o eliminati per ottenere i gruppi funzionali del prodotto? la posizione dei gruppi funzionali è cambiata? La regiospecificità e la stereospecificità possono essere fattori da prendere in considerazione.
Procedere a ritroso. Spesso è più facile individuare l’ultimo passaggio di una sintesi che tentare di partire dalla reazione iniziale (analisi retrosintetica). L’analisi retrosintetica è una strategia fondamentale in chimica organica utilizzata per progettare la sintesi di molecole complesse, partendo da precursori più semplici. Questo approccio si basa sull’idea di lavorare all’indietro, partendo dal prodotto finale desiderato e identificando le sequenze di reazioni necessarie per raggiungerlo. L’idea è di partire dalla struttura del prodotto finale e di procedere a ritroso, uno stadio alla volta, fino a che non si individua la sequenza che permette di preparare il prodotto desiderato dai reagenti disponibili. Se non si riesce a raggiungere il risultato al primo tentativo, è necessario ripetere l’analisi retrosintetica usando una diversa sequenza di reazioni
ANALISI RETROSINTETICA
La freccia ⇒ indica la retrosintesi
A ⇒ B
la molecola B è la molecola più semplice che mediante una reazione porterà alla formazione della molecola A.
Nella progettazione della sintesi è fondamentale padroneggiare un gran numero di reazioni organiche: più reazioni si conoscono, più è probabile realizzare una sintesi con successo. Il principio guida nella pianificazione è semplificarla il più possibile. Un progetto di sintesi semplice ha una maggiore possibilità di avere esito positivo.
Disconnessione: La disconnessione implica la rottura di un legame all’interno della molecola target per generare due frammenti più semplici che potrebbero costituire i precursori della sintesi desiderata. Questo concetto aiuta a semplificare la complessità della sintesi, consentendo ai chimici di identificare i punti chiave di rottura per ottenere i precursori desiderati.
Sintoni: I sintoni sono frammenti ideali generati attraverso la disconnessione di un legame. Sono considerati ideali poiché rappresentano unità strutturali che facilitano la progettazione della sintesi. I sintoni possono essere utilizzati come guida per individuare i precursori necessari per la sintesi della molecola bersaglio.
Equivalenti Sintetici: Gli equivalenti sintetici sono specie chimiche effettive che svolgono la stessa funzione dei sintoni durante il processo di sintesi. Poiché i sintoni sono spesso specie ideali o transitorie e non possono essere impiegati direttamente, gli equivalenti sintetici vengono utilizzati al loro posto. Essi sono capaci di partecipare attivamente alle reazioni chimiche, generando gli intermedi di sintesi necessari per la formazione del prodotto finale.
Reagenti: I reagenti sono i composti chimici effettivi che reagiscono con gli equivalenti sintetici per avviare le reazioni di sintesi. Essi forniscono gli atomi o i gruppi funzionali necessari per la formazione degli intermedi di sintesi o della molecola bersaglio stessa. I reagenti sono fondamentali per la trasformazione dei precursori in prodotti desiderati durante il processo di sintesi.
INTERCONVERSIONE DI GRUPPI FUNZIONALI
Quando si progetta una sintesi, il primo passaggio è comparare, tra il reagente e il prodotto, sia lo scheletro di atomi di carbonio sia la posizione dei gruppi funzionali. Se essi non variano, si deve semplicemente capire come convertire il gruppo funzionale del reagente in quello del prodotto.
FUNZIONALIZZAZIONE DI UN CARBONIO
Può essere effettuata mediante una reazione radicalica
MODIFICA DELLA POSIZIONE DI UN GRUPPO FUNZIONALE
Se lo scheletro di atomi di carbonio non è modificato ma la posizione del gruppo funzionale è diversa, si devono prendere in considerazione le reazioni che modificano la posizione del gruppo funzionale.
MODIFICA DELLO SCHELETRO DI ATOMI DI CARBONIO
Se lo scheletro di atomi di carbonio è modificato, ma il numero di atomi di carbonio è lo stesso, si devono prendere in considerazione le reazioni che portano alla formazione di intermedi carbocationici.
AGGIUNTA DI UN CARBONIO ALLO SCHELETRO DELLA MOLECOLA
Le reazioni con cui è possibile introdurre un atomo di carbonio allo scheletro della molecola sono diverse. Il metodo che si sceglie dipende dal gruppo funzionale che si desidera avere nel prodotto.
AGGIUNTA DI PIÙ DI UN CARBONIO ALLO SCHELETRO DELLA MOLECOLA
Le reazioni con cui è possibile introdurre Più un atomo di carbonio allo scheletro della molecola sono diverse. Ioni acetiluro, epossidi, reattivi di Grignard, addizione aldolica, reazione di Wittig e reazioni di accoppiamento sono alcuni esempi.
Per una visione d’insieme delle reazioni che possono essere utilizzate nel progettare una sintesi organica è possibile consultare il post “Mappe delle reazioni in Chimica Organica“
Esempio 3
POSIZIONE RELATIVA DI DUE GRUPPI FUNZIONALI PER PROGETTARE UNA SINTESI
Se un composto contiene due gruppi funzionale, la loro posizione relativa può formìnire un buon suggerimento su come affrontare la sintesi.
Formazione di un composto 1,2-diossigenato
Formazione di un composto 1,3-diossigenato
Formazione di un composto 1,4-diossigenato
Formazione di un composto 1,5-diossigenato
Formazione di un composto 1,6-diossigenato
Esempio 1.
Sintetizzare il 3-esanone a partire dall’1-butino
Contando i carboni dei due composti, è evidente che bisogna aggiungere 2 carboni. In questo caso, dovendo partire dal butino, sfruttiamo l’acidità dell’idrogeno terminale per formare uno ione acetiluro da utilizzare come nucleofilo in una reazione SN2.
L’idratazione del 3-esino porta alla formazione di un enolo che tautomerizza immediatamente a chetone, quindi l’analisi retrosintetica è la seguente:
Per individuare i reagenti necessari, si parte dalle disconnessioni:
Per il primo passaggio dobbiamo disconnettere il legame C-C tra il C2 e il C3 del 3-esino:
Pertanto, lo schema sintetico è:
Esempio n. 2
Sintetizzare l’acido cicloesancarbossilico a partire dal bromocicloesano:
Partendo dalle disconnessioni possiamo avere due possibilità:
Le analisi retrosintetiche sono:
Gli schemi di sintesi sono:
Esempio n. 3
Sintetizzare l’1-metil-1-cicloesene a partire dal bromocicloesano
IN questo caso il prodotto da sintetizzare ha un carbonio in più e una insaturazione. Il doppio legame si può formare attraverso una reazione di disidratazione:
Il cicloesanone si può ottenere dall’ossidazione del cicloesanolo che si può ottenere dal bromocicloesano attraverso una reazione SN2
Construct a Lewis Structure: scegliendo un composto dal menù a sinistra è possibile esercitarsi a completare le strutture di Lewis. In basso a destra c’è una tabella che ci aiuta col conteggio degli elettroni.
Lewis structure tutorials: esercitiamoci a formulare le strutture di Lewis delle specie poliatomiche in tabella. Cliccando su ogni singola specie è possibile guardare un video esplicativo.
Lewis dot structures: una serie di esercizi. Cliccando su “answers” sarà possibile visualizzare le risposte.
Assegnare il nome IUPAC completo di stereochimica ai seguenti composti:
Esercizio n. 2
Proporre un meccanismo per la seguente reazione:
meccanismo:
Esercizio n. 3
Proporre un meccanismo per la seguente trasformazione. E’ possibile usare il ciclopentanone e qualsiasi composto inorganico, compresi agenti ossidanti o riducenti.
Analisi retrosintetica:
Schema di sintesi:
Esercizio n. 4
La sintesi di Kiliani-Fischer, a partire dall’aldopentoso D-ribosio, produce una miscela di D-allosio e D-altrosio. Il 2,6-dideossi-D-altrosio, noto anche come D-digitossosio, è un monosaccaride ottenuto per idrolisi della digitossina, un prodotto naturale estratto dalla digitale (Digitalis purpurea). La digitossina trova largo impiego in cardiologia poichè riduce la velocità delle pulsazioni, regolarizza il ritmo e rinforza il battito cardiaco. Disegnare la proiezione di Fischer del 2,6-dideossi-D-altrosio. Disegnare la struttura del beta-L-digitossopiranosio nella conformazione a sedia più stabile.
proiezione di Fischer del 2,6-dideossi-D-altrosio:
struttura del beta-L-digitossopiranosio
Esercizio n. 5
Proporre una sintesi efficiente della 4-idrossi-4-metilcicloesan-1-carbaldeide a partire da 4-idrossicicloesan-1-carbaldeide. Partendo dallo stesso reagente, proporre la sintesi dell’1-ciclesil-1-etanone
Sintesi della 4-idrossi-4-metilcicloesan-1-carbaldeide
Vincerà la sfida (2 punti di bonus sulla prossima prova intercorso) chi risponderà per primo CORRETTAMENTE al quesito
La risposta va inserita nei commenti al post.
Ognuno può rispondere solo una volta (anche in presenza di più di un commento pubblicato dalla stessa persona, soltanto il primo sarà preso in considerazione).
Il tempo massimo a disposizione sarà di 12 ore dalla pubblicazione del post.
L’eventuale vincitore sarà annunciato a lezione.
CHALLENGE
L’etino viene fatto reagire con due diversi alogenuri alchilici a 3 atomi di carbonio per formare un alchino interno che, in seguito ad idrogenazione catalitica su catalizzatore di Lindlar, forma 1-ciclopropil-3-metil-1-butene (composto A).
Quando il composto A viene sottoposto ad idratazione catalizzata da acidi, si ottiene, tra i prodotti, anche il 1,2-dimetilcicloesanolo (composto B).
descrivere uno schema di sintesi che spieghi la formazione del composto A
proporre un possibile meccanismo che spieghi la formazionedel composto B. Descrivere il nome di tutti i carbocationi intermedi, partendo dal primo che è il catione 1-ciclopropil-3-metilbutilico (NB: la nomenclatura dei carbocationi utilizza il termine catione seguito dal nome della catena carboniosa più lunga contenente l’atomo di carbonio carico positivamente, che è sempre il C-1).
Chimica Organica-DiSTABiF 
You must be logged in to post a comment.