V B, Gruppi Funzionali

G. Valitutti A.Tifi A.Gentile
Le idee della chimica
Seconda edizione
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Capitolo 24
Dai gruppi funzionali ai polimeri
1.
I gruppi funzionali
2.
Alcoli, fenoli ed eteri
3.
Le reazioni di alcoli e fenoli
4.
Alcoli e fenoli di particolare interesse
5.
Aldeidi e chetoni
6.
Gli acidi carbossilici e i loro derivati
7.
Esteri, saponi e ammidi
8.
Le ammine
9.
Composti eterociclici
10. I polimeri di sintesi
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Le idee della chimica
1. I gruppi funzionali
Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo
di atomi che determina le proprietà chimiche di
un composto organico, permettendone la
classificazione.
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Le idee della chimica
1. I gruppi funzionali
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Le idee della chimica
2. Alcoli, fenoli ed eteri
Gli alcoli derivano dagli idrocarburi per
sostituzione di un idrogeno con un gruppo ossidrile
(—OH) che ne diventa il gruppo funzionale.
Uno dei gruppi più ampiamente distribuiti in
natura: in carboidrati, proteine, acidi nucleici,
ormoni e vitamine
Appartengono alla famiglia degli alcoli anche l’alcol
per frizioni e per bevande e gli anticongelanti
(glicol etilenico)
La formula generale degli alcoli è R—OH.
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2. Alcoli, fenoli ed eteri
Gli alcoli si classificano in primari, secondari e
terziari a seconda che l’atomo di carbonio a cui è
legato l’ossidrile sia unito rispettivamente a uno,
due o tre atomi di carbonio.
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Le idee della chimica
2. Alcoli, fenoli ed eteri
Secondo la nomenclatura IUPAC, il nome dell’alcol
deriva da quello dell’idrocarburo corrispondente a cui
si aggiunge la desinenza -olo.
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Atomi di carbonio
nome
1
metanolo
2
etanolo
3
propanolo
4
butanolo
5
pentanolo
Le idee della chimica
2. Alcoli, fenoli ed eteri
Sono detti alcoli monovalenti quelli la cui molecola
ha un solo gruppo -OH
Se presentano due o tre gruppi ossidrili, gli alcoli
prendono il nome di dioli (es. glicol etilenico) e
trioli (es. glicerolo o glicerina); molte sostanze in
particolare gli zuccheri hanno parecchi gruppi -OH.
Il fenolo è il capostipite degli alcoli aromatici a cui
dà il nome (fenoli).
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2. Alcoli, fenoli ed eteri
Gli eteri sono caratterizzati da un atomo di
ossigeno che lega due gruppi alchilici.
La formula generale degli eteri è R—O—R’.
Sono liquidi molto volatili, usati come solventi di
sostanze organiche
A T amb. Gli eteri danno poche reazioni chimiche:
non reagiscono con acidi, basi, ossidanti o
riducenti.
Come tutti i composti organici, bruciano.
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2. Alcoli, fenoli ed eteri
La nomenclatura degli eteri si basa sul nome, in
ordine alfabetico, delle catene alchiliche presenti
nella molecola, a cui segue il nome etere.
Talvolta si antepone la parola etere al nome dei
radicali alchilici
etere dimetilico
2. Alcoli, fenoli ed eteri
Gli eteri si possono preparare a partire dagli alcoli
per disidratazione
2. Alcoli, fenoli ed eteri
A parità di massa molecolare, gli alcoli e i fenoli
hanno punti di ebollizione più alti rispetto agli
idrocarburi e agli eteri.
La causa è dovuta al fatto che sono capaci di
formare legami a idrogeno: ogni molecola di alcol,
infatti, può formare due legami a idrogeno con
altrettante molecole
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2. Alcoli, fenoli ed eteri
La solubilità degli alcoli decresce all’aumentare
del numero di atomi di carbonio: la buona
solubilità di metanolo, etanolo e propanolo in
acqua è dovuta alla formazione di legami a
idrogeno:
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2. Alcoli, fenoli ed eteri
La solubilità degli alcoli decresce all’aumentare
del numero di atomi di carbonio, perché prevale il
carattere idrofobico della catena rispetto al
carattere idrofilo dell’ossidrile.
Il piccolo gruppo –OH è sopraffatto dalla lunga
catena idrocarburica
Maggiore è il numero di gruppi –OH presenti in
ogni molecola maggiore è la solubilità del
composto in acqua
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2. Alcoli, fenoli ed eteri
Gli alcoli sono acidi molto deboli (non fa
aumentare né diminuire il pH); i fenoli al
contrario sono più acidi.
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3. Le reazioni di alcoli e fenoli
Gli alcoli danno reazioni con rottura del legame
C—O, oppure reazioni di ossidazione:
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3. Le reazioni di alcoli e fenoli
Le reazioni di rottura del legame C—O avvengono
prevalentemente in ambiente acido, per
sostituzione nucleofila.
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3. Le reazioni di alcoli e fenoli
In presenza di acido solforico concentrato e alla
temperatura di 180°, gli alcoli danno reazioni di
disidratazione con formazione di un alchene.
3. Le reazioni di alcoli e fenoli
Nelle reazioni di ossidazione gli alcoli primari
si ossidano prima ad aldeidi e poi ad acidi
carbossilici.
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3. Le reazioni di alcoli e fenoli
Gli alcoli secondari si ossidano a chetoni.
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3. Le reazioni di alcoli e fenoli
I fenoli si ossidano a chinoni.
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3. Le reazioni di alcoli e fenoli
Il metanolo (CH3OH) è una sostanza altamente
tossica: 30 mL provocano la morte di un essere
umano adulto.
È un importante intermedio dell’industria chimica,
inoltre viene impiegato come carburante per
autotrazione e nelle celle a combustibile.
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4. Alcoli e fenoli di particolare interesse
L’etanolo (CH3CH2OH) è il costituente di tutte
le bevande alcoliche.
Si ottiene per fermentazione degli zuccheri da
parte di microorganismi (saccaromiceti).
Viene adoperato come combustibile al posto
della benzina e trova impiego nell’industria dei
solventi, dei profumi e dei cosmetici.
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Produzione di alcol etilico
4. Alcoli e fenoli di particolare interesse
L’alcol etilico puro, usato in laboratorio per importanti
sintesi, è ben tollerato dall’organismo e funziona come
stimolante dell’apparato digerente e del sistema
nervoso ma assunto in dosi eccessive e prolungate
può produrre fenomeni di alcolismo.
L’alcol denaturato, usato come disinfettante, viene
preparato aggiungendo a quello etilico puro una
miscela di idrocarburi, oli e basi piridiniche
artificialmente colorate in rosa
L’alcol etilico e la prova del palloncino
Curiosità
4. Alcoli e fenoli di particolare interesse
Il glicol etilenico è un diolo che viene impiegato
come liquido anticongelante grazie all’alto punto di
ebollizione e alla totale solubilità in acqua.
Il glicol etilenico è usato per la sintesi di numerosi
composti tra cui il PET, la resina con cui si
producono le bottiglie «di plastica».
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4. Alcoli e fenoli di particolare interesse
Il glicerolo, più noto come glicerina, è un triolo.
Trova impiego nell’industria dei cosmetici e delle
vernici.
Il derivato nitrato del glicerolo, la nitroglicerina,
è un potente esplosivo che viene impiegato anche,
in soluzione alcolica molto diluita, nella terapia
dell’angina pectoris.
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4. Alcoli e fenoli di particolare interesse
I composti
fenolici hanno
proprietà
antiossidanti e
azione
disinfettante.
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5. Aldeidi e chetoni
Sono classi di composti caratterizzati dalla
presenza del gruppo funzionale (carbonile)
Sono detti anche composti carbonilici.
Nelle aldeidi il carbonile è legato a un idrogeno e al
carbonio di un radicale alchilico R (o arilico Ar), nei chetoni
il carbonile è legato a due atomi di carbonio di gruppi
alchilici (o arilici)
5. Aldeidi e chetoni
Le aldeidi hanno gruppo funzionale —CHO.
I chetoni hanno gruppo funzionale —CO—.
Aldeidi e chetoni hanno formula generale CnH2nO,
quindi sono isomeri funzionali.
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5. Aldeidi e chetoni
a nomenclatura utilizza il nome dell’alcano
corrispondente a cui si aggiunge:
il suffisso -ale per le aldeidi;
il suffisso -one per i chetoni.
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5. Aldeidi e chetoni
5. Aldeidi e chetoni
I punti di ebollizione delle aldeidi e dei chetoni
sono più alti di quelli degli idrocarburi a uguale
massa molecolare, ma minori a quelli degli alcoli
corrispondenti.
Dato che il legame del gruppo carbonilico è
polarizzato, le molecole di aldeidi e chetoni
contengono una parte polare e quindi i composti
carbonilici più semplici – matanale, etanale,
propanone – sono miscibili con l’acqua; via via che
aumenta la lunghezza della catena alifatica
apolare la miscibilità diminuisce.
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5. Aldeidi e chetoni
La reazione caratteristica dei composti carbonilici
è l’addizione nucleofila grazie all’atomo di
carbonio del gruppo carbonile, che è polarizzato:
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5. Aldeidi e chetoni
5. Aldeidi e chetoni
ALDEIDE FORMICA O METANALE
è un gas incolore e dall'odore acre e irritante
Costituisce uno dei più importanti prodotti di
base dell’industria chimica. Molto solubile in
acqua, reattivo in molte sintesi e utilizzato per
le più varie lavorazioni: trova larghissimo
impiego nella fabbricazione di resine sintetiche,
colle, solventi, conservanti, disinfettanti e
deodoranti, detergenti, cosmetici, tessuti.
5. Aldeidi e chetoni
La sua soluzione acquosa, formalina, viene
usata per conservare reperti biologici, essendo
un energico antisettico.
5. Aldeidi e chetoni
ACETALDEIDE
L'etanale CH3—CHO (acetaldeide) è un liquido incolore, volatile,
infiammabile, dall’odore pungente e irritante.
E’ una sostanza tossica probabilmente cancerogena, tracce contenute nel
fumo del tabacco.
E’ un reattivo impiegato nelle sintesi industriali organiche.
Nel corpo umano si forma per iniziale ossidazione dell’etanolo nel fegato ad
opera dell’enzima alcol deidrogenasi e convertita in acido acetico dall’enzima
aldeide deidrogenasi.
Forma composti che si intercalano tra le basi del DNA
PROMOTORE DELLA CARCINOGENESI
5. Aldeidi e chetoni
Alcune aldeidi formate da un numero maggiore di atomi
di C (6-12) sono caratterizzate da intense profumazioni:
possono essere di origine naturale (come il citrale
contenuto nella buccia dei limoni e la citronella presente
nell’essenza di citronella) o sintetica e vengono
largamente utilizzate nell’industria della cosmesi come
“profumazioni di fantasia”
5. Aldeidi e chetoni
ACETONE
•Il chetone più semplice è il propanone o
acetone, CH3COCH3, un liquido incolore
dall’odore sgradevole, volatile e infiammabile,
utilizzato come solvente o per la sintesi di
materie plastiche, vernici, esplosivi, etc.
5. Aldeidi e chetoni
ACETONE BAMBINI
L'acetone è un disturbo che si riconosce
facilmente, perché l’alito o le urine del
bambino emanano il caratteristico odore
dell’acetone (sembra di frutta marcia),
E’ la conseguenza di un episodio febbrile: la febbre infatti
comporta un notevole dispendio di energia e quando il
metabolismo, per produrre energia, esaurisce tutte le riserve di
zuccheri, ecco che va a intaccare i lipidi. Si formano delle
sostanze chiamate corpi chetonici, che finiscono sia nelle vie
aeree che nelle urine, emanando il loro inconfondibile odore di
acetone”.
5. Aldeidi e chetoni
CHETONI NELLE URINE
Il riscontro di chetoni nelle urine è tipico delle condizioni caratterizzate da
un esaltato catabolismo di acidi grassi liberi in presenza di una ridotta
disponibilità di glucosio. L'accumulo di queste sostanze nel sangue
(chetosi), infatti, ne diminuisce il pH fino a causare stanchezza, malessere
generale, emissione di grandi quantità di urina, sete intensa, disidratazione, crampi, aritmie cardiache, respiro corto e frequente,
sonnolenza e perdita di peso.
Il riscontro di corpi chetonici nelle urine (chetonuria) è comune nel digiuno particolarmente prolungato (uguale o superiore a 18 ore), durante
la gravidanza, nell'avvelenamento da isopropanolo, nelle persone che
seguono diete chetogeniche, negli ustionati e dopo un intervento
chirurgico. Tuttavia, la più caratteristica condizione accompagnata ad un
aumento di corpi chetonici nelle urine rimane il diabete di tipo I, dove a
fronte di elevati livelli di glucosio nel sangue la disponibilità intracellulare
dello zucchero è molto bassa (per assenza di insulina).
6. Gli acidi carbossilici
Gli acidi carbossilici sono caratterizzati dal
gruppo funzionale —COOH, chiamato gruppo
carbossile.
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6. Gli acidi carbossilici
La nomenclatura degli acidi carbossilici prevede
l’aggiunta del suffisso -oico al nome dell’alcano
corrispondente.
Alla nomenclatura IUPAC ne è affiancata una
corrente tutt’ora in uso.
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6. Gli acidi carbossilici
Gli acidi carbossilici tendono a formare legami a
idrogeno intermolecolari; pertanto presentano
punti di ebollizione abbastanza alti.
In acqua sono solubili solo gli acidi formico,
acetico e propionico.
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6. Gli acidi carbossilici
Gli acidi carbossilici sono acidi deboli, ma sono più
forti dei fenoli e degli alcoli.
Reagiscono con basi forti formando dei sali.
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6. Gli acidi carbossilici
A partire dagli acidi carbossilici, con reagenti
adeguati, si ottengono diversi derivati, tutti
caratterizzati dalla presenza del gruppo
acilico —RCO.
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6. Gli acidi carbossilici
I derivati degli acidi carbossilici si ottengono
tramite reazioni di sostituzione nucleofila
acilica.
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6. Gli acidi carbossilici
ASPIRINA
In medicina uso esterno come antisettico e disinfettante. Per
uso interno come antipiretico, antireumatico, antinevralgico e
antisettico
7. Esteri, saponi e ammidi
Gli esteri si ottengono per reazione fra un acido
carbossilico e alcol ad alta temperatura.
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7. Esteri, saponi e ammidi
Il gruppo funzionale di questa classe di composti è —CO—O—
Il loro nome si ottiene sostituendo alla desinenza
dell'acido la desinenza -ato e aggiungendo il nome
del radicale alchilico legato all'ossigeno.
7. Esteri, saponi e ammidi
Gli esteri danno fondamentalmente reazioni di
addizione nucleofila.
Idrolisi in ambiente basico (saponificazione):
7. Esteri, saponi e ammidi
Gli esteri sono solubili in acqua e facilmente
sintetizzabili in laboratorio, tanto da essere
utilizzati per aromatizzare liquori, caramelle,
profumi
7. Esteri, saponi e ammidi
7. Esteri, saponi e ammidi
Esteri naturali ad alto peso molecolare sono le
cere, i grassi e gli oli.
Le cere sono esteri di un acido carbossilico e di
un alcol entrambi a lunga catena.
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7. Esteri, saponi e ammidi
I grassi (solidi e saturi) e gli oli (liquidi e insaturi)
sono esteri del glicerolo (trigliceridi) con acidi
carbossilici a lunga catena sia saturi sia insaturi.
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7. Esteri, saponi e ammidi
I grassi e gli oli riscaldati con una soluzione
acquosa di NaOH (o di KOH) danno luogo ad
un’idrolisi alcalina.
I saponi sono i sali di sodio (o di potassio) degli
acidi grassi a lunga catena.
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7. Esteri, saponi e ammidi
I saponi sono formati da una lunga catena
idrocarburica detta coda, idrofobica, alla cui
estremità si trova il gruppo -COO– detto testa,
che è idrofilo.
A contatto con un tessuto sporco, le code apolari
disperdono le molecole di grasso in acqua.
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7. Esteri, saponi e ammidi
L’azione detergente dei saponi dipende dalla
durezza dell’acqua, cioè dal contenuto di sali di
calcio e magnesio.
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7. Esteri, saponi e ammidi
Gli esteri hanno impieghi industriali di vario interesse
•Esteri dell’acido p-idrossibenzoico (parabens sulle etichette
degli ingredienti): usati come antifermentativi per inibire muffe e
lieviti negli alimenti, nei cosmetici e nei prodotti farmaceutici
•Salicilati: alcuni esteri e sali dell’acido salicilico trovano
impiego come farmaci sia in prodotti analgesici (antidolorifici) sia
come antipiretici (capaci di abbassare la temperatura corporea
•Dacron: poliestere di eccezionale resistenza meccanica; è
ampiamente usato per produrre tessuti e film impiegati come
supporto nei nastri magnetici per la registrazione e la
riproduzione del suono. Tessuti speciali di dacron sono impiegati
in chirurgia per riparare o sostituire tratti di vasi sanguigni
7. Esteri, saponi e ammidi
Le ammidi sono derivati degli acidi carbossilici
molto diffuse in natura (per esempio nelle
proteine).
Nella chimica delle proteine il legame ammidico è
detto legame peptidico
Le molecole delle ammidi sono piuttosto polari
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7. Esteri, saponi e ammidi
Le ammidi vengono classificate in:
• primarie: l’azoto ha un idrogeno sostituito con
un gruppo alchilico R—CO—NH2
• secondarie: l’azoto ha due idrogeni sostituiti
con gruppi alchilici R—CO—NHR
• terziarie: tutti gli idrogeni dell’azoto sono
sostituiti con gruppi alchilici R—CO—NR2
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7. Esteri, saponi e ammidi
La nomenclatura delle ammidi prevede la
sostituzione del suffisso -ammide al nome
dell’acido corrispondente
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7. Esteri, saponi e ammidi
Le ammidi si ottengono facendo reagire i
cloruri degli acidi con ammoniaca NH3:
Il loro gruppo funzionale è:
7. Esteri, saponi e ammidi
NYLON
Nome commerciale usato per designare ogni polimero
sintetico a lunga catena con legami ammidici ripetitivi
capaci di formare fibre.
Il nylon è più resistente alla combustione di quanto lo
siano lana, rayon, cotone o seta ed è resistente agli
attacchi degli insetti. In più non viene attaccato neppure
dalle muffe e dai funghi.
In medicina ha numerose applicazioni nelle tecnologie
chirurgiche; le suture di nylon sono state le prime suture
sintetiche che continuano ad essere comunemente usate
8. Le ammine
Le ammine derivano dall’ammoniaca (NH3) per
sostituzione di uno, due o tutti gli atomi di
idrogeno con altrettanti gruppi alchilici.
Il gruppo funzionale delle ammine è il gruppo
amminico – NH2.
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8. Le ammine
La nomenclatura delle ammine prevede che si
indichino i nomi dei gruppi alchilici legati all’azoto
con la desinenza -ammina.
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8. Le ammine
Per le ammine aromatiche si usano i nomi
correnti, per esempio anilina.
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8. Le ammine
Le ammine primarie e secondarie formano legami
a idrogeno intermolecolari, per cui i loro punti di
ebollizione sono più alti di quelli degli alcani a
uguale massa molecolare.
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8. Le ammine
Le ammine sono composti basici (deboli) in virtù
del doppietto elettronico libero dell’azoto.
Le ammine con pochi atomi di carbonio sono
solubili in acqua.
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8. Le ammine
AMINE DOTATE DI ATTIVITÀ FISIOLOGICA
•Agenti adrenergici: adrenalina (o epinefrina)
e noradrenalina
•Anfetamine
•Cocaina
9. Composti eterociclici
I composti eterociclici sono molecole formate da
anelli caratterizzati dalla presenza di atomi diversi
dal carbonio.
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10.I polimeri di sintesi
I polimeri sono molecole ad alta massa
molecolare costituite da un insieme di gruppi
chimici legati tra loro da legami covalenti.
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10.I polimeri di sintesi
Le unità costituenti i polimeri sono i monomeri
(molecole a basso peso molecolare).
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10.I polimeri di sintesi
I polimeri di addizione derivano molecole di
alcheni che, in presenza di opportuni catalizzatori,
si uniscono tramite reazioni che coinvolgono i
doppi legami.
L’esempio più semplice è il polietilene.
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10.I polimeri di sintesi
I polimeri di condensazione derivano dalla
reazione tra due diversi gruppi funzionali che
eliminano molecole di H2O, H2 o HCl.
Ne sono un esempio il PET e il nylon.
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