Grazie ai gruppi funzionali del carbonio abbiamo una varietà infinita di molecole con caratteristiche differenti, sono i gruppi funzionali del carbonio che arricchiscono catene semplici come quelle degli alcani, per formarne miriadi.

Sostituzione con un idrogeno dei doppi e tripli legami

I primi gruppi funzionali più semplici sono il doppi e i tripli legami tra due carboni, per cui la catena si chiama alchene o alchino.

I doppi legami possono configurarsi Cis (più frequenti) o Trans (più rari):

Doppio legame Cis

Il legame Cis piega o curva la catena.

Ad esempio l’acido oleico ha 18 carboni con un doppio legame in posizione 9 ed è Cis.

Doppio legame Trans

Il legame Trans raddrizza la molecola, la tiene dritta.

Ad esempio l’acido vaccenico ha 18 carboni con un doppio legame Trans in posizione 11.

Ricordo che l’acido stearico ha 18 carboni ed è saturo.

Sostituzione con un alogeno

Gli alogeni: fluoro, cloro (disegno: cloruro di metile), iodio, bromo possono sostituire un atomo di idrogeno, otteniamo gli alogeno-alcani.

Gruppi funzionali del carbonio: alogeni

Il legame carbonio e idrogeno è tra 2 atomi che hanno una elettronegatività simile, per cui gli elettroni di legame sono abbastanza condivisi, non si forma una polarità nella molecola,

ma se l’idrogeno viene sostituito da un alogeno, cambia tutto.

L’alogeno è molto più elettronegativo del carbonio, l’elettrone del carbonio stanzia maggiormente sull’alogeno, la molecola si polarizza.

L’introduzione dell’ossigeno genera importanti gruppi funzionali del carbonio: alcoli, eteri, aldeidi, chetoni, carbossilici.

Sostituzione con l’ossidrile (ossigeno e idrogeno): alcol

Gruppi funzionali del carbonio: alcoli

Se un idrogeno viene sostituito da uno o più ossigeni, otteniamo gli alcoli o gli eteri.

L’alcol ha suffisso OLO.

Sostituzione con un ossigeno che si mette tra due carboni: etere

Gruppi funzionali del carbonio: etere

Nell’etere l’ossigeno è legato a due catene alchiliche.

Sostituzione con un gruppo carbonilico (ossigeno)

Quando il carbonio realizza un doppio legame con l’ossigeno si forma un gruppo carbonilico.

Il gruppo carbonilico è polare, con carica negativa sull’ossigeno e positiva sul carbonio, si formano interazioni dipolo-dipolo, più forti delle forze di London ma più deboli dei legami di idrogeno.

I composti contenenti i gruppo carbonile sono le aldeidi, i chetoni, gli acidi carbossilici, gli esteri, le ammidi e il cloruro acilico.

Aldeidi e Chetoni

Il carbonile all’inizio o alla fine della catena forma un aldeide, il carbonile nel mezzo della catena forma un chetone.

 aldeidi e chetoni

Nell’aldeide il carbonio si lega all’idrogeno, nel chetone a una alifatico.

Il suffisso dell’aldeidi è Ale, del chetone è One, dell’acido carbossilico ICO.

L’aldeide del propano è il propanale o propionaldeide: CH3CH2CHO.

Il chetone del propano è il propanone, o dimetilchetone o acetone: CH3-CO-CH3.

I gruppi carbonilici hanno punti di ebollizione più alti degli alcani corrispondenti ma più bassi degli alcoli con peso molecolare simile.

In acqua l’ossigeno carbonilico forma legami d’idrogeno con l’acqua: succede che le aldeidi e i chetoni con peso basso sono solubili in acqua, ma man mano che si allungano diventano insolubili, per il prevalere del gruppo alchilico idrofobico sul gruppo carbonilico idrosolubile.

Due zuccheri speciali: il glucosio è un’aldeide, il fruttosio è un chetone

il glucosio è un'aldeide, il fruttosio è un chetone

Il glucosio forma una molecola ciclica.

Acido carbossilico

Può essere che nelle aldeidi l’idrogeno venga sostituito da un gruppo ossidrile, si forma un gruppo carbossilico COOH legato a un gruppo alchilico:

Acido carbossilico

Nome: il prefisso deriva dall’alcano corrispondente e il suffisso ICO:

per esempio l’acido carbossilico di un propano è l’acido propanoico o propionico: CH3CH2COOH.

etanoico propanoico

Si formano legami idrogeno, solubili in acqua e in alcuni alcoli, e con temperatura di ebollizione alta.

In acqua l’acido carbossilico può perdere l’idrogeno formando una base coniugata COO-.

Es.: R-COOH + base forte NaOH >< R-COONa sale carbossilato di sodio + H2O.

Gli acidi carbossilici non sono forti come gli acidi inorganici (cloridrico, solforico, nitrico), ma fra gli acidi organici sono i più forti.

Gli acidi carbossilici a catena lunga sono gli acidi grassi alimentari: laurico, palmitico, stearico, miristico.

Estere

estere Gruppi funzionali del carbonio

Se nell’acido carbossilico sostituisco l’idrogeno con un gruppo R ottengo un estere.

Ammide

ammide Gruppi funzionali del carbonio

Se nell’acido carbossilico sostituisco l’ossidrile con un gruppo NH2 ottengo un ammide.

Sostituzione con le ammine (azoto)

Il gruppo NH2 genera diversi gruppi funzionali del carbonio, alla base dei quali ci sono le ammine.

ammine Gruppi funzionali del carbonio
Le ammine sono delle basi, derivati dell’ammoniaca, dove l’idrogeno è stato sostituito da un metile.

Le ammine hanno punto di ebollizione che sta tra alcani e alcoli a parità di massa molecolare.

Le ammine formano legami di idrogeno con l’acqua, per cui sono idrosolubili fino a 6 atomi di carbonio, dal 7° atomo prevale la componente idrofobica alifatica.

Le ammine sono primarie se sostituiscono un solo idrogeno, secondarie se 2 idrogeni, terziarie se sostituiscono 3 idrogeni.

La metilammina è una ammina primaria (CH3)2-NH2

La dimetilammina è una ammina secondaria (CH3)2-NH

La trimetilammina è una ammina terziaria (CH3)3-N

Basicità teorica delle ammine

trimetilammina (CH3)3-N > dimetilammina (CH3)2-NH > metilammina CH3-NH2 > ammoniaca NH3 > acqua H2O

Basicità reale delle ammine

In ambiente acquoso per effetto della solvatazione è più basica la trimetil-N della dimetil-NH:

dimetilammina (CH3)2-NH > trimetilammina (CH3)3-N > metilammina CH3-NH2 > ammoniaca NH3 > acqua H2O

La metilammina è 20 volte più basica dell’ammoniaca.

Amine di cicloalcani

Ci sono ammine dei cicloalcani come la cicloesilammina e le ammine aromatiche come l’anilina:

Sostituzione con il tiolo (zolfo)

Lo zolfo è paragonabile all’ossigeno.

Se al carbonio aggiungo un OH ottengo un alcol, ma se aggiungo un SH ottengo un tiolo.

Tiolo o tiolacoli mercaptani o gruppo solfanile.

Fosfato organico

Un catena carboniosa zuccherina si lega al fosfato organico OPO3H2

fosfato organico

Adenosintrifosfato

Il fosfato organico entra nella formazione dell’ATP, l’adenosintrifosfato, la molecola energetica.

Gruppi funzionali del carbonio

L’ATP è composta da 3 gruppi fosfato che idrolizzando ad ADP sganciano un ac.fosforico e liberano 34-31 kJ o 7,5-7,28 kcal per mole.

Nucleotidi

ll fosfato organico assieme al ribosio (RNA) o al desossiribosio (DNA) e alle basi puriniche o pirimidiniche formano i nucleotidi (monomeri), e quindi gli acidi nucleici: RNA e DNA (polimeri).

Gruppi funzionali del carbonio

Il fosfato si lega al carbonio 5 del ribosio, mentre la base al carbonio 1 del ribosio.