Nomenclatura

Denominazione dei composti organici

Il sempre più grande numero di composti organici identificati per ogni giorno che passa, insieme con il fatto che molti di questi composti sono isomeri di altri composti, richiede che sia sviluppato un sistema metodico di nomenclatura. Proprio come ogni distinto composto ha una struttura molecolare univoca che può essere designata da una formula di struttura, ogni composto deve avere un nome caratteristico ed univoco.
Come la chimica organica cresceva e si sviluppava, alla maggior parte dei composti venivano dati nomi popolari, i quali sono oggi comunemente utilizzati e conosciuti. Alcuni esempi sono:

Nome MetanoButanoAcetoneToluene AcetileneAlcool etilico
Formula CH4C4H10CH3COCH2CH3C6H5C2H2C2H5OH

Tali nomi comuni spesso hanno la loro origine nella storia della scienza e nelle fonti naturali di specifici composti, ma la relazione di questi nomi con ogni altro tipo di denominazione è arbitrario, ed è stato ad essi assegnato in base a nessun principio razionale o sistematico.

L'approccio metodico IUPAC alla nomenclatura

Un sistema razionale di nomenclatura dovrebbe fare almeno due cose. Prima, essa dovrebbe indicare come gli atomi di carbonio di un dato composto sono legati insieme in un reticolo caratteristico di catene ed anelli. Seconda, essa dovrebbe identificare e localizzare qualsiasi gruppo funzionale presente nel composto. Dal momento che l'idrogeno è un componente tanto comune nei composti organici, la sua quantità e la sua posizione può essere desunta dalla tetravalenza del carbonio, e nella maggior parte dei casi non vi è bisogno che sia specificata.
Il sistema di nomenclatura IUPAC è un insieme di regole logiche progettato ed utilizzato in chimica organica per evitare i problemi causati da nomenclature arbitrarie. Conoscendo queste regole e data una formula di struttura, si dovrebbe essere capaci di scrivere un nome univoco per ogni distinto composto. Parimenti, dato un nome IUPAC, si dovrebbe essere capaci di scrivere una formula di struttura. In generale, un nome IUPAC avrà tre caratteristiche essenziali:

•  Una radice o base indicante una catena o un anello di atomi di carbonio più importante individuato nella struttura molecolare.
•  Un suffisso o altro elemento/i indicante gruppi funzionali che possono essere presenti nel composto.
•  Nomi di gruppi sostituenti, diversi dall'idrogeno, che completano la struttura molecolare.

Come introduzione al sistema di nomenclatura IPAC, considereremo prima i composti che non hanno gruppi funzionali particolari. Tali composti sono costituiti solo da atomi di carbonio e idrogeno legati insieme da legami sigma (tutti i carboni sono ibridizzati  sp3).

Una eccellente presentazione della nomenclatura organica è fornita dal sito Nomenclature Page creata da Dave Woodcock. E' anche disponibile una completa una presentazione completa delle regole IUPAC su IUPAC Rules.

Alcani

Alcani

Gli idrocarburi che non hanno gruppi funzionali di doppi e tripli legami sono classificati come alcani o cicloalcani, a seconda se gli atomi di carbonio della molecola sono disposti solo in catene o anche in anelli. Sebbene questi idrocarburi non hanno gruppi funzionali, essi costituiscono la struttura su cui sono situati gruppi funzionali costituendo altre classi di composti, e forniscono un ideale punto di partenza per lo studio e la designazione dei composti organici. Gli alcani e i cicloalcani sono anche membri di una più vasta classe di composti a cui si fa riferimento con il nome di alifatici. Per farla breve, i composti alifatici sono composti che non incorporano alcun anello aromatico nella loro struttura molecolare.
Le seguenti tabelle elencano i nomi IUPAC assegnati a semplici alcani a catena continua con un numero di atomi di carbonio da 1 a 10. Un suffisso comune "ano" identifica come alcani questi composti. Alcani a catena più lunga sono ben conosciuti, ed i loro nomi può essere trovato in molti libri di consultazione e di testo. I nomi dal metano fino al decano dovrebbero essere imparati a memoria, dal momento che essi costituiscono la base di molti nomi IUPAC. Fortunatamente, comuni prefissi numerici sono adoperati nella denominazione di catene con cinque o più atomi di carbonio.

NomeFormula
molecolare		Formula di
struttura		IsomeriNomeFormula
molecolare		Formula di
struttura		Isomeri
metanoCH4CH41esanoC6H14CH3(CH2)4CH35
etanoC2H6CH3CH31eptanoC7H16CH3(CH2)5CH39
propanoC3H8CH3CH2CH31ottanoC8H18CH3(CH2)6CH318
butanoC4H10CH3CH2CH2CH32nonanoC9H20CH3(CH2)7CH335
pentanoC5H12CH3(CH2)3CH33decanoC10H22CH3(CH2)8CH375

Alcune importanti tendenze di comportamento e di terminologie: 

  (i)   Le formule e le strutture di questi alcani aumentano uniformemente con incrementi di unità CH2.
 (ii)   I composti di una serie con questo tipo di variazione uniforme sono denominati omologhi.
(iii)   Queste formule concordano tutte con la regola CnH2n+2. Questo è anche il più alto rapporto possibile H/C per un idrocarburo stabile.
(iv)   Dal momento che il rapporto H/C in questi composti è il massimo, sono detti saturi (con l'idrogeno).

A cominciare dal butano (C4H10), notiamo l'esistenza di isomeri degli alcani che diventano più numerosi con gli alcani più grandi. Per esempio, ci sono cinque isomeri del C6H14, appresso mostrati con formule abbreviate a linee (da A a E):

Sebbene questi distinti composti hanno tutti la stessa formula molecolare, solo uno (A) può essere chiamato esano. Come possiamo allora designare gli altri?

Il sistema IUPAC richiede prima che noi diamo un nome alle semplici catene senza diramazioni, come precedentemente stabilito, e secondo che nominiamo i semplici gruppi alchilici uniti alle catene. Esempi di alcuni comuni gruppi alchilici sono dati nella tavola seguente. Notare che il suffisso "ano" è sostituito da "ile" o "il" nella denominazione dei gruppi. Il simbolo R è usato per designare un generico (non specificato) gruppo alchilico. 

Gruppo  CH3–   C2H5–   CH3CH2CH2–   (CH3)2CH–   CH3CH2CH2CH2–   (CH3)2CHCH2–   CH3CH2CH(CH3)–   (CH3)3C–   R– 
Nome Metil(e)  Etil(e) Propil(e)  Isopropil(e) Butil(e) Isobutil(e)  sec-Butil(e)  tert-Butil(e)    Alchil(e)  

Regole IUPAC per la nomenclatura degli alcani

 1.   Trovare e denominare la catena continua di atomi di carbonio.
 3.   Numerare la catena in maniera consecutiva, cominciando dall'estremità più vicina ad un gruppo sostituente.
 4.   Designare il il luogo di gruppo sostituente con un numero ed un nome appropriato.
 5.   Assemblare il nome, elencando i gruppi in ordine alfabetico.

I prefissi di, tri, tetra ecc., usati per designare diversi gruppi dello stesso tipo, non sono da considerare durante l'elencazione in     ordine alfabetico.

Per i precedenti isomeri dell'esano, i nomi IUPAC sono:    B  2-metilpentano    C  3-metilpentano
    D  2,2-dimetilbutano    E  2,3-dimetilbutano

I sostituenti alogeni sono adattati facilmente, usando i nomi: fluoro (F-), cloro (Cl-), bromo (Br-) e iodio (I-). Per esempio, (CH3)2CHCH2CH2Br dovrebbe essere denominato 1-bromo-3-metilbutano. Se l'alogeno è legato ad un semplice gruppo alchilico può essere usato un nome alternativo del tipo "alchil alogenuro". quindi, C2H5Cl può essere chiamato cloroetano (nessun numero di localizzazione è richiesto per una catena a due atomi di carbonio) oppure etil cloruro (o cloruro di etile).   

Per studiare altri esempi di come queste regole siano utilizzate per la denominazione degli alcani ramificati, e di alcune sotto-regole della nomenclatura   .

 


Cicloalcani

Cicloalcani

I cicloalcani hanno uno o più anelli di atomi di carbonio. I più semplici esempi di questa classe consiste in un singolo, non sostituito anello di carbonio, e questo forma una serie omologa simile agli alcani non ramificati. I nomi IUPAC dei primi cinque membri di questa serie sono forniti nella tavola seguente. L'ultima colonna (ombreggiata in giallo) fornisce la formula generale di un cicloalcano di qualunque dimensione. Se un semplice alcano non ramificato è trasformato in un cicloalcano, due atomi d'idrogeno, uno da ognuna delle estremità della catena, vengono perduti. Da ciò la formula generale per un cicloalcano composto di n atomi si carbonio è CnH2n.

Esempi di semplici cicloalcani

Nome Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohesano Cicloeptano Cicloalcano
Formula
molecolare 		C3H6 C4H8 C5H10 C6H12 C7H14 CnH2n
Formula di
Struttura 		(CH2)n
Formula
a linee

I cicloalcani sostituiti sono denominati in un modo molto simile a quello utilizzato per la denominazione degli alcani ramificati. La principale differenza delle regole e delle procedure si trova nel sistema di numerazione. Dal momento che tutti gli atomi di carbonio in un anello sono equivalenti (un anello non ha estremità come una catena), La numerazione ha inizio dall'atomo sostituito dell'anello.

Regole IUPAC per la nomenclatura dei cicloalcani

 1.   Per un cicloalcano monosostituito, l'anello fornisce il nome di base (tavola sotto) ed il gruppo sostituente è denominato nella maniera solita. Non è necessario un numero di localizzazione.
 2.   Se il sostituente alchilico è grande e/o complesso, l'anello può essere denominato come gruppo sostituente di un alcano.
 3.   Se due differenti sostituenti sono presenti sull'anello, essi vanno elencati in ordine alfabetico, ed al primo sostituente citato va assegnato al carbonio 1. La numerazione degli atomi di carbonio allora continua in una direzione (senso orario o antiorario) tale che il secondo sostituente abbia il numero di localizzazione più basso possibile.
 4.   Se sull'anello sono presenti parecchi sostituenti, essi sono elencati in ordine alfabetico. I numeri di localizzazione sono assegnati ai sostituenti in modo tale che ad uno di essi sia assegnato al carbonio 1 e i numeri più bassi possibili agli altri sostituenti, continuando in una o l'altra delle direzioni oraria o antioraria.
 5.   Il nome va assemblato, elencando i gruppi in ordine alfabetico e dando ad ogni gruppo (se ve ne sono due o più) un numero di localizzazione. I prefissi di, tri, tetra, ecc. non vanno considerati per l'ordinamento alfabetico.

Per accedere ad esempi di come queste regole siano usate nella denominazione dei cicloalcani .

Piccoli anelli, come anelli a tre o quattro membri, hanno significativi angoli di sforzo risultanti dalla distorsione degli angoli del legame sp3 del carbonio da quello ideale di 109.5º a 60º e 90º rispettivamente. Questo angolo di sforzo spesso esalta la reattività chimica di tali composti, conducendo verso prodotti di scissione degli anelli. E' importante anche riconoscere che, con l'eccezione del ciclopropano, gli anelli cicloalchilici non sono planari (piatti). Le forme tridimensionali assunte dai comuni anelli (specialmente il cicloesano e gli anelli più grandi) sono descritte e discusse nella Sezione di analisi conformazionale.

Gli idrocarburi aventi più di un anello sono comuni, e ad essi ci si riferisce come composti biciclici (due anelli), triciclici (tre anelli) ed in generale, policiclici. Le formule molecolari hanno rapporti H/C che decrescono con il numero degli anelli. In generale, per un idrocarburo composto da n atomi di carbonio associati ad m anelli la formula è: CnH(2n + 2 - 2m). La relazione strutturale degli anelli in composto policiclico può variare. Essi possono essere separati ed indipendenti, o possono condividere uno o due atomi in comune. Alcuni esempi di queste possibili configurazioni sono mostrati nella tavole seguente.

Esempi di isomeri bicicloalcani C8H14

Anelli isolati Spirani Anelli fusi Anelli a ponte
Nessun atomo in comune Un atomo in comune Un legame in comune Due atomi in comune


Problemi pratici



Alcheni e alchini

Alcheni e alchini

Alcheni e alchini sono idrocarburi aventi gruppi funzionali rispettivamente con doppio legame carbonio-carbonio e con triplo legame carbonio-carbonio. Le formule molecolari di questi idrocarburi insaturi riflettono i legami multipli dei gruppi funzionali:

Alcano R–CH2–CH2–R CnH2n+2 Questo è il massimo rapporto H/C per una dato numero di atomi di carbonio.
Alchene R–CH=CH–R CnH2n Ogni doppio legame riduce il numero di atomi d'idrogeno di 2 unità.
Alchino R–C≡C–R CnH2n-2 Ogni triplo legame riduce il numero di atomi d'idrogeno di 4 unità.

Come prima osservato nella sezione Analisi delle formule molecolari, la formula molecolare di un idrocarburo fornisce informazioni circa i possibili tipi strutturali che essi rappresentano. Per esempio, consideriamo i composti aventi la formula C5H8. La formula dell'alcano pentano a cinque atomi di carbonio è C5H12 così la differenza degli atomi d'idrogeno contenuti è 4. La differenza suggerisce che tali composti possano avere un triplo legame, due doppi legami un anello più un doppio legame, o due anelli. Alcuni esempi sono qui mostrati, e ve ne sono almeno altri quattordici!

Regole IUPAC per la nomenclatura di alcheni e cicloalcheni

 1.   Il suffisso ene (finale) indica un alchene o un cicloalchene.
 2.   La catena più lunga scelta per il nome di base deve includere entrambi gli atomi di carbonio del doppio legame.
 3.   La catena di base deve essere numerata dall'estremità più vicina ad un atomo di carbonio del doppio legame. Se il doppio legame è nel centro della catena, si utilizza la regola del sostituente più vicino per determinare l'estremità da dove inizia la numerazione.
 4.   Il più piccolo dei due numeri che designa gli atomi di carbonio del doppio legame va utilizzato per localizzare il doppio legame. Se è presente più di un doppio legame, il composto è denominato diene, triene o con un prefisso equivalente indicante il numero dei doppi legami, e ad ogni doppio legame va assegnato un numero di localizzazione.
 5.   Nei cicloalcheni agli atomi di carbonio del doppio legame vanno assegnati sull'anello i numeri di localizzazione 1 e 2. A quale dei due si assegnerà il numero 1 potrà essere determinato dalla regola del sostituente più vicino.
 6.   Gruppi sostituenti contenenti doppi legami sono:
            H2C=CH–   Gruppo vinilico (vinile)
            H2C=CH–CH2–   Gruppo allilico (allile)

Regole IUPAC per la nomenclatura di alchini

 1.   Il suffisso ino (finale) indica un alchine o un cicloalchino.
 2.   La catena più lunga scelta per il nome di base deve includere entrambi gli atomi di carbonio del triplo legame.
 3.   La catena di base deve essere numerata dall'estremità più vicina ad un atomo di carbonio del triplo legame.  Se il triplo legame è nel centro della catena, si utilizza la regola del sostituente più vicino per determinare l'estremità da dove inizia la numerazione.
 4.   Il più piccolo dei due numeri che designa gli atomi di carbonio del triplo legame va utilizzato per localizzare il triplo legame.
 5.   Se sono presenti diversi legami multipli, ad ognuno deve essere assegnato un numero di localizzazione. I doppi legami precedono i tripli legami nel nome IUPAC, ma la catena è numerata dall'estremità più vicina ad un legame multiplo, senza riguardo per la specie.
 6.   Poiché il triplo legame è lineare, esso può solo essere ospitato in anelli con più di dieci atomi di carbonio. Nei semplici cicloalchini agli atomi di carbonio del triplo legame sono assegnati sull'anello i numeri di lozalizzazione 1 e 2. A quale dei due si assegnerà il numero 1 potrà essere determinato dalla regola del sostituente più vicino.
 7.   Gruppi sostituenti contenenti tripli legami sono:
            HC≡C–   Gruppo etinilico (etinile)
            HC≡CH–CH2–   Gruppo propargilico (propargile)

Per gli esempi di come queste regole siano usate nella denominazione di alcheni, alchini ed analoghi ciclici .

 


Derivati del benzene

Derivati del benzene

La nomenclatura dei composti di sostituzione dell'anello benzenico è meno sistematica di quella degli alcani, alcheni e alchini. Pochi composti monosostituiti sono denominati usando un nome di un gruppo quale prefisso a "benzene", come mostrato dall'elenco seguente di nomi combinati. Alla maggior parte di questi composti, tuttavia, ci si riferisce con nomi particolari che sono univoci. Non esiste una alternativa semplice per imparare a memoria in studi di approfondimento questi nomi.  

Due gruppi sostituenti incontrati comunemente che incorporano un anello benzenico sono i fenili, e i benzili. Questi sono qui mostrati con esempi del loro uso. Bisogna essere attenti a non confondere un gruppo fenile con il composto fenolo. Una notazione generale ed utile, complementare all'uso di R- per un gruppo alchilico, è Ar- per un gruppo arilico (qualunque anello aromatico).

Quando è presente più di un sostituente su un anello benzenico, le localizzazioni relative dei sostituenti possono essere designate numerando gli atomi di carbonio dell'anello o attraverso qualche altra notazione. Nel caso di benzeni bisostituiti, sono comunemente utilizzati i prefissi orto, meta e para rispettivamente una relazione 1,2- o 1,3- o 1,4-. Negli esempi seguenti, la prima riga di composti mostra questo uso in colore rosso. Alcuni tolueni disostituiti hanno nomi particolari (per es. xilene, cresolo e toluidina) ed i loro isomeri sono normalmente designati dai prefissi orto-, meta- o para-. Pochi benzeni bisostituiti hanno nomi particolari assegnati ad isomeri specifici (ad es. acido salicilico e resorcinolo). Infine, se vi sono tre o più gruppi sostituenti, l'anello è numerato in maniera tale da assegnare ai sostituenti i numeri più piccoli possibili, come illustrato dall'ultima riga degli esempi. I sostituenti sono elencati nel nome finale in ordine alfabetico. Se la sostituzione è simmetrica (terzo esempio dalla sinistra) la numerazione corrisponde all'ordine alfabetico.



Problemi ed esercizi

Sono qui presentate sette domande riguardanti la nomenclatura.


Indice generale