Chimica del carbonio - Teoria dell'ibridazione

Chimica del carbonio - Teoria dell'ibridazione

Un composto organico è un composto in cui uno o più atomi di carbonio sono uniti tramite legame covalente ad atomi di altri elementi. La chimica organica si basa sui legami del carbonio. Gli atomi di carbonio hanno la capacità di legarsi tra loro e con atomi di ossigeno e idrogeno, formando catene carboniose. Il C (carbonio) ha 4 elettroni di valenza e può formare 4 legami, ha elettronegatività intermedia (2,5), non cede e non acquista elettroni, ma li condivide con altri atomi. L’isomeria è il fenomeno per il quale le catene carboniose assumono configurazioni diverse.

Per giustificare questa varietà occorre fare riferimento alla teoria dell'ibridazione degli orbitali.

Il carbonio ha configurazione elettronica 1s2 2s2 2p2.

Allo stato fondamentale possiede solo due elettroni di valenza, ma alla formazione dei legami assorbe una quantità di energia che rende possibile il passaggio di un elettrone dal sottolivello 2s al sottolivello 2p: da questa configurazione si può dare origine a tre tipi di ibridazione: alcani, alcheni, alchini.

Alcani: ibridazione sp3

L'orbitale S e i tre orbitali p formano quattro ibridi sp3 identici: i 4 orbitali prendono forma di un tetraedro regolare, con distanza angolare 109,5. Il legame più semplice è quello del metano, mentre quello più complesso riguarda la molecola dell'etano e del propano: 1) due atomi di carbonio formano un legame covalente omopolare; 2) un atomo di carbonio centrale si unisce con due altri atomi di carbonio per mezzo di legami omopolari.

Alcheni: ibridazione sp2

L'orbitale S e due dei tre orbitali P si mescolano e formano tre orbitali ibridi sp2 identici. I tre orbitali ibridi formano tra loro angoli di 120° secondo una forma triangolare piana. L'orbitale P di ciascun atomo di carbonio non coinvolto nell'ibridazione si dispone perpendicolarmente al piano formato da tre orbitali ibridi sp2.

Ciò che accade nella molecola dell’etene, in cui il doppio legame C=C si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra 2 orbitali sp2 e alla sovrapposizione laterale tra i due orbitali p non coinvolti. Ciascun legame C-H lo si ottiene dopo la sovrapposizione di un orbitale sp2 del C e dell'orbitale s di ciascun atomo di idrogeno.

Alchini: ibridazione sp

L'orbitale S e uno dei tre orbitali p formano due orbitali ibridi sp identici. I due orbitali ibridi sp si dispongono a 180° l'uno rispetto all'altro. Gli orbitali p non coinvolti nell'ibridazione sono disposti perpendicolarmente tra loro e sono perpendicolari ai due orbitali ibridi sp.

Presentano ibridazione sp gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente triplo (-C≡C-), come ad esempio nella molecola dell’etino HC≡CH. Il triplo legame -C≡C- si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra due orbitali ibridi sp e alla sovrapposizione laterale tra le due coppie di orbitali p non coinvolti nell'ibridazione.

La molecola del benzene

La molecola del benzene C6H6 è il maggior esemplare degli idrocarburi aromatici, per il quale Kekulé propose 2 strutture ad anello esagonale con 3 doppi legami alternati. Ma il modello fu solo una prima intuizione, poiché le caratteristiche del benzene furono risolte grazie alla teoria degli orbitali.

Gli atomi di carbonio della catena del benzene sono ibridati sp2 e si uniscono tra di loro e all’idrogeno grazie a dei legami σ. I sei elettroni rimasti sovrappongono i propri orbitali p a formare un’unica nube elettronica distribuita sull’intera molecola. Il risultato è un legame π molto stabile in cui gli elettroni sono condivisi tra tutti gli atomi di carbonio, situazione che prende il nome di delocalizzazione elettronica.

Tuttavia il comportamento chimico del benzene differisce da quello di una molecola con tre legami doppi alternati e tre semplici. Questa difficoltà fu risolta con la teoria della risonanza di Pauling, secondo la quale molte molecole si possono descrivere attraverso l’insieme di 2 o più formule di Lewis, nelle quali ogni elettrone è localizzato in un legame.

Composti ciclici e aciclici

Composti aciclici: sono formati da catene lineari di atomi di carbonio, che possono essere ramificate o non ramificate.

Composti carbociclici: costituiti da 1 anello di atomi di carbonio o da più anelli uniti tra loro. Gli anelli possono avere forme e dimensioni diverse, possono essere legati a catene di atomi di carbonio, contenere legami multipli.

Composti eterociclici: sono quegli anelli in cui almeno un atomo è diverso dal C, un eteroatomo. Gli eteroatomi più comuni sono l'ossigeno, l'azoto e lo zolfo.

Effetto induttivo e sostituenti

L'effetto induttivo è la capacità che un atomo o un gruppo funzionale ha di stabilizzare o destabilizzare una molecola, un radicale o uno ione tramite la propria elettronegatività. Può essere di tipo attrattivo, quando viene esercitata da un atomo più elettronegativo del C, o repulsivo, nel caso contrario.

Sostituenti: tutti gli atomi o i gruppi di atomi legati ad un atomo di C sono così denominati poiché uniti nel C in sostituzione di un atomo di idrogeno.

Nelle reazioni eterolitiche hanno una funzione importante i carbanioni, un anione la cui carica negativa è localizzata su 1 atomo di C, e i carbocationi, un catione la cui carica positiva è localizzata su 1 atomo di C.

Le 5 reazioni organiche

• Addizioni: si verificano quando due reagenti si addizionano per formare un nuovo composto. In base al loro meccanismo possono essere distinte in elettrofile e nucleofile: 1) il reagente organico viene attaccato dalla parte elettrofila del secondo reagente per formare un carbocatione al quale si lega l'altra parte del secondo reagente; 2) il substrato viene attaccato dalla parte nucleofila del reagente per formare un anione che successivamente acquista un protone. L'addizione nucleofila è la reazione del gruppo carbonilico.
• Eliminazioni: si verificano quando un singolo reagente si trasforma in 2 prodotti di reazione, cosa che può portare alla formazione di un doppio legame oppure triplo, ma può produrre anche una molecola ciclica.
• Sostituzioni: si verificano quando due reagenti si scambiano alcuni dei loro costituenti in modo da dare due nuovi composti come prodotti di reazione. Possono essere radicaliche, nucleofile o elettrofile. Le prime sono reazioni che si verificano tra alcani e cloro in presenza di luce ultravioletta, che porta alla formazione di alogeno. Le seconde comportano la sostituzione di un gruppo legato a un atomo di carbonio con carica positiva da parte di un nucleofilo. Si possono distinguere tre casi: il primo è la sostituzione su un atomo di C saturo, che rappresenta la reazione caratteristica di alogenuri e alcoli; il secondo è la sostituzione sull’atomo di C di un gruppo carbonilico; il terzo è la sostituzione su un atomo di carbonio di un anello benzenico. Le reazioni elettrofile comportano la sostituzione con un gruppo elettrofilo di un gruppo legato a un atomo di carbonio con carica parzialmente negativa.
• Riarrangiamenti: si verificano quando un singolo reagente subisce una riorganizzazione dei suoi legami e dei suoi atomi per dare una sola struttura isomerica. Gli isomeri sono due molecole con la stessa composizione chimica che differiscono nella formula di struttura.
• Ossid- riduzioni: varia il numero di ossidazione del C e quello degli altri atomi. Nei composti organici devono essere eseguite delle regole per attribuire il numero di ossidazione al carbonio: non si prendono in considerazione legami con uguale elettronegatività; nei legami tra atomi di carbonio e atomi diversi si assegna a questi ultimi il segno - se sono più elettronegativi del carbonio, il +; l'atomo di carbonio può avere un numero di ossidazione nullo.