Chimica organica - prima parte

Chimica organica

Studia i composti del carbonio con idrogeno e gli eteroatomi (O, N, alogeni, S). Il carbonio da solo forma più composti di tutti gli altri elementi ed è l'elemento chiave dei composti naturali.

Ibridazione

Il carbonio forma due legami covalenti perché ha solo due elettroni spaiati. Lo stato fondamentale del carbonio C = CH è una specie esistente ma estremamente reattiva. Due legami più semplici che il carbonio forma con l'idrogeno sono possibili grazie alla promozione elettronica e alla conseguente ibridazione.

Nello stato eccitato del carbonio C*, fornendo energia, un elettrone si sposta dall'orbitale 2s a quello 2p, così da avere quattro orbitali con un elettrone ciascuno. Il carbonio diventa tetravalente, quindi può formare quattro legami, ma non basta. I quattro orbitali con un elettrone singolo devono avere lo stesso livello energetico: un orbitale s si deve ibridare con tre p, formando legami molecolari (per sovrapposizione di orbitali s e p) con massima densità elettronica lungo la congiungente dei nuclei.

Caratteristiche del metano

Forma angoli tetraedrici con le molecole di idrogeno: il carbonio sta al centro di un tetraedro ai cui vertici stanno gli idrogeni. La lunghezza di legame è uguale per tutti i legami. La forza di legame è l'energia necessaria per scindere un legame in modo omolitico, cioè ciascun legame si spezza ma ogni atomo mantiene l'elettrone che aveva messo in compartecipazione. Si mescolano gli orbitali 2s e 2p per l'ibridazione sp³: C*, formando orbitali sp³ (1s + 3p).

Sono orbitali degeneri (hanno stessa forza) che si trovano a un livello energetico intermedio tra s e p. Hanno 1/4 di caratteristiche s e 3/4 p. L'orbitale direzionale usa il lobo maggiore per formare legami con l'idrogeno. I lobi maggiori puntano ai vertici di un tetraedro, formando quattro legami covalenti tipici del metano.

Ibridazione sp²

Gli orbitali sp² hanno 1/3 di carattere s e 2/3 p. La forma è simile a quella dell'orbitale sp³, ma il lobo risulta più corto perché "carattere s" vuol dire forma sferica più vicina al nucleo. L'etilene è una molecola in cui il carbonio ha ibridazione sp² con un doppio legame C=C.

I legami sono complanari, formando una molecola planare. L'orbitale 2p è ortogonale rispetto agli orbitali sp². Il legame è meno forte perché la sovrapposizione laterale impedisce una densità elettronica massima.

Caratteristiche dell'etilene e dell'etano

• Lunghezza del doppio legame: più corto e forte del singolo ma non il doppio
• Si stima che la componente valga 65 kcal/mol
• Nell'etilene il legame C-H è un po' più corto che nell'etano perché l'orbitale ibrido è sp² (più sferico)

Ibridazione sp

Con l'ibridazione sp, il lobo maggiore è ancora più corto di quello di sp² e sp³ perché il carattere s è più presente e dona sfericità. Quando il carbonio è ibridato sp produce molecole planari. Le caratteristiche dell'etino (acetilene) includono legami sulla stessa retta, formando una molecola planare. La sovrapposizione genera il primo legame; avvicinando due atomi di idrogeno si formano altri due legami.

• Lunghezza triplo legame C=C: 1,2 Å
• Forza di legame C=C: 200 kcal/mol

Ibridazione di altre molecole

Ammoniaca NH₃: 4 orbitali ibridati sp³, non 109° perché N non forma 4 legami covalenti ma 3 covalenti e 1 doppietto non condiviso, che respinge i due H vicini "schiacciandoli".

Acqua H₂O: angolo di repulsione dei doppietti elettronici maggiore che nell'ammoniaca.

Berillio: sembra non in grado di formare legami covalenti, ma nel BeCl₂ il Be forma due legami con Cl per ibridazione sp che comporta la promozione elettronica di un elettrone dal 2s al 2p.

Boro: 3 orbitali sp². Nello stato fondamentale potrebbe formare solo 1 legame, ma possiede un orbitale vuoto e funge da accettore di doppietto elettronico.

Gruppi funzionali

Il gruppo funzionale è un gruppo di atomi che conferisce particolari proprietà chimico-fisiche. Negli alcheni, il gruppo funzionale è rappresentato dal doppio legame C=C (etilene). Negli alchini, il gruppo funzionale è rappresentato dal triplo legame C-C.

Idrocarburi

I composti che il carbonio forma esclusivamente con l'idrogeno sono divisi in:

Alifatici

• Alcani (metano): più ricchi di H, detti idrocarburi saturi in H (massimo contenuto di H possibile)
• Alcheni (etilene): meno ricchi in H, detti insaturi (non hanno quantità massima di H)
• Alchini (acetilene)
• Cicloalcani

Le proprietà fisiche degli idrocarburi alifatici sono abbastanza simili, ma la struttura e le proprietà chimiche sono molto diverse.

Aromatici

Benzene: caratterizzati dall'essere formati solo da carbonio ibridato sp³, saturo e che forma solo legami semplici, detti paraffine per la loro apparente inerzia chimica.

Nomenclatura

Esempi di nomenclatura degli alcani:

• Metano
• Etano
• Propano
• Butano
• Petano
• Esano
• Eptano
• Ottano/nonano/decano...

Isomeria

A partire dal butano, si possono avere molecole uguali ma formate dagli stessi atomi:

• n-butano (normal-butano)
• Isobutano

Gli isomeri possono essere strutturali o costituzionali, avendo la stessa formula bruta, ma differente disposizione spaziale di atomi o gruppi di atomi (stereoisomeri). L'ibridazione sp³ del carbonio influenza profondamente la forma e la reattività degli alcani. Il carbonio è detto primario, secondario, terziario o quaternario a seconda che si leghi con 1, 2, 3 o 4 atomi di carbonio.

Gruppo alchilico (R)

Il gruppo alchilico è un frammento di molecola che serve solo ai fini della nomenclatura (è un alcano privo di un H). Nella nomenclatura IUPAC, il suffisso -ano nel nome del rispettivo alcano è sostituito con -ile: metano/metile, etano/etile, propano/propile, butano/butile.

Regole di nomenclatura

• Individuare la catena più lunga (detta principale) di atomi di carbonio (il numero di carbonio dà il nome principale)
• Individuare e denominare i gruppi sostituenti. La catena deve essere numerata in modo che il sostituente sia legato al carbonio con numero più basso possibile.
• Se nella catena ci sono più sostituenti, si numera in modo che il nome del composto abbia numeri progressivi.
• I sostituenti sono elencati in ordine alfabetico e sono preceduti dal relativo numero. Se due o più sostituenti sono uguali, sono preceduti dal prefisso di quantità.