Proprietà generali dei composti organici

Origini della chimica organica

L’espressione “chimica organica” fu impiegata per la prima volta nel 1808 dal chimico svedese Jons J. Berzelius, il quale, come gli altri chimici dell’epoca, riteneva che i composti del carbonio potessero essere prodotti solo da organismi viventi animali o vegetali, mediante la forza vitale.
La teoria della forza vitale fu messa in crisi nel 1828, quando il chimico tedesco Friedrich Wohler, riscaldando il composto inorganico cianato d’ammonio NH4CNO, riuscì a sintetizzare una sostanza organica, l’urea CO(NH2)2, del tutto identica a quella presente nelle urine animali.

Importanza dei composti organici

Attualmente, la chimica organica è la parte della chimica che studia i composti del carbonio. Ormai, i composti organici di sintesi fanno parte dell’uso quotidiano: li troviamo per esempio nelle materie plastiche, nelle fibre tessili, nelle vernici, nei farmaci e nei cosmetici.
I composti organici attualmente identificati sono più di dieci milioni e continuamente se ne scoprono o sintetizzano di nuovi: il carbonio è il solo elemento che può formare così tanti composti. L’enorme varietà di molecole organiche è dovuta a una singolare combinazione di proprietà dell’atomo di carbonio:

• Presenza di quattro elettroni nel livello energetico più esterno;

• Piccole dimensioni;

• Elettronegatività di valore intermedio .

Tali caratteristiche consentono all’atomo di carbonio di raggiungere l’ottetto formando quattro legami covalenti stabili con altri atomi di carbonio o con atomi di elementi diversi dal carbonio. In altre parole, il carbonio ha valenza quattro, ovvero è tetravalente.

Ibridazione e legami del carbonio

Nel suo stato fondamentale l’atomo di carbonio ha sei elettroni che si disporranno negli orbitali 1s, 2s e 2p, secondo il principio di Aufbau.

In tale configurazione elettronica l’atomo di carbonio ha solo due orbitali semipieni, contenenti cioè un solo elettrone, e quindi dovrebbe dare origine solo a due legami covalenti.

In realtà, sperimentalmente, si osserva che il carbonio forma principalmente quattro legami. Questo fenomeno si giustifica ammettendo che l’atomo di carbonio, al momento di legarsi con altri atomi, assorba energia dall’esterno e promuova un elettrone dall’orbitale 2s a quello 2p.

A ciò segue il mescolamento di un orbitale s e tre orbitali p a formare quattro orbitali nuovi, chiamati orbitali ibridi sp3.

Gli ibridi sono equivalenti, ossia identici in dimensioni, forma ed energia, ma non in orientazione, e sono diretti verso i vertici di un tetraedro regolare, rendendo minima la repulsione fra di essi.

Caratteristiche del metano e degli alcani

L’ibridazione sp3 è caratteristica del metano (CH4) e dei composti omologhi del metano, ossia costituiti da atomi di carbonio e di idrogeno e contenenti solo legami semplici, noti con il nome di alcani.

I legami presenti nel metano sono tutti identici: covalenti di tipo σ.

Il legame covalente di tipo σ si forma per sovrapposizione frontale degli orbitali, lungo la congiungente dei nuclei degli atomi, di conseguenza risulta un legame molto forte.

Nella molecola dell’etano, il secondo composto della serie degli alcani, ciascun atomo di carbonio forma quattro legami, tutti covalenti di tipo σ. Il legame σ carbonio – carbonio è generato dalla sovrapposizione frontale degli orbitali ibridi sp3 e ha un’energia che lo rende molto forte e stabile.

Legami nell'etene e negli alcheni

Consideriamo la molecola dell’etene, comunemente chiamato etilene, C2H4, in cui gli atomi di carbonio sono legati da un doppio legame. Essa ha sperimentalmente una geometria trigonale planare con angoli di legame di circa 120°. Questa forma può essere spiegata ammettendo per i due atomi di carbonio un’ibridazione sp2.

Dopo la promozione di un elettrone dall’orbitale 2s a quella 2p, l’orbitale 2s e due orbitali 2p del carbonio si mescolano dando tre ibridi sp2, mentre il terzo orbitale 2p rimane puro (non ibridato).

Gli orbitali ibridi sp2 sono equivalenti fra loro, di forma simile a quella degli orbitali sp3, ma diretti verso i vertici di un triangolo equilatero formando angoli di 120°, mentre l’orbitale 2p è perpendicolare a essi.

Nella molecola dell’etene ciascuno dei quattro legami C – H è di tipo σ e si origina dalla sovrapposizione di un orbitale ibrido sp2 dell’atomo di carbonio e dell’orbitale 1s di uno dei quattro atomi di idrogeno; nel legame doppio C = C, un legame è σ e si forma per sovrapposizione dei due orbitali sp2 rimanenti, l’altro è π e nasce dalla sovrapposizione laterale dei due orbitali 2p puri.

Questo tipo di legame risulta più debole rispetto a quello di tipo σ, poiché la sovrapposizione degli orbitali p, che avviene lateralmente, è inferiore a quella degli orbitali ibridi sp2 che formano il legame σ.

Un’altra importante caratteristica strutturale è la rigidità del doppio legame. Per far sì che esista il legame π, i due orbitali p devono essere paralleli tra loro, così che ci sia il massimo grado di sovrapposizione: la rotazione intorno all’asse dei due atomi di carbonio implicherebbe la rottura e la nuova formazione del legame π, richiedendo perciò una quantità troppo elevata di energia.

Gli atomi di carbonio legati da doppio legame presentano ibridazione trigonale in tutti i composti omologhi dell’etene, costituiti da atomi di carbonio e idrogeno e contenenti uno o più doppi legami, detti alcheni.

Struttura dell'etino e degli alchini

La molecola dell’etino, C2H2, in cui è presente un triplo legame fra gli atomi di carbonio, è lineare con angoli di legame di 180°. Si ammette in questo caso un’ibridazione sp del carbonio, ottenuta dal mescolamento dell’orbitale 2s e di un orbitale 2p, presenti nel carbonio dopo la promozione elettronica: ogni atomo di carbonio possiede due orbitali ibridi sp equivalenti, di forma analoga a quella degli ibridi già visti e con angolo di 180°, mentre due orbitali 2p rimangono non ibridati.

Nella molecola dell’etino ciascuno dei legami C – H si origina da un orbitale ibrido sp dell’atomo di idrogeno ed è di tipo σ; nel triplo legame C ≡ C, il legame σ si forma dalla sovrapposizione dei due orbitali ibridi sp rimanenti, mentre i due legami π derivano ciascuno dalla sovrapposizione di due orbitali 2p paralleli.

La lunghezza del triplo legame è inferiore a quella del legame doppio, perché, per garantire la sovrapposizione di carbonio si devono avvicinare maggiormente. In tutti gli omologhi dell’etino, detti alcheni, gli atomi di carbonio legati da triplo legame hanno ibridazione digonale.

Classificazione degli idrocarburi

Gli alcani, gli alcheni e gli alchini sono detti idrocarburi, perché sono costituiti da atomi di idrogeno e di carbonio. In particolare:

• Gli alcani, contenenti solo legami singoli, sono detti idrocarburi saturi

• Gli alcheni e gli alchini, contenenti doppi e tripli legami, sono detti idrocarburi insaturi.