Chimica organica

Corso proprietà dei materiali per l’ottica

Cenni di chimica organica

Introduzione

La chimica organica è lo studio della chimica dei composti del carbonio. Quasi tutti gli elementi della tavola periodica si combinano con il carbonio, pertanto non è facile definire i confini tra chimica organica ed inorganica.

Alcuni testi definiscono la chimica organica come la chimica del legame covalente.

Per capire la struttura delle molecole organiche è necessario studiare la chimica del carbonio e l’ibridazione degli orbitali atomici.

La chimica del carbonio e l’ibridazione di orbitali

Il carbonio ha 6 elettroni e massa atomica pari a 12.

Il carbonio ha tre isotopi:

• ¹²C: Con un’abbondanza relativa del 98.9%
• ¹³C: Con un’abbondanza relativa dell’1.1%
• ¹⁴-¹²C: Con un’abbondanza relativa di circa 10%.

L'isotopo ¹⁴C è usato nella datazione al radiocarbonio.

Nello stato fondamentale la configurazione elettronica è: 1s², 2s², 2p².

Nel primo stato eccitato la configurazione elettronica è: 1s², 2s, 2p³.

Il semplice modello della sovrapposizione degli orbitali atomici non è in grado di dare spiegazioni ragionevoli ad evidenze sperimentali inconfutabili. Un esempio per tutti è la molecola di metano (CH₄). È stato dimostrato sperimentalmente che i quattro legami C-H hanno la stessa energia (416 kJ/mole = 4 eV) ed una geometria tetraedrica (la geometria molecolare è dedotta mediante la diffrazione dei raggi X).

Per spiegare l’esistenza di quattro legami identici ed orientati verso i vertici di un tetraedro, Pauling nel 1928 propose la ibridazione degli orbitali atomici.

L’interazione tra l’orbitale 2s (sferico) e i tre orbitali 2p (ellittici) produce una ibridazione degli orbitali e la formazione di quattro nuovi orbitali, chiamati orbitali sp³.

L’ibridazione è un artefizio matematico (modello) che consente di definire la configurazione delle molecole.

I quattro orbitali ibridi sp³ hanno la direzione dei quattro vertici di un tetraedro. L’angolo formato da queste direzioni è pari a 109.5°.

Questa configurazione è quella che comporta la più bassa repulsione elettrica tra i quattro elettroni.

Nel metano (CH₄) il carbonio presenta ibridazione sp³ e i quattro legami C-H sono identici, cioè hanno la stessa energia di legame. Nel metano ci sono 8 elettroni di valenza, quattro provenienti dal C e uno da ciascuno atomo di H. Anche nelle molecole H₂O e NH₃ vi è l’ibridazione sp³.

L’ibridazione degli orbitali sp³ è osservata anche in altri atomi: l’atomo di ossigeno presenta un’ibridazione sp³ nell’H₂O, l’atomo di azoto nell’NH₃ e l’atomo si zolfo nell’H₂SO₄.

Oltre all’ibridazione sp³, vi sono altri due tipi di ibridazione che coinvolgono gli orbitali s e p, cioè l’ibridazione sp² e sp.

Nella molecola BCl₃ i tre legami B-Cl sono identici e formano un angolo di 120°. Questa configurazione è spiegata con l’ibridazione sp², cioè un orbitale s interagisce con due orbitali p per dare tre nuovi orbitali sp². Il terzo orbitale p rimane inalterato. I tre orbitali ibridi sp² sono complanari e orientati a 120° l’uno rispetto all’altro. Questa configurazione è quella che comporta la repulsione elettrica più bassa.

In queste figure è illustrata l’ibridazione sp² con la formazione di legami σ e π nell’etilene (CH₂=CH₂).

Nella molecola BeF₂, i due legami Be-F sono uguali, e orientati a 180°. Per questa configurazione si è introdotta l’ibridazione sp, cioè un orbitale s interagisce con un orbitale p per dare due nuovi orbitali ibridi sp. I due orbitali ibridi sp formano un angolo di 180°. Anche in questo caso la configurazione lineare degli orbitali ibridi sp è quella che soffre meno la repulsione elettrica.

In queste figure è illustrata l’ibridazione sp con la formazione di legami σ e π nell’acetilene (CH≡CH).

È utile sottolineare che esistono altri tipi di ibridazione che coinvolgono orbitali d; tuttavia noi non siamo interessati a questo tipo di ibridazione perché avviene solo negli elementi pesanti e non nel carbonio che non ha orbitali d occupati a temperatura ambiente.

Alcani

Gli alcani o paraffine o anche idrocarburi saturi sono molecole organiche caratterizzate dalla formula molecolare o grezza (anche bruta) C_nH_2n+2.

Metano

• Per N=1, CH₄
• Per N=2, C₂H₆, etano
• Per N=3, C₃H₈, propano
• Per N=4, C₄H₁₀, butano

In questi composti saturi il carbonio presenta ibridazione sp³. I legami tra gli atomi di carbonio che utilizzano orbitali ibridi sp³ sono detti legami σ.

L’energia di legame media tra gli atomi di carbonio nel legame C-C (legame σ) è di 333 kJ/mole ≃ 3.4 eV. A temperatura ambiente gli alcani sono gassosi con N≤4, liquidi con 5≤N≤16, solidi con N>16.

Esempio di formula molecolare, di struttura e razionale del butano H₄;

Formula molecolare: C₄H₁₀

Formula di struttura:

Formula abbreviata o razionale: CH₃CH₂CH₂CH₃.

Quando un alcano perde un atomo di idrogeno diventa un radicale che prende il nome dell’alcano ma con la desinenza “