Fenoli, tioli, eteri ed epossidi

Fenoli

Fenoli sono quei composti in cui uno o più gruppi ossidrilici (–OH) sono legati direttamente a un carbonio dell'anello aromatico di benzene. Il composto di base di questo gruppo è il fenolo (C₆H₅OH), derivato dal benzene per sostituzione di un atomo di idrogeno con il gruppo –OH; gli altri vengono in genere denominati come derivati di questo termine.

Classificazione e caratteristiche

Molti hanno nomi particolari come metil fenoli, detti cresoli, o i difenoli, come catecolo, resorcinolo o idrochinone. Il fenolo e i termini più semplici sono liquidi o solidi basso-bollenti incolori.

Il fenolo è moderatamente solubile in H₂O (→ disinfettante), per l'instaurarsi di legami idrogeno tra le sue molecole e quella dell'acqua. I termini più complessi hanno stabilità in acqua variabile.

Proprietà chimiche

Tutte le volte che l’-OH è presente in una molecola assieme a gruppi che abbiamo priorità ai fini della nomenclatura, viene considerato un sostituente.

Acido di Lewis e base di Lewis

• Acido di Lewis: specie che può formare un nuovo legame covalente accettando una coppia di elettroni.
• Base di Lewis: specie che può formare un nuovo legame covalente donando una coppia di elettroni.

Proprietà chimiche di alcoli e fenoli

Alcoli e fenoli si possono comportare sia da basi (deboli) che da acidi (deboli), hanno un comportamento anfotero. La basicità è dovuta ai doppietti non condivisi sull’ossigeno, il quale può legare un protone proveniente da un acido qualsiasi.

• Come basi (di Lewis):
• Come acidi (di Lewis):

Gli alcoli sono anche acidi deboli, infatti possedendo un gruppo ossidrile si dissociano in modo del tutto analogo all’acqua. I fenoli sono più acidi degli alcoli a causa della delocalizzazione per risonanza della carica negativa che stabilizza lo ione fenossido rispetto allo ione alcossido.

Reazioni degli alcoli

Disidratazione ad alcheni

Gli alcoli possono essere disidratati per riscaldamento in presenza di un acido forte. È l’inverso dell’idratazione ed è un processo di eliminazione.

Reazione con gli acidi alogenidrici

Gli alcoli reagiscono con gli acidi alogenidrici (HCl, HBr, HI) per dare alogenuri alchilici, un meccanismo di sostituzione nucleofila.

• Gli alcoli primari reagiscono molto lentamente (S_N2).
• I secondari con velocità intermedia (S_N1).
• I terziari più velocemente (S_N1).

I fenoli non subiscono reazioni di S_N o di E.

Ossidazione degli alcoli ad aldeidi, chetoni e acidi carbossilici

Gli alcoli che hanno almeno un H legato al C portante il gruppo -OH, possono essere ossidati a composti carbonilici.

• Alcoli primari: si ottengono le aldeidi, che possono essere ossidate ulteriormente ad acidi carbossilici.
• Alcoli secondari: si ottengono i chetoni.
• Alcoli terziari: non avendo un atomo di idrogeno sul carbonio che porta l’ossidrile non danno ossidazione di questo tipo.

Anche nel corpo umano avvengono reazioni simili, ad opera di particolari enzimi e di un coenzima complesso, il NAD (Nicotidamide Adenina Dinucleotide).

L’ossidazione dell’etanolo ad acido acetico con dicromato di potassio è alla base dell’originale saggio di controllo dell’alcool nell’alito.

Ossidazione dei fenoli

I fenoli sono facilmente ossidabili; quando restano esposti all’aria diventano molto scuri, in quanto si formano prodotti di ossidazione. Nel caso dell’idrochinone la reazione può essere facilmente controllata per ottenere il chinone o benzochinone.

• Idrochinone e derivati vengono usati nei processi di sviluppo fotografico, in quanto riducono lo ione Ag⁺ delle zone non impressionate ad Ag metallico, ossidandosi a loro volta in chinoni.
• Le proprietà ossidoriduttive dei chinoni sono essenziali per il funzionamento cellulare → ubichinoni (coenzimi Q) come ossidanti biochimici.

Eteri

Gli eteri sono composti che si caratterizzano per la presenza di un ponte ossigeno tra due radicali: R’ – O – R’’.

Sono sostanze poco reattive e per questo vengono utilizzate come solventi organici in molte reazioni.

• L’atomo di O può far parte di una catena lineare o di un anello.
• Considerati analoghi dell’acqua (H-O-H), presentano una certa polarità, ma solubilità e condizioni di reazione più simili a quelle degli idrocarburi.

Nomenclatura degli eteri

Per la nomenclatura si considera il radicale più lungo come composto principale, mentre il nome della parte restante si costruisce aggiungendo alla radice del radicale il termine “ossi”.

• CH₃CH₂-O-CH₂CH₂CH₃: etossipropano

Oppure si fa precedere al sostantivo ETERE quello dei due sostituenti organici.

• Se sono uguali (simmetrici) si antepone il prefisso “DI”.
• Se sono diversi occorre seguire l’ordine alfabetico.
• CH₃-CH₂-O-CH₂-CH₂: DIETILETERE (ETOSSIETANO)
• CH₃-CH₂-O-CH₃: ETILMETILETERE (METOSSIETANO)

• Sostanze a carattere neutro, liquide, volatili o gassose.
• Non possono associarsi tra loro tramite legami idrogeno, tuttavia possono accettare legami idrogeno dagli alcoli o dall’acqua.
• In alcuni casi reagiscono lentamente con l’aria per dare PEROSSIDI (composti che contengono un legame O-O).

I perossidi derivati da eteri di basso PM sono esplosivi.

• ETERE DIETILICO CH₃-CH₂-O-CH₂-CH₃: Veniva utilizzato un tempo come anestetico. Solvente nell’industria.
• ANISOLO (Fenilmetiletere) era utilizzato nell’industria dei profumi.

Epossidi

Gli epossidi sono eteri ciclici con un anello a tre termini contenente un atomo di ossigeno.

Dal punto di vista industriale il più importante è l’ossido di etilene, che viene prodotto per ossidazione dell’etilene da parte dell’aria.

Molte prove sperimentali suggeriscono che l’ossidazione biologica dei composti aromatici avvenga per mezzo di epossidi. Una volta formato l’epossido il carattere aromatico viene perso; per recuperare l’energia l’anello viene riaromatizzato → fenolo.

Tioli e solfuri

Tioli

I tioli sono composti che presentano molte analogie con gli alcoli e si caratterizzano per la presenza del gruppo solfidrilico (-SH).

Nomenclatura dei tioli

La nomenclatura dei tioli segue le stesse regole degli alcoli, sostituendo la desinenza “-olo” con “-tiolo” (per esempio etantiolo).

Quando il gruppo -SH diventa un gruppo sostituente, prende il nome di “mercapto”. Un sistema di nomenclatura più vecchio indica i tioli come “mercaptani”.

Solfuri

I solfuri (R-S-R’) sono analoghi solforati degli eteri. La nomenclatura dei solfuri è la stessa di quella degli eteri.

• Nei composti più semplici si usa la parola solfuro al posto di etere.
• Nei composti più complessi al posto di alcossi si usa alchitio.

Caratteristica dei tioli a basso PM è il loro fetore. Tracce di tioli a basso PM (es. etantiolo) vengono aggiunte al gas naturale → eventuali perdite possano essere avvertite attraverso l’olfatto.

L’odore della moffetta è dovuto principalmente a questi due tioli. Importante è l’OSSIDAZIONE di un tiolo a DISOLFURO, composto avente due atomi di S come gruppo funzionale.

È anche possibile una reazione inversa, cioè la RIDUZIONE del disolfuro a tiolo.

• Un disolfuro di origine naturale è il diallil disolfuro, CH₂=CHCH₂S-SCH₂CH=CH₂, responsabile del caratteristico odore dell’aglio.
• I ponti disolfuro sono molto importanti biologicamente per il corretto mantenimento delle strutture proteiche (inclusi gli enzimi).
• Una proteina dei capelli (cheratina) ha un grosso numero di ponti disolfuro e per loro riduzione si possono formare gruppi funzionali con tioli liberi (→ -S-S- → -SH + -SH).

Se si cambia la disposizione di questi tiolici liberi, quando il capello viene riossidato si formano nuovi ponti disolfuro.

Aldeidi e chetoni

Le aldeidi e i chetoni costituiscono due classi di composti caratterizzati da uno stesso gruppo, chiamato carbonilico. Il C carbonilico è elettrofilo. L’O carbonilico è nucleofilo.

Le aldeidi sono quegli idrocarburi che hanno il gruppo carbonilico legato a un carbonio terminale. I chetoni, invece, sono idrocarburi con un atomo di ossigeno legato a un carbonio non terminale.

Aldeidi e chetoni si possono considerare derivati dall’ossidazione (deidrogenazione) degli alcoli corrispondenti. (perdita di due idrogeni)

• Se si ossida un gruppo alcolico primario si ottiene un gruppo aldeidico.
• Se si ossida un gruppo alcolico secondario si ottiene un gruppo chetonico.

Il gruppo aldeidico e quello chetonico si trovano in moltissimi composti di interesse biologico, quali zuccheri, vitamine, ormoni, acidi nucleici ecc.

Nomenclatura di aldeidi e chetoni

• La denominazione ufficiale di un aldeide si ottiene addizionando la desinenza “-ale” al nome dell’idrocarburo di partenza. Per le aldeidi il gruppo carbonilico è sempre terminale e quindi la numerazione partirà sempre da questo, il gruppo aldeidico (-CH=O) sarà sempre il numero 1 e ogni altro sostituente (a parte gli acidi carbossilici) viene indicato numerandolo in sequenza a partire da questo.
• I nomi delle aldeidi sono simili nella nomenclatura comune a quelli degli acidi che si formano dalla loro ossidazione. Si ottengono facendo seguire al sostantivo “aldeide” l’aggettivo che si ottiene sostituendo “-oica” alla “-o” terminale del nome dell’alcano avente ugual numero di C. L’aldeide più semplice ha due atomi di idrogeno legati al gruppo carbonilico ed è detta “aldeide formica” o “formaldeide” o “aldeide metanoica” o “metanale”; quella successiva è detta “aldeide acetica” o “acetaldeide” o “aldeide etanoica” o “etanale”.

Quando l’aldeide è il sostituente di un anello ci si riferisce ad essa come carbaldeide. Es. cicloesancarbaldeide.

Formaldeide

• In soluzione acquosa è chiamata “formalina” ed è utilizzata per la conservazione di preparati biologici e per la disinfezione degli ambienti.
• Non è utilizzata per la disinfezione dell’uomo perché tossica e irritante.
• Viene utilizzata per la preparazione di alcuni vaccini a base di virus inattivati perché danneggia in modo irreversibile il codice genetico dell’agente infettivo, non modificando però le proteine virali responsabili della risposta immunitaria.
• Può formarsi anche all’interno del corpo umano in seguito all’avvelenamento da metanolo, ad opera dell’enzima epatico alcol deidrogenasi, causando gravissimi danni all’organismo.
• Viene utilizzata come agente imbalsamante.

Per i chetoni la nomenclatura ufficiale invece prevede la sostituzione della vocale finale dell’idrocarburo corrispondente con il suffisso “-one”, per i chetoni i sostituenti si numerano in modo che al gruppo carbonilico corrisponda il numero più basso.

Un nome dei chetoni permesso anche dalle IUPAC si forma facendo precedere al sostantivo “chetone” il nome dei due radicali alchilici e/o arilici legati al gruppo carbonilico. Quando un chetone è un sostituente in una catena in presenza di un gruppo aldeidico ci si riferisce ad esso come gruppo osso (seppur oxo).

Il propanone o acetone è un solvente molto importante e versatile, essendo solubile in acqua e capace di sciogliere molti composti organici. Viene utilizzato come solvente per adesivi, pitture, vernici, smalti e prodotti di pulizia. È facilmente infiammabile. Si produce a livello epatico nel nostro organismo insieme ad altre due molecole (“corpi chetonici”) e la sua concentrazione aumenta in seguito a particolari condizioni metaboliche (es. diabete, digiuno prolungato).

Parecchie aldeidi (e chetoni) sono prodotte industrialmente. Alcune vengono utilizzate come medicinali o cosmetici. Nell’industria alimentare vengono utilizzate come additivi di origine naturale o sintetica in grado di conferire fragranza al cibo. L’aroma di vaniglia artificiale è una soluzione diluita in etanolo di vanillina di sintesi.

Proprietà fisiche di aldeidi e chetoni

• Composti debolmente polari, p.e. intermedi tra idrocarburi e alcoli aventi ugual numero di C.
• Più solubili in H₂O degli idrocarburi con pari PM.
• Formaldeide e altre aldeidi a basso PM → odore caratteristico pungente.
• Chetoni e aldeidi con almeno 9 C → odori gradevoli, usati anche in profumeria.

Reazioni chimiche

Il carbonio carbonilico presenta ibridazione sp², quindi ha struttura planare e angoli di legame di 120°. La presenza dell’atomo di ossigeno, più elettronegativo dell’atomo di carbonio, rende il carbonile una struttura polare (parziale carica positiva sul carbonio e parziale carica negativa sull’ossigeno), particolarmente sensibile a un attacco nucleofilo sul carbonio e a uno elettrofilo sull’ossigeno.

Nucleofilo: che ama il nucleo, o meglio le cariche positive; presenta elettroni disponibili.

Elettrofilo: che ama gli elettroni; presenta un eccesso di carica positiva.

La maggior parte delle reazioni comuni ad aldeidi e chetoni sono reazioni di addizione al doppio legame (addizione nucleofila al carbonile). Per esempio, per addizione di idrogeno le aldeidi originano alcoli primari, i chetoni alcoli secondari.

Tra le reazioni di addizione nucleofila al carbonile la più interessante è quella che vede coinvolta una molecola di alcol; tale reazione porta alla sintesi di particolari composti, i semiacetali e i semichetali (più comunemente chiamati emiacetali ed emichetali), caratterizzati dall’avere sullo stesso carbonio sia la funzione alcolica (–OH) sia la funzione eterea (–OR’’).

La reazione può continuare con l’addizione di un’altra molecola di alcol, che va a sostituire il gruppo alcolico, formando acetali e chetali (i termini semichetale e chetale sono stati sostituiti dalla IUPAC con semiacetale e acetale).

Principali reazioni dei chetoni e delle aldeidi

Le principali reazioni possono interessare tre siti diversi:

1. Il C carbonilico
2. L’ossigeno
3. Il C adiacente al carbonile

La reazione più comune del gruppo carbonilico è l’addizione nucleofila. I nucleofili attaccano l’atomo di C carbonilico e l’O, grazie alla sua elettronegatività, può sistemare la carica acquistata.

A causa dei doppietti elettronici non condivisi sull’atomo di ossigeno i composti carbonilici risultano debolmente basici e perciò possono essere protonati. Gli acidi catalizzano l’addizione di nucleofili deboli ai composti carbonilici per protonazione dell’atomo di ossigeno del carbonile. La protonazione trasforma il carbonio carbonilico in un carbocatione aumentando la predisposizione a subire attacco nucleofilo.

I chetoni sono meno reattivi delle aldeidi nei confronti dei nucleofili. Questo perché l’atomo di C carbonilico è più ingombrato nei chetoni (perché è legato a due gruppi organici) che nelle aldeidi (dove il carbonio carbonilico è legato a un gruppo organico e a un H).

Reazioni di addizione nucleofila

Addizione nucleofila di acqua

L’idratazione di aldeidi e chetoni, conseguente all’addizione di acqua al gruppo carbonilico, porta alla formazione di un diolo germinale detto “forma idrata”. Nella reazione si ha che l’idrogeno dell’acqua di lega all’atomo di ossigeno del gruppo carbonilico, mentre il gruppo idrossilico si lega al carbonio. La reazione procede più velocemente se catalizzata da un acido.

Meccanismo della idratazione acido-catalizzata

Tre stadi:

• Primo stadio: nella reazione viene protonato l’ossigeno del gruppo carbonilico e il carbonio carbonilico.
• Secondo stadio: nella reazione (stadio lento) l’acqua effettua un attacco nucleofilo al carbonio carbonilico.
• Terzo stadio: della reazione una molecola d’acqua strappa un protone all’acido coniugato del diolo geminale.

Meccanismo della idratazione base-catalizzata

Due stadi:

• Primo stadio (lento): si ha un attacco nucleofilo dello ione idrossido al carbonio carbonilico. Si viene a formare uno ione alcossido.
• Secondo stadio: lo ione alcossido strappa un protone all’acqua generando un diolo geminale.

Addizione nucleofila di ammine

NH₃ e ammine primarie (R’NH₂) si sommano ad aldeidi e chetoni dando immine o basi di Shiff (R₂C=NR’).

Ammoniaca, ammine e alcuni loro derivati hanno sull’atomo di azoto un doppietto elettronico e si comportano come nucleofili all’azoto nei confronti del carbonio carbonilico. Le ammine primarie, ad esempio, reagiscono così: il prodotto di addizione tetraedrico che si forma nel primo passaggio è simile a un emiacetale, con un NH al posto di un ossigeno. Questi prodotti di addizione di solito non sono stabili ed eliminano acqua per fornire un composto con un doppio legame carbonio-azoto.

Addizione nucleofila di alcoli: emiacetali e acetali

Gli alcoli sono nucleofili all’ossigeno e possono attaccare il C carbonilico; il gruppo OR va a legarsi al carbonio, il protone all’ossigeno. Danno origine a emiacetali (composti che contengono sullo stesso atomo di carbonio una funzione alcolica OH e una funzione eterea OR), e poi a acetali (composti con due gruppi eterei “–OR” legati allo stesso atomo di C).

Gli emiacetali si formano con una reazione a tre stadi per addizione nucleofila di un alcol al gruppo carbonilico:

• Nel primo stadio l’ossigeno del carbonile è protonato dal catalizzatore acido.
• L’ossigeno dell’alcol attacca il carbonio carbonilico nel secondo stadio.
• Infine viene ceduto un protone dall’atomo di ossigeno che si è caricato positivamente.