Youlaurea.it
Vai alla Home Page About me Courseware Federica Living Library Federica Virtual Campus 3D Le Miniguide all'orientamento Gli eBook di Federica
 
 
Il Corso Le lezioni del Corso La Cattedra
 
Materiali di approfondimento Risorse Web Il Podcast di questa lezione

Angela Zampella » 1.Introduzione ai composti organici. Gruppi Funzionali e ibridazione del carbonio


Chimica organica

La prima definizione di chimica organica e di composti organici si deve Jacob Berzelius nel 1807: i composti organici sono quelli elaborati dagli organismi viventi (animali e vegetali) e costituiti prevalentemente da carbonio e la chimica organica è quella scienza che studia i comportamenti chimici e fisici dei composti organici.

Jöns Jacob Berzelius: chimico svedese considerato tra i padri della chimica moderna

Jöns Jacob Berzelius: chimico svedese considerato tra i padri della chimica moderna


Chimica organica

Ma 1828 il chimico tedesco Friedrich Wöhler per primo riuscì nella sintesi di un composto organico (l’urea) a partire da composti inorganici.

La definizione più corretta di chimica organica diventa: quella scienza che si occupa delle caratteristiche chimiche e fisiche delle molecole organiche. Si definiscono convenzionalmente composti organici i composti del carbonio con eccezione del monossido di carbonio e dell’anidride carbonica.

Wöhler osserva idealmente la sintesi dell’urea

Wöhler osserva idealmente la sintesi dell'urea


Il carbonio

Cosa rende l’elemento carbonio così particolare da dovergli riservare una chimica a parte rispetto a quella di tutti gli altri elementi messi insieme (chimica inorganica)?

Il carbonio occupa un posto centrale nella Tavola Periodica. Ha un’ elettronegatività tale da preferire legami covalenti con gli altri non metalli, formando milioni di composti stabili.


Gruppi funzionali

E’ possibile catalogare tutti i composti organici in poche decine di famiglie. La collocazione di una molecola in una famiglia dipende dalla presenza di un caratteristico gruppo di atomi definito gruppo funzionale.

Etilene e limonene appartengono alla stessa famiglia, quella degli alcheni, perché possiedono lo stesso gruppo funzionale, il doppio legame C-C, e la loro reattività chimica sarà molto simile indipendentemente dalle loro dimensioni o dalla loro complessità.

Limonene ed etene: molecole con doppio legame carbonio-carbonio
Colesterolo ed etanolo: due alcoli strutturalmente molto diversi

Gruppi funzionali

Gruppi funzionali con legami carbonio-carbonio

Gruppi funzionali con legami carbonio-carbonio


Gruppi funzionali

Gruppi funzionali con carbonio legato ad un atomo più elettronegativo attraverso legame singolo

Gruppi funzionali con carbonio legato ad un atomo più elettronegativo attraverso legame singolo


Gruppi funzionali

Gruppi funzionali con doppio legame carbonio-ossigeno (gruppo carbonilico)

Gruppi funzionali con doppio legame carbonio-ossigeno (gruppo carbonilico)


Gruppi funzionali

Gruppi funzionali con doppio legame carbonio-ossigeno (gruppo carbonilico)

Gruppi funzionali con doppio legame carbonio-ossigeno (gruppo carbonilico)


Il metano: il composto organico più semplice

Il metano: CH4

Il metano è la più semplice molecola organica dove il carbonio lega 4 atomi di idrogeno. I dati sperimentali in nostro possesso:

  • 4 legami uguali (1.10 Å)
  • 4 angoli uguali (109.5°)
  • geometria tetraedrica
  • molecola apolare
Formula prospettica e modello a sfere e bastoncini del metano

Formula prospettica e modello a sfere e bastoncini del metano


Orbitali idridi

In che modo il carbonio forma 4 legami covalenti?

Nella sua configurazione elettronica fondamentale ha solo 2 elettroni spaiati!

Se uno degli elettroni nell’orbitale 2s è promosso nel 2p vuoto, abbiamo 4 elettroni spaiati e quindi la possibilità di formare 4 legami covalenti.

Ma i 4 legami con l’idrogeno non sarebbero equivalenti!

Nel metano il carbonio usa orbitali idridi nella formazione dei legami con l’idrogeno.

Ibridazione sp3

Ibridazione sp3


Ibridazione sp3

Dalla combinazione di un orbitale atomico di tipo s e 3 orbitali atomici di tipo p si generano 4 orbitali atomici ibridi di tipo sp3. I 4 orbitali sono degeneri e hanno una forma che ricorda gli orbitali di tipo p, con i 2 lobi di dimensioni diverse.

Un orbitale sp3 ha il 25% di carattere s e il 75% di carattere p.

Ibridazione sp3

Ibridazione sp3

Forma dell’orbitale ibrido sp3

Forma dell'orbitale ibrido sp3


Geometria tetraedrica

Quando i 4 orbitali identici di un carbonio ibridato sp3 si sovrappongono con gli orbitali 1s dei 4 atomi di idrogeno, si formano 4 legami C-H identici, e ne risulta il metano.

I legami C-H derivano tutti dalla sovrapposizione assiale sp³-s.

L’angolo di legame H-C-H (109,5°) è chiamato angolo tetraedrico.

a) I 4 orbitali sp3 del carbonio diretti verso i vertici di un tetraedro B) Sovrapposizione degli orbitali sp3 del carbonio con l’orbitale s dell’idrogeno

a) I 4 orbitali sp3 del carbonio B) Sovrapposizione con l’orbitale s dell’idrogeno

a) I 4 orbitali sp3 del carbonio B) Sovrapposizione con l'orbitale s dell'idrogeno


Etano

Come si legano tra loro gli atomi di carbonio?

L’etano è la molecola più semplice che contiene il legame C-C. E’ formata da 2 carboni ibridati sp3 legati l’uno a l’altro per sovrapposizione tra 2 orbitali sp3.

I 3 rimanenti orbitali sp3 su ciascun carbonio si sovrappongono con gli orbitali s dell’idrogeno a formare 6 legami C-H.

Legame C-C: sovrapposizione sp3-sp3; Legame C-H. sovrapposizione sp3-s

Legame C-C: sovrapposizione sp3-sp3; Legame C-H. sovrapposizione sp3-s

Struttura dell’etano

Struttura dell'etano


Etene e ibridazione sp2

Ibridazione sp2

Consideriamo l’etene (oppure etilene) molecola nota dalla fine del 1700. E’ costituita da 2 carboni e 4 idrogeni; è una molecola planare ed ha angoli di legame di circa 120°.

In questa molecola i 2 atomi di carbonio presentano ibridazione sp2.

L’orbitale s si combina con solo 2 dei 3 orbitali p. Ne risultano 3 orbitali ibridi sp2 e un orbitale p inalterato, tutti contenenti un elettrone spaiato.

Etene o etilene

Etene o etilene

Ibridazione sp2

Ibridazione sp2


Ibridazione sp2

I 3 orbitali sp2 definiscono un piano (piano sp2) e sono diretti verso gli angoli di un triangolo equilatero con un angolo di 120°. Il rimanente orbitale p è perpendicolare al piano sp2.

Il carbonio ibridato sp2

Il carbonio ibridato sp2


Doppio legame C-C

Come si legano tra loro gli atomi di carbonio ibridati sp2?

I 2 carboni dell’etene condividono 2 legami che non sono uguali tra loro.

Dalla sovrapposizione sp2-sp2 si forma un legame definito sigma (σ), mentre dalla sovrapposizione laterale dei due orbitali p non ibridati si genera un secondo legame (π). Ogni carbonio usa poi gli altri due orbitali sp2 per sovrapporli con l’orbitale 1s dell’idrogeno e formare i legami C-H.

Formazione del doppio legame carbonio-carbonio

Formazione del doppio legame carbonio-carbonio


Strutture dell’etene

Il doppio legame C-C nell’etilene è più corto (1,33 Å) e più forte del legame singolo dell’etano.

Notiamo però che l’energia del doppio legame (611 kJ/mol) è molto minore di quella di 2 legami singoli (376 kJ/mol per ogni legame C-C). La sovrapposizione laterale non è efficace come quella assiale.

Struttura dell’etilene

Struttura dell'etilene


Acetilene e ibridazione sp

Il carbonio può formare anche legami tripli come nella molecola di acetilene (oppure etino).

In questo caso i due carboni che condividono il legame triplo hanno ibridazione sp che origina dalla combinazione dell’orbitale 2s e uno solo degli orbitali p. Ne risultano 2 orbitali ibridi sp e due orbitali p inalterati, tutti contenenti un elettrone spaiato.

L’etino o acetilene

L'etino o acetilene

Ibridazione sp

Ibridazione sp


Formazione del triplo legame C-C

Immaginando un sistema di assi cartesiani xyz con il nucleo del carbonio all’origine, i due orbitali sp sono lineari con un angolo di 180° lungo l’asse x mentre i 2 restanti orbitali p sono perpendicolari lungo gli assi y e z.

Quando due carboni con ibridazione sp si legano, gli orbitali sp si sovrappongono per formare un legame σ. Dalla sovrapposizione laterale dei 4 orbitali p che restano (2 per ciascun carbonio) si formano due legami π.

Un carbonio ibridato sp

Un carbonio ibridato sp

Formazione del triplo legame carbonio-carbonio

Formazione del triplo legame carbonio-carbonio


Ibridazione sp3 dell’ossigeno: l’acqua

Nella molecola di acqua l’angolo di legame osservato sperimentalmente è 104.5°.

L’unico modo per spiegare questo dato è ammettere che l’ossigeno come il carbonio usi orbitali ibridi per formare i legami covalenti con i due atomi di idrogeno. L’orbitale 2s e i 3 orbitali p si ibridizzano per formare 4 orbitali sp3. Due orbitali sp3 ospiteranno le 2 coppie solitarie mentre gli altri formeranno il legame con l’orbitale 1s dell’idrogeno.

Ibridazione sp3 dell’ossigeno

Ibridazione sp3 dell'ossigeno

Struttura dell’acqua

Struttura dell'acqua


Ibridazione sp3 dell’azoto: l’ammoniaca

L’angolo di legame osservato sperimentalmente è di circa 107°.

Anche l’azoto usa orbitali ibridi per formare i suoi legami covalenti.

Come per il carbonio e l’ossigeno, l’orbitale 2s e i 3 orbitali p si ibridizzano per formare 4 orbitali sp3.

I legami N-H si formano per sovrapposizione sp3-s. L’unica coppia solitaria occupa un orbitale sp3.

Ibridazione sp3 dell’azoto

Ibridazione sp3 dell'azoto

Struttura dell’ammoniaca

Struttura dell'ammoniaca


  • Contenuti protetti da Creative Commons
  • Feed RSS
  • Condividi su FriendFeed
  • Condividi su Facebook
  • Segnala su Twitter
  • Condividi su LinkedIn
Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion