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.

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.

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.

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

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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’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.