IL LEGAME CHIMICO La teoria quantistica ha introdotto il concetto di valenza, cioè della capacità di un atomo di formare un determinato numero di legami a seconda della propria configurazione elettronica; la disposizione elettronica in orbitali, quindi, consente di prevedere quanti legami potrà subire un atomo. L unione di due o più atomi attraverso legami porta alla formazione di MOLECOLE. I legami che formano le molecole si suddividono in 2 grandi categorie: LEGAMI IONICI LEGAMI COVALENTI Alla base della formazione di legami sta il principio che durante l unione di 2 atomi a formare un legame stabile avviene sempre una liberazione di energia e quindi il processo di formazione di legame è un processo SPONTANEO. Vediamo brevemente in dettaglio le caratteristiche dei due tipi di legame. LEGAME IONICO E il legame che si forma tra due atomi aventi elettronegatività molto diverse. Quando un atomo fortemente elettropostivo (come ad esempio un metallo alcalino), si lega con un atomo fortemente elettronegativo (come un alogeno), il primo cede l elettrone che ha in più rispetto alla situazione di massima stabilità riferibile al gas nobile precedente nella scala della tavole periodica, mentre il secondo acquista l elettrone che a lui manca per raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile subito seguente. A causa della forte differenza di elettronegatività, l atomo elettropositivo CEDE l elettrone all atomo elettronegativo, quindi il legame si forma per TRASFERIMENTO di elettroni da un atomo all altro. Si ha quindi la formazione di due ioni, uno carico positivo e l altro carico negativo. L attrazione tra i due atomi, o meglio tra i due ioni, è di natura puramente elettrostatica. Un esempio di legame ionico si ha nella molecola di cloruro di sodio, NaCl, dove l atomo di sodio (Na) cede l elettrone dell orbitale 3s (raggiungendo la configurazione del gas nobile Neon) all atomo di cloro (Cl) che con quell elettrone va a completare l orbitale 3p (raggiungendo la configurazione del gas nobile Argo). I due atomi, cedendo/acquistando l elettrone, diventano a loro volta ioni Na + e Cl - e stanno quindi uniti per forze di natura elettrostatica. LEGAME COVALENTE E il legame che si forma tra due atomi aventi elettronegatività simili. Per gli atomi che si trovano nella zona centrale della tavola periodica, in cui le elettronegatività sono similari, non è giustificata la formazione di legami ionici, in quanto non si assiste ad una cessione vera e propria di elettroni; tuttavia i legami chimici si formano lo stesso e hanno caratteristiche diverse da quelli ionici. 13
Il legame covalente avviene non per cessione ma per COMPARTECIPAZIONE / CONDIVISIONE di elettroni. Due atomi che formano un legame covalente mettono in condivisione gli elettroni che servono per raggiungere a loro volta la configurazione elettronica esterna del gas nobile a loro più vicino. L esempio più semplice di legame covalente è quello che si forma nelle molecole formate da due atomi uguali, ad esempio la molecola di idrogeno (H 2 ) o la molecola di cloro (Cl 2 ): in queste molecole, i due atomi hanno identiche elettronegatività per cui non possono assolutamente formare legami ionici. L atomo di idrogeno, che possiede solo un elettrone di valenza, nella molecola di idrogeno mette in compartecipazione con l altro atomo di idrogeno questo elettrone ed entrambi vanno a completarsi reciprocamente l orbitale 1s, raggiungendo così la configurazione dell Elio. Analogamente l atomo di cloro, a cui manca un elettrone per avere la configurazione dell Argo, compartecipa con l altro atomo di cloro un elettrone in modo che entrambi vanno a completare i rispettivi orbitali 3p. Per descrivere simbolicamente i legami covalenti si utilizza il metodo delle formule di struttura di Kekulè, o formule di struttura a linee: OGNI LEGAME, FORMATO DALLA COMPARTECIPAZIONE DI 2 ELETTRONI, VIENE INDICATO CON UNA LINEA CHE COLLEGA I DUE ATOMI CHE LO FORMANO. I numeri scritti in basso (a pedice) che compaiono nelle formule brevi o a linee delle molecole indicano sempre IL NUMERO DI ATOMI DELL ELEMENTO PRECEDENTE IL NUMERO presenti nella molecola sessa. Ad esempio la molecola di idrogeno, che si indica in breve come H 2, viene disegnata schematicamente come di seguito: H 2 (dicitura abbreviata) = H-H (dicitura secondo formula di struttura) Analogamente la molecola di cloro, Cl 2 : Cl 2 (dicitura abbreviata) = Cl-Cl (dicitura secondo formula di struttura) Più complicato diventa quando si hanno molecole che sono composte da più di 2 atomi, in cui la schematizzazione della formula di struttura avviene disponendo gli atomi sul piano e collegandoli con le linee in modo da posizionarli sul piano secondo vertici di figure geometriche regolari come triangoli (nel caso l atomo leghi altri 3 atomi), rombi (nel caso l atomo leghi altri 4 atomi) etc.. Ad esempio vediamo di seguito come si schematizzano le molecole di acqua (H 2 O), ammoniaca (NH 3 ) e metano (CH 4 ): H H H O H ; ; N H C H Acqua H H H Ammoniaca Metano 14
Per descrivere le molecole in modo simbolico, dunque, si usano le abbreviazioni degli atomi che le compongono e si collegano questi atomi con linee che identificano i legami covalenti che le compongono. Di seguito è riportata la tabella che riporta le abbreviazioni di tutti gli atomi componenti la tavola periodica, con relativi numeri atomici e pesi atomici: 15
Prima di addentrarci nello studio di molecole complesse come gli zuccheri, i grassi e le proteine è necessario schematizzare come in natura queste molecole siano state classificate e suddivise in gruppi a seconda delle loro caratteristiche che le accomunano. Possiamo innanzi tutto creare una grande distinzione tra molecole di natura inorganica e molecole di natura organica: si definiscono MOLECOLE ORGANICHE tutte quelle molecole che contengono atomi di Carbonio (tranne alcune eccezioni come le molecole di CO, CO 2 e alcuni sali di carbonio); il motivo di questa classificazione risale alla scoperta che tutta la materia vivente, dalle piante agli animali superiori, è composta da molecole contenenti questo elemento in quantità preponderante. La chimica organica, dunque, è la chimica dei composti del carbonio, ed è quella che serve per andare a descrivere le molecole di nostro interesse. Come detto in precedenza per semplificare lo studio delle molecole organiche, furono creati, o meglio si isolarono GRUPPI DI MOLECOLE, aventi caratteristiche di composizione, struttura e reattività simili, in modo da avere CLASSI di molecole simili. Ciò che accomuna le molecole di una stessa classe è quello che si chiama GRUPPO FUNZIONALE, ovvero un insieme di atomi facenti parte la molecola e disposti tra loro sempre nello stesso modo che porta con sé una reattività simile in tutte le molecole di quella classe. Altro concetto fondamentale da citare è quello relativo alla NOMENCALTURA delle molecole organiche, in quanto per nominare le diverse molecole scoperte si rese necessario stabilire delle convenzioni in modo da definire in modo univoco una molecola dall altra. Esistono una serie di regole per dare il nome ad un composto organico, ma la nomenclatura di base parte dall identificare la classe a cui la molecola appartiene; questo deriva dall identificare il gruppo funzionale in essa contenuto. Isolato il gruppo funzionale, la molecola viene nominata con i prefissi e i suffissi tipici di quel gruppo funzionale. Ai nostri fini non interessa imparare le regole specifiche della nomenclatura, tuttavia serve saper riconoscere un alcol da un aldeide; si riporta in seguito la tabella che raggruppa tutti i gruppi funzionali più comuni, con a fianco un esempio di molecola appartenente a quella classe e il suffisso che identifica la classe a cui la molecola appartiene. 16
Ogni gruppo funzionale isola una classe di composti organici: vediamo brevemente le classi e le principali caratteristiche dei composti organici. 17
ALCANI Composti formati da atomi di C e H uniti da legami semplici tra loro; si hanno catene di atomi di C uniti tra loro in modo lineare, ramificato, o ciclico, a formare un anello chiuso, ma sempre da legami semplici; suffisso che identifica gli alcani è ano e gli esempi più semplici sono le molecole di metano, etano, propano etc.. di seguito schematizzate: Gli alcani sono caratterizzati da una reattività chimica molto bassa. ALCHENI Composti formati da atomi di C e H dove due atomi di C sono uniti da un doppio legame che si identifica nella simbologia C=C; anche qui le catene possono essere lineari, ramificate o cicliche. Il suffisso che identifica gli alcheni è ene e l esempio più semplice è la molecola di etene (o etilene): La reattività degli alcheni è legata al doppio legame C=C, legame forte ma suscettibile di rottura di uno dei due legami che lo compongono per dare la REAZIONE DI ADDIZIONE, cioè la rottura di un legame C-C porta alla formazione di due nuovi legami C-X dove X è l atomo della molecola che reagisce. Un esempio di reazione di addizione è di seguito riportato: 18
ALCHINI Composti formati da atomi di C e H dove due atomi di C sono uniti da un triplo legame che si identifica nella simbologia C C; anche qui le catene possono essere lineari, ramificate o cicliche. Il suffisso che identifica gli alchini è ino e l esempio più semplice è la molecola di etino: H-C C-H La reattività degli alchini è legata al triplo legame C C; come il doppio legame C=C, anche questo è suscettibile di REAZIONE DI ADDIZIONE che con un passaggio porta alla formazione di un alchene e con due alla formazione di una alcano. La reazione è di seguito schematizzata: Y-C C-K + H 2 YH-C=C-HK ; YH-C=C-HK + H 2 YH 2 -C-C-H 2 K 1 reazione di addizione 2 reazione di addizione COMPOSTI AROMATICI Composti formati da atomi di C e H dove sei atomi di C sono uniti a formare un ciclo; gli atomi di C sono legati alternatamene da legami semplici e legami doppi, quindi l anello sarà composto da tre legami C-C e tre legami C=C. Il composto più semplice di questa classe è la molecola di benzene: il benzene e tutti i composti aromatici sono molto poco reattivi, in quanto l anello aromatico è fortemente stabilizzato dalla cosiddetta RISONANZA elettronica che si istaura tra gli elettroni dei legami tra gli atomi di C; tuttavia sono possibili reazioni di SOSTITUZIONE ELETTROFILA sull anello benzenico, dove un composto elettrofilo può andare a sostituire un H legato ad un C. La reazione è di seguito schematizzata: 19
ALOGENURI ALCHILICI Composti che derivano direttamente dagli alcani (alch-ilici), in cui un atomo di H dell alcano è stato sostituito con un atomo di alogeno (Cl, F, Br, I). la nomenclatura segue le regole degli alcani, dove però si specifica la posizione in cui compare l atomo di alogeno. Gli alogenuri alchilici sono una classe molto importante di molecole organiche non tanto per la loro massiccia presenza in natura, quanto perché implicati in reazioni molto importanti quali la SOSTITUZIONE NUCLEOFILA e la ELIMINAZIONE. Nella reazione di sostituzione nucleofila, un gruppo nucleofilo va a reagire con l alogenuro per sostituirsi all alogeno secondo lo schema seguente: nella reazione di eliminazione, invece, l alogeno in determinate condizioni viene spinto ad uscire dalla molecola di alogenuro formando un alchene e un acido forte, secondo lo schema seguente, che compara la reazione di sostituzione con quella di eliminazione: ALCOLI E FENOLI Composti che contengono il GRUPPO OSSIDRILE, cioè la coppia di atomi O-H, dove l atomo di ossigeno è legato ad un atomo di carbonio; il gruppo funzionale ossidrilico è perciò composto da C-O-H. Se il gruppo O-H è legato ad un carbonio non aromatico ho un ALCOL, mentre se è legato ad un carbonio appartenente ad un anello aromatico ho un FENOLO. Gli alcoli in natura sono importanti molecole in quanto generalmente hanno una parte apolare (la catena formata da C e H) che termina con il gruppo funzionale polare OH, che rende la molecola polare e quindi affine con l acqua e con tutte le molecole polari. La polarità degli alcoli è data dal dipolo del gruppo funzionale OH, cioè dal fatto che verso l ossigeno si accumula la carica negativa (in quanto O è più elettronegativo 20
di H), mentre su H resta una parziale carica positiva: questa polarità è responsabile della formazione dei LEGAMI A IDROGENO nelle soluzioni di alcoli. Il legame a idrogeno non è un vero e proprio legame come quello ionico o quello covalente, ma una sorta di attrazione tra atomi di O e di H di gruppi OH di diverse molecole. Il gruppo OH compare in molecole organiche quali gli zuccheri. Gli alcoli sono soggetti a molteplici razioni chimiche: DISIDRATAZIONE: un alcol può perdere una molecola di acqua e formare un alchene; OSSIDAZIONE: una alcol può perdere una molecola di idrogeno e formare un aldeide o un chetone; viceversa per idrogenazione di aldeidi e chetoni si ottengono gli alcoli. ALDEIDI E CHETONI Composti che contengono un GRUPPO CARBONILE C=O, dove l atomo di C possiede altri due legami liberi: se entrambi sono con altri atomi di C allora ho un CHETONE, se invece uno dei due è con un atomo di H allora ho un ALDEIDE. In generale il gruppo CR=O, dove R simboleggia un generico gruppo alchilico, prende il nome di GRUPPO ACILE. Il gruppo carbonile è considerato il più importante nella chimica organica biologica, in quanto compare in molecole quali zuccheri, acidi organici ( molecole di base per la formazione dei grassi) e in altre molecole di notevole importanza. A differenza del legame C=C, il gruppo C=O è fortemente polarizzato, per cui diventa responsabile di molteplici reazioni chimiche: OSSIDAZIONE: un aldeide o un chetone possono venire ossidati, in presenza di ossidanti molto forti, a formare acidi carbossilici. ADDIZIONE NUCLEOFILA: a causa di gruppi nucleofili, cioè gruppi molto ricchi di elettroni disponibili, il C del gruppo carbonile può reagire rompendo il doppio legame C=O e formando generalmente un alcol e un legame con un generico gruppo R. IDRATAZIONE: in condizioni particolari una molecola di aldeide o chetone può addizionare una molecola di acqua e formare un DIOLO, cioè un C con legati due gruppi alcolici OH. 21
ACIDI CARBOSSILICI E DERIVATI Gli acidi carbossilici sono composti che contengono il GRUPPO CARBOSSILE COH=O, dove l atomo di C possiede un solo legame libero, in quanto un legame è impegnato con il gruppo -OH e due legami con O: il quarto legame disponibile è sempre con un altro atomo di C, cioè con una catena alchilica. I derivati degli acidi carbossilici sono composti che contengono il gruppo CY=O, dove il gruppo -OH dell acido è sostituito da un gruppo Y particolare che caratterizza il derivato come da figura seguente: Gli acidi carbossilici e derivati sono molecole organiche molto importanti in quanto compaiono nei grassi e anche nelle proteine; possiedono tutti il gruppo carbonile polare e in più gli acidi possiedono anche il gruppo ossidrile, capace di interazioni idrogeno con altri gruppi ossidrile di altre molecole di acido. Caratteristica principale degli acidi carbossilici è la loro ACIDITA, cioè la capacità di perdere uno ione idrogeno (H + ) e di formare uno ione carbossilato negativo COO -, in cui l elettrone responsabile della carica negativa viene stabilizzato dai due ossigeni che con il fenomeno della RISONANZA eguagliano i loro legami con l atomo di carbonio formando uno ione molto stabilizzato. Sia gli acidi carbossilici che i loro derivati danno luogo a reazioni particolari e complesse, di cui non si ha interesse; la reazione più importante è appunto quella acida, cioè di liberare lo ione acido H +, seguita da quella di RIDUZIONE, cioè l addizione di una molecola di idrogeno che porta alla formazione di un alcol. 22
AMMINE Composti che contengono un GRUPPO AMMINO C-N, dove l atomo di C possiede tre legami liberi e l atomo di azoto possiede due legami liberi. A seconda che i legami dell azoto siano con altri carboni o con idrogeni si distinguono ammine primarie (RNH 2 ), dove l atomo di azoto ha legati due idrogeni; ammine secondarie (R 2 NH), dove l azoto lega un idrogeno e un altro gruppo alchilico R; ammine terziarie (R 3 N) dove l azoto lega tre gruppi alchilici. Le ammine sono molecole molto importanti perché sono componenti delle proteine, molecole organiche molto importanti. L azoto dell ammina è molto nucleofilo, cioè possiede un doppietto elettronico libero e quindi è molto ricco di elettroni. In condizioni particolari, perciò, lega gruppi elettrofili e forma lo ione ammonio positivo. Anche le ammine sono responsabili di diverse reazioni chimiche, differenti a seconda del tipo di ammina, che tuttavia in questo studio non ci interessano. 23