Scarica Struttura elettronica degli atomi e legami chimici: lezioni di chimica organica e più Sbobinature in PDF di Chimica Organica solo su Docsity! LEZIONE 1 Introduzione allo studio della chimica organica: struttura elettronica degli atomi che serve, ad esempio,parlando del benzene,che è un composto aromatico,per vedere la reattività del benzene guardando la strouttura,se sappiamo che ci sono delle coppie di elettroni pigreco delocalizzati su sei atomi, capirete che il benzene si comporta da nucleofilo e quindi reagisce con un elettrofilo.Anche nel caso di un composto aldeidico,dove c’è un doppio legame carbonio-ossigeno C=O (gruppo funzionale chiamato carbonile),sapremo come reagisce il composto perché sappiamo come sono delocalizzati gli elettroni.Legami chimici e acidi e base. La prima distinzione che fu fatta per distinguere composti organici e inorganici risale al 1800 perché all’inizio non si sapeva molto della struttura delle sostanze e cosa fossero in quanto parliamo di periodi in cui c’erano gli alchimisti per cui la chimica era più una magia che una scienza.I composti organici da questo momento in poi sono tutti quei composti derivanti da organismi viventi animali e vegetali e si pensava contenessero una forza vitale ovvero l’essenza della vita.Notate che siamo vicini ad un concetto assolutamente più simile ad una definizione di un alchimista rispetto ad una di uno scienziato.Mentre i composti inorganici erano quelli che derivavano dai minerali quindi privi di forza.Questa distinzione venne poi superata quando,una trentina d’anni dopo,un tedesco ottenne una sostanza ovvero l’urea(sostanza escreta dai mammiferi quindi organismi viventi) riscaldando il cianato di ammonio.Questa reazione,scoperta mise in conto che una sostanza organica cioè l’urea(che fino a quel momento era una sostanza che faceva parte solo degli esseri viventi per cui organica,quindi un mondo separato da quello dei composti inorganici)si poteva ottenere da un composto inorganico ovvero il cianato di ammonio semplicemente riscaldandolo.Quindi un composto inorganico formava un composto organico.A questo punto si capì che la distinzione fatta prima non reggeva più,i composti organici non potevano essere classificati come composti degli organismi viventi e quindi oggi i composti organici sono definiti come tutti i composti che contengono il carbonio.Quindi qualsiasi composto che contiene il carbonio è un composto organico.In altre parole,quando studiamo la chimica organica studiamo la chimica del carbonio,dei composti del carbonio.Il carbonio è uno degli elementi presenti nella tavola periodica degli elementi e nei composti organici il carbonio lo troveremo legato ad altri atomi di carbonio,idrogeno,ossigeno,azoto,alogeni,zolfo..per cui troveremo una serie di legami diversi perché questi atomi sono tutti diversi tra di loro. La struttura elettronica dell’atomo.Avete visto che un atomo di qualsiasi elemento ha un nucleo in cui è concentrata la massa dove ci sono i protoni e i neutroni(se presenti) e poi c’è uno spazio intorno al nucleo che viene occupato da particelle molto piccole e veloci chiamate elettroni carichi negativamente.Abbiamo imparato a rappresentare la configurazione elettronica degli atomi che dà un’informazione essenziale per la chimica organica perché quando scriviamo una struttura elettronica di un atomo e la rappresentiamo come 1s2,2s2,2p6 etc nell’ultima parte di questa scrittura troviamo il livello esterno di quell’atomo che è la parte dell’atomo che entra in gioco quando un atomo di carbonio si lega ad un altro atomo di carbonio,ad un atomo di ossigeno etc..quindi è la parte molto importante per capire la reattività di un atomo all’interno della molecola.Abbiamo imparato a scriverli con la scrittura 1s2,2s2,2p6,i livelli energetici con orbitali s,p,d,f.In ogni orbitale ci sono al massimo due elettroni con spin antiparallelo rappresentati uno con la freccia verso l’alto e uno verso il basso. Elettronegatività.Abbiamo imparato le proprietà periodiche degli elementi:raggio atomico e ionico,energia di prima ionizzazione,affinità elettronica e anche l’elettronegatività che è una proprietà periodica che non si riferisce,rispetto alle altre citate,al singolo atomo ma ad una proprietà che citiamo quando un atomo si lega ad un altro atomo.L’elettronegatività che noi applichiamo è quella definita dalla scala di Pauling quindi un calcolo teorico che tiene conto dell’energia di prima ionizzazione e affinità elettronica.Come elemento più elettronegativo è stimato il fluoro a cui viene data elettronegatività 4,0.L’elettronegatività è la capacità che ha l’atomo di fluoro di attirare a sè gli elettroni quando si trova legato ad un altro atomo.Essendo l’elemento più elettronegativo è quello che ha la maggiore elettronegatività cioè la forza,nel momento in cui è legato ad un altro atomo,per cui gli elettroni di legame saranno mediamente nel tempo tutti spostati sull’atomo di fluoro.Questo concetto ci serve per la chimica organica per capire se un atomo attira a sé gli elettroni di legame(noi parleremo di composti in cui ci sono diversi atomi legati tra di loro),quando un atomo attira a sé gli elettroni di legame significa che intorno a quell’atomo c’è una densità elettronica maggiore ovvero un delta meno sull’atomo,quindi, quell’atomo tenderà a reagire soltanto con un altro atomo che invece è povero di elettroni quindi che ha un delta più.Quindi è importante capire l’elettronegatività di un atomo all’interno della molecola perché ci permette di capire se quell’atomo reagisce e con chi.Se ha una densità di elettroni alta(ha un delta meno) reagirà con un atomo di un altro composto che ha una carenza di elettroni,una lacuna di carica cioè un delta più.Praticamente in chimica organica la maggior parte delle reazioni che noi faremo sono queste:tra un atomo che è un delta meno e un altro atomo che è delta più.Se li individuiamo sappiamo dire con chi reagisce.Non c’è da imparare a memoria(tranne alcune nozioni di nomenclatura)ma bisogna capire.L’elettronegatività aumenta da sinistra verso destra lungo un periodo e cresce dal basso verso l’alto lungo un gruppo.Il carbonio ha elettronegatività 2,5 mentre il fluoro 4,0.Nei composti organici troveremo il carbonio legato all’idrogeno,ossigeno,azoto etc.L’ossigeno ha elettronegatività 3,5 per cui è un punto più elettronegativo del carbonio,quindi quando troveremo in un composto organico il carbonio legato all’ossigeno significa che l’ossigeno attira densità elettronica dal legame con il carbonio e sull’ossigeno troveremo delta meno e sul carbonio delta più,così come quando avremo l’azoto.Invece l’idrogeno ha elettronegatività 2,1 che è paragonabile a quella del carbonio per cui il legame tra carbonio e idrogeno non è particolarmente polarizzato. Abbiamo anche imparato a definire i legami in base alla differenza di elettronegatività.In un composto in cui i due atomi sono uguali ad esempio se immaginiamo una molecola di idrogeno H2 gli atomi ovviamente sono uguali per cui non abbiamo nessuna differenza di elettronegatività quindi il momento dipolare(il simbolo è µ e si legge “mu”) è zero e quindi la molecola è apolare.In questo caso abbiamo un legame covalente.Se invece c’è una differenza di elettronegatività in cui avremo un elemento più elettronegativo e uno più elettropositivo per cui su uno avremo delta più e su uno delta meno,parliamo di un legame covalente polare.Se poi questa differenza di elettronegatività supera 1.7 allora il legame diventa ionico perchè è talmente grande la differenza che un elemento attira talmente a sé gli elettroni di legame che diventa anione e l’altro sarà un catione.Ad esempio se abbiamo un legame tra il cloro 3.0 e il sodio 0.9 abbiamo che la differenza è superiore a 1.7 per cui il legame tra cloro e sodio è ionico. Mappe di densità elettronica.Sono rivolte in particolare a delle porzioni della molecola e in particolare a quella zona della molecola che chiameremo gruppo funzionale,in altre parole quella zona della molecola che comprende due o al massimo tre atomi che è la zona che ci interessa che andrà a reagire.Cosa rappresentano queste mappe di densità elettronica?Hanno dei colori che vanno dal rosso al blu.Il rosso significa che c’è un’alta densità elettronica quindi delta meno,il blu che c’è un delta più e rappresentano proprio la delocalizzazione degli elettroni intorno ad un legame.Se abbiamo la molecola di acido cloridrico la mappa di densità elettronica ha una zona molto rossa intorno al cloro e una zona blu verso l’atomo di idrogeno perché è un legame molto polarizzato.Troveremo mappe di densità elettronica per gli alcoli etc per cui dobbiamo imparare a guardarle. Nel caso in cui la differenza di elettronegatività diventa molto grande abbiamo i composti ionici che in genere sono di solito solidi a temperatura e pressione ambiente in cui possiamo notare una struttura prismatica. Abbiamo visto le varie strutture dell’atomo e i diversi modelli che spiegavano il comportamento dell’atomo fino alla teoria atomica,quindi la struttura dell’atomo ha avuto un’evoluzione perché bisognava spiegare una serie di fenomeni che si osservavano e che il modello precedente non spiegava.Anche per i legami Il carbonio, spesso nella formazione dei legami con altri atomi, cambia la sua configurazione elettronica.Lo stato fondamentale del carbonio è pari a 6, (Z=6); 1s2 2s2 2p2, quindi il livello 2 dell’orbita di tipo p ci sono solo due elettroni, ma dato che nell’orbitale p sono 3 , ci aspettiamo quindi che 2 di questi orbitali p siano occupati con elettroni.Se il carbonio mantenesse questo stato fondamentale potrebbe formare solo 2 legami, ma il carbonio forma sempre 4 legami, quindi il carbonio quando è da solo avrà questo stato fondamentale, ma già se è legato ad un altro atomo si modifica. Si può modificare in diversi modi in base all’atomo con cui interagirà. Lo stato fondamentale del carbonio (Z=6) : 1s2 2s2 2p2 , ma possiamo avere diversi stati ibridi del carbonio: -4sp3 -3sp2 e 1p -2sp e 2p Il processo di ibridazione è il risultato di un processo quanto-meccanico LCAO(combinazione lineare di orbitali atomici) e consiste nella combinazione della funzione d’onda, in questo caso dell’ orbitale 2s con quelle dei tre orbitali 2p. In questo processo i quattro elettroni di valenza sono descritti da 4 nuovi orbitali ibridi sp3. -Ibridazione del carbonio sp3:ad esempio il metano CH4, il carbonio forma quattro legami.Come li forma se ha solo 2 elettroni spaiati? Formando 4 legami, si deduce che ha una configurazione di tipo tetraedrica e quindi il numero storico =4 , classe AX4. I quattro orbitali sp3 sono degeneri,e la loro energia è intermedia tra quella degli orbitali s e p. Intorno ad un atomo di carbonio avremo 2 legami sul piano, 1 che esce fuori dal piano che si rappresenta con il legame pieno(in figura quello scuro) e 1 legame che si trova dietro(rappresentato con linee tratteggiate)perché nel tetraedro gli angoli di legame sono di 109,5 gradi.. Lo immaginiamo come una piramide dove le 4 facce sono tutte uguali, il carbonio si trova al centro della piramide, i legami sono rivolti verso i vertici e tutti gli angoli HCH sono di 109,5 gradi. Questi 4 legami li forma perché può formare uno stato ibrido ovvero mescola l’energia degli orbitali 2s2 e l’energia degli orbitali 2p2 per poi formare 4 orbitali ibridi di tipo sp, oppure può mescolare 3 orbitali di tipo sp2 e 1p oppure può mescolare 2 orbitali sp e 2 orbitali p. Questi sono i 4 stati ibridi del carbonio che nascono dallo stato fondamentale del carbonio. Il tipo di ibridazione del carbonio dipenderà dal tipo di atomo che andrà a legare. Se andrà a legare 4 atomi formerà legami semplici e avrà ibridazione sp3 e avremo 4 orbitali con stessa energia. Se invece andrà a formare dei doppi legami avrà ibridazione sp2 mentre se formerà tripli legami avrà ibridazione sp. Quando si ibridizzano gli orbitali atomici il numero di orbitali ibridi che si formano è sempre pari alla somma di quelli che si sono mescolati. Gli orbitali come si orientano? Gli orbitali partono tutti dal carbonio e sono orientati verso i vertici della piramide, contengono gli elettroni quindi potranno formare i legami. Se sommiamo un orbitale s e un altro orbitale s si formerà una molecola, quando si forma una molecola gli elettroni non appartengono più agli orbitali s ma fanno parte dell’orbitale molecolare che è ottenuto dalla combinazione lineare di queste funzioni d’onda s s e si è formato l’orbitale molecolare di tipo sigma, se lego il carbonio ibridato sp3 con un H( idrogeno), la combinazione lineare tra le funzioni d’onda sp3 e s dell’ idrogeno, quindi sp3 e s formano un legame semplice quindi ancora una volta gli elettroni si troveranno nell’orbitale sigma. Ancora, se formo un legame semplice carbonio-azoto, dove il carbonio è ibridato sp3 e l’azoto è ibridato sp3 avrò ancora una volta gli elettroni nell’orbitale molecolare sigma. Quindi quando si forma un legame semplice, qualunque sia l’orbitale di partenza e si forma un legame semplice( dove o sommo un s-s, o sommo un p-p lungo l’asse, o sommo un sp3-sp3) avrò sempre un orbitale molecolare di tipo sigma. LEGAME SIGMA CORRISPONDE A UNA COPPIA DI ELETTRONI. Solo nel caso in cui il legame si forma fra c-c (carbonio -carbonio) dove incontriamo l’orbitale p parallelo all’orbitale p dell’altro carbonio, solo nel caso in cui gli orbitali p si sommano per formare il legame si formerà l’orbitale molecolare lateralmente avremo un orbitale molecolare sopra e sotto al piano avrò in questo caso un orbitale molecolare pi greco. LEGAME SEMPLICE = orbitale molecolare sigma (sola coppia di elettroni tranne per combinazioni di 2 orbitali p ma non lungo l asse ma paralleli tra loro allora avremo una combinazione sopra e sotto il piano= orbitale pi greco) IBRIDAZIONE SP3 avremo struttura geometrica: tetraedrica con angoli di legame di 109,5 gradi. -Ibridazione del carbonio sp2: Possiamo avere anche il carbonio in un altro stato ibrido, in cui mescolando vari orbitali si formano 3 orbitali sp2 e 1 orbitale p. Quando il carbonio si trova in questa configurazione ibrida, questi 3 orbitali ibridi sp2 sono orientati in un piano a 120 gradi( massima distanza possibile in cui possiamo disporre gli atomi in un piano) e giacciono tutti sullo stesso piano, mentre l’orbitale p, il quale è a due lobi, si trova ortogonale al piano individuato dagli orbitali sp2. Questo carbonio avrà gli orbitali sopra e sotto il piano. Se si trova vicino ad un altro orbitale con un altro carbonio ibridato sp2, il quale ha anche un orbitale p sopra e sotto rispetto al piano, possono formare un legame pi greco. Questo tipo pio di ibridazione del carbonio la troveremo quando studieremo gli alcheni ( composto in cui troviamo un doppio legame C=C). -Ibridazione del carbonio sp:Si formano 2 orbitali sp, la massima distanza possibile è di 180 gradi, quindi si trovano lungo una linea, ma il carbonio ibridato sp ha un orbitale sp che si trova lungo una linea a 180 gradi, ma gli rimangono 2 orbitali p , dove un orbitale p si troverà sopra e sotto, un altro si troverà avanti e indietro rispetto al piano. La somma di questi orbitali p formeranno un primo legame pi greco, ma poi c’è un’altra coppia di orbitali p ortogonali a quelli di prima che formerà un altro legame pi greco. Quindi, quando avremo un carbonio ibridato sp formerà un orbitale sigma sp-sp e poi le due coppie formeranno un triplo legame. Questi stati di ibridazione li possiamo trovare anche in altri atomi quali: l’ossigeno, l’azoto. Infatti se osserviamo la molecola d’acqua H2O, osserviamo la configurazione dell’ossigeno, e la geometria dell’ossigeno, osserviamo che ha un’ibridazione sp3 ,sono 4 orbitali dell’ossigeno ibridati sp3, dove uno è utilizzato con l idrogeno, un altro è utilizzato per formare un altro legame con l idrogeno. Avendo quattro orbitali sp3 ci aspettiamo una geometria tetraedrica, ma queste 2 due coppie di elettroni che si trovano nell orbitale sp comportano che questi orbitali sp contengono un alta densità elettronica ed esercitano quindi una pressione notevole quindi l’angolo della molecola d’acqua non è 109,5, perché non abbiamo 4 atomi di idrogeno legati quindi la densità non è equamente distribuita, come nel metano, ma abbiamo due orbitali sp3 che contengono una coppia di elettroni i quali esercitano una pressione tale da avere un angolo HOH di 105 gradi in quanto si stringe l angolo. Avrò l’ossigeno ibridato sp3 ma sarà un tetraedro distorto. Lo stesso discorso vale per la molecola d’ammoniaca. Il momento dipolare indica come la densità elettronica di legame è spostata verso, sempre l’elemento più elettronegativo (Delta meno). E’ indicato dalla freccia in figura.