Ibridazione e legami del carbonio

Come elemento del IV gruppo il C ha scarsa tendenza a formare ioni, sia positivi che negativi e per tanto i suoi legami saranno di tipo covalente. Nei composti organici il C è tetravalente, salvo eccezioni rarissime.

Il capostipite degli idrocarburi è il metano CH₄ nel quale è dimostrato che il C si trova al centro di un tetraedro regolare ai cui vertici sono sistemati gli atomi d’H [1] Sul foglio si può rappresentare con le forme [2] [3] in cui si conviene che i legami a tratto continuo giacciano sul piano del foglio, quelli tratteggiati entrino nel foglio allontanandosi dall’osservatore, quelli a cuneo siano diretti verso l’osservatore. Rappresentazione [4] è una formula di struttura semplificata che non si pone problemi sul reale assetto spaziale della molecola. (Piramide a tre facce, nel punto centrale è posto un C)

H

C

H H

H

H

si allontana

H C H

in rilievo

H

[2]

H

H C H

H

H

H C H

H

Perché i legami C – H sono tra loro indistinguibili e diretti secondo i vertici di un tetraedro? La configurazione elettronica del C nello stato fondamentale (1 s² ,2 s² , 2 p¹_x ,2 p¹_y ) presenta un C bivalente , disposto a mettere in compartecipazione gli elettroni che da soli occupano un orbitale

(2p¹_x ,p ¹_y).

Si potrebbe pensare che il C assuma una configurazione di valenza (1 s² ,2 s¹ , 2 p¹_x ,2 p¹_y p¹_z ) in cui un elettrone passa da 2s a 2p_z, venendo così ad avere la possibilità di formare due legami in più, ma tali legami sarebbero distinguibili (un orbitale s e tre orbitali p).

Coke

distillazione Gas

Catrame

Carboni Gas d’aria

gassificazione Gas d’acqua

Gas misto

idrogenazione Idrocarburi

Naturali Gas naturali Metano

in via di Alcani C₂ – C₃

esaurimento

Gas

Benzine

Cherosene

Petrolio distillazione Gasolio

Oli lubrificanti

Olio combustibile

Residuo

Fonti di

materie

prime

Glicerina

Grassi e oli Sapori

Fibre sintetiche

Cellulosa

Carbone di legna

Tannini

Agricole Legno Oli essenziali

(rinnovabili) Trementina

Caucciù

Zuccheri Alcool

Alcool

Acido citrico

Amido Acido lattico

Acido glutamminico

Interviene a questo punto un’operazione matematica di ricalcolo di questi orbitali, chiamato IBRIDIZZAZIONE, con la quale partendo da un orbitale s e tre p si ottengono 1+3=4 orbitali ibridi di tipo sp³ ,indistinguibili tra loro e disposti ad un angolo di 109 (ibridizzazione tetraedrica). Queste nuvole di densità elettronica sono disposte in questo modo:

C C

[5] [6]

E vengono utilizzate nelle formazione di legami C – H per sovrapposizione con gli orbitali 1s di quattro atomi di H. Ciascuno dei quattro indistinguibili legami presenta simmetria cilindrica intorno all’asse che congiunge i nuclei dei due atomi e viene chiamato legame sigma (s). Tanti orbitali sp³ appartenenti ad atomi di C diversi possono sovrapporsi e formare lunghe catene

[C – C – C – C] – ; a legame covalente semplice C – C e la cosa lascia intravedere che i composti organici siano tanto numerosi. Che cosa succede a livello dei legami C – C ? Si consideri ora come modello l’etano[7], domandandosi se sia più verosimile rappresentarlo con la formula [8], nella quale gli H stanno alla massima reciproca distanza, o con la formula [9] derivante da una rotazione che fa perno sul legame sigma C – C , nella quale gli H sono alla minima distanza possibile.

H H

| | H

H – C C – H |

| | C

H H

H H

H H

C

|

H

[8]

H

C

H H

H

C

H H

[9]

A

H

H H

.

H H

H

B

H

H

H H

H H

La risposta è che di etano ce n’è uno solo, in quanto non ha senso vincolare una conformazione o l’altra , o altre ancora intermedie tra le due, essendo pressoché del tutto libera la rotazione intorno al legame sigma. Le proiezioni [10]e[11] ,rappresentano in modo convenzionale ma altrettanto efficace le conformazioni [8]e[9].

Oltre all’ibridizzazione sp³ il carbonio può presentare anche quella sp² . In tale caso si ottengono 1+2=3 orbitali ibridi di tipo sp² che risulteranno indistinguibili e sullo stesso piano ad angolo di 120 (IBRIDIZZAZIONE TRIGONALE) mentre l’orbitale 2p_z non coinvolto nell’ibridizzazione rimane inalterato e disposto normalmente al piano dei tre orbitali sp² [12].

Un carbonio di questo tipo richiede, per la sovrapposizione degli orbitali, almeno un secondo carbonio con il quale forma un legame sigma.

Un’ulteriore sovrapposizione fra i due orbitali 2p_z forma un legame p. In [13] è schematizzata la molecola dell’etilene, in cui compare il doppio legame C = C ( s p) oltre a quattro legami s

C – H.

H π H

σ

C  C

σ σ

H H

[12] [13]

A A

A H

  C = C               C = C

H  H H A

[15]

CIS TRANS

A differenza dell’etano il legame p porta un irrigidimento della struttura in quanto una rotazione intorno al legame C = C comporta la desovrapposizione degli orbitali 2p_z, cioè la rottura del legame p. Il legame p si trova sul piano ortogonale rispetto al piano (AA CC HH), per cui la struttura[14] che ha i 2 gruppi A dalla stessa parte rispetto al piano diventa distinguibile da quella [15] in cui i sostituenti A si trovano opposti (isomeri geometrici CIS – TRANS).

La serie continua con l’ibridizzazione sp : in tale caso si formano 1+1=2 orbitali ibridi sp(ibridizzazione digonale), opposti a 180 (condizione di minima repulsione), mentre gli orbitali 2p_y e 2p_z rimangono inalterati e disposti ortogonalmente fra loro come indicato in figura [16]. Due atomi di questo tipo formeranno un legame s C – C (sp+sp)  e due legami p (2p_z+2p_z, 2p_y+2p_y ), portando a una molecola tipo ACETILENE

I due legami p formano una nuvola che ha simmetria cilindrica rispetto all’asse C – C [17]. Questa volta, con tutti gli atomi allineati, non ha più senso andare a vedere che cosa succeda in caso di rotazione.

z

p_Y

Sp sp

x

y

P_Z

[16]

H H

[17]

H – C ≡ C – H

Nella tabella (2) che segue vengono riportate alcune caratteristiche dell’etano, dell’etilene,

dell’ acetilene che mostrano che al crescere del grado di insaturazione, cioè del numero di legami

C – C, cresce l’energia di tali legami e diminuisce, oltre alla loro lunghezza, anche quella dei legami C – H .