- Questa è un'introduzione al gruppo carbonilico in chimica organica.
- Inizieremo con l'esaminare il gruppo carbonilico, la sua struttura e la sua polarità.
- Esploreremo poi alcuni composti carbonilici e le loro proprietà.
- In seguito, esamineremo gli usi dei composti carbonilici.
Che cos'è un gruppo carbonilico?
Il gruppo carbonilico è un gruppo funzionale contenente un atomo di carbonio legato con un doppio legame ad un atomo di ossigeno, C=O.
Il termine "carbonile" può anche riferirsi a un ligando neutro di monossido di carbonio legato a un metallo. Un esempio è il tetracarbonile di nichel, Ni(CO)4. Per saperne di più sui ligandi, vedere Metalli di transizione. Tuttavia, quando si parla di "carbonile" nel resto di questo articolo, si intende il gruppo funzionale della chimica organica: C=O.
Ora che sappiamo cos'è il gruppo carbonilico, entriamo subito nel merito della sua struttura e del suo legame.
Struttura del gruppo carbonilico
Ecco la struttura del gruppo carbonilico:
Figura 1. Il gruppo carbonilico.
Scomponiamo questa struttura. Noterete che c'è un atomo di carbonio legato con un doppio legame ad un atomo di ossigeno. Si noterà inoltre la presenza di due gruppi R. I gruppi R sono utilizzati per rappresentare il resto della molecola. Ad esempio, possono rappresentare qualsiasi gruppo alchilico o acilico, o anche solo un atomo di idrogeno. I gruppi R possono essere uguali tra loro o completamente diversi.
Perché i composti carbonilici hanno due gruppi R? Ricordiamo che il carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio esterno, come mostrato di seguito.
Figura 2. Gli elettroni del guscio esterno del carbonio.
Per diventare stabile, deve avere un guscio esterno pieno, cioè otto elettroni del guscio esterno. A tal fine, il carbonio deve formare quattro legami covalenti: un legame con ciascuno dei suoi elettroni esterni. Il doppio legame C=O occupa due di questi elettroni. Restano quindi due elettroni, ciascuno dei quali si lega a un gruppo R.
Ecco un diagramma a punti e croce del legame covalente nei composti carbonilici. Abbiamo mostrato gli elettroni del guscio esterno dell'atomo di carbonio e le coppie di legame che condivide con l'atomo di ossigeno e i gruppi R.
Figura 3. Legame nel gruppo carbonilico.
Osserviamo più da vicino il doppio legame C=O. È costituito da un legame sigma e da un legame pi greco.
I legami sigma sono il tipo di legame covalente più forte, formato dalla sovrapposizione degli orbitali atomici. Questi legami sono sempre il primo tipo di legame covalente trovato tra due atomi.
I legami Pi sono un altro tipo di legame covalente leggermente più debole. Sono sempre il secondo e il terzo legame covalente che si trova tra gli atomi, formati dalla sovrapposizione laterale degli orbitali p.
Carbonio carbonilico
Come si formano i legami sigma e pi greco? Per capirlo, dobbiamo fare un'immersione profonda negli orbitali elettronici.
È necessario conoscere le configurazioni elettroniche del carbonio e dell'ossigeno. Il carbonio ha una configurazione elettronica 1s2 2s2 2p2 , mentre l'ossigeno ha una configurazione elettronica 1s2 2s2 2p4 . Queste sono mostrate di seguito.
Figura 4. Configurazione elettronica del carbonio e dell'ossigeno.
Per formare legami covalenti, il carbonio e l'ossigeno devono prima riorganizzare un po' i loro orbitali. Il carbonio promuove uno degli elettroni dal suo orbitale 2s al suo orbitale vuoto 2pz. Quindi ibridizza gli orbitali 2s, 2px e 2py, in modo che abbiano tutti la stessa energia. Questi orbitali identici ibridati sono noti come orbitali sp2.
Figura 5. Orbitali ibridizzati del carbonio.
Gli orbitali sp2 si dispongono a 120° l'uno rispetto all'altro in una forma trigonale planare. L'orbitale 2pz rimane invariato e si posiziona sopra e sotto il piano, ad angolo retto rispetto agli orbitali sp2.
Figura 6. Geometria degli orbitali dell'atomo di carbonio nel gruppo carbonilico.
L'ossigeno non promuove alcun elettrone, ma ibrida i suoi orbitali 2s, 2px e 2py. Ancora una volta, formano orbitali sp2 e l'orbitale 2pz rimane invariato. Questa volta, però, si noti che due degli orbitali sp2 dell'ossigeno contengono due elettroni, non uno solo. Si tratta di coppie di elettroni solitari, di cui parleremo più avanti.
Figura 7. Orbitali ibridizzati dell'atomo di ossigeno.
Quando il carbonio e l'ossigeno si uniscono per formare il gruppo carbonilico, il carbonio utilizza i suoi tre orbitali sp2 per formare legami covalenti singoli. Forma un legame covalente con ciascuno dei due gruppi R e uno con l'orbitale sp2 dell'ossigeno che contiene un solo elettrone spaiato. Gli orbitali si sovrappongono frontalmente, formando legami sigma.
Per formare un doppio legame, il carbonio e l'ossigeno utilizzano ora i loro orbitali 2pz. Ricordiamo che questi si trovano ad angolo retto rispetto agli orbitali sp2. Gli orbitali 2pz si sovrappongono lateralmente, formando un altro legame covalente sopra e sotto il piano. Si tratta di un legame pi greco. Di seguito abbiamo mostrato i legami tra ossigeno e carbonio.
Figura 8. Legami sigma e pi-greco tra ossigeno e carbonio nel gruppo carbonilico.
Per un altro esempio di doppio legame, questa volta tra due atomi di carbonio, si veda Isomeria.
Tornando alla struttura del gruppo carbonilico, possiamo notare che l'atomo di ossigeno possiede anche due coppie di elettroni solitari. Si tratta di coppie di elettroni che non sono coinvolte in un legame covalente con un altro atomo. Vedrete perché sono importanti più avanti nell'articolo.
Polarità del gruppo carbonilico
Avete visto la struttura del gruppo carbonilico, quindi ora esploreremo la sua polarità.
Il carbonio e l'ossigeno hanno valori di elettronegatività diversi. In effetti, l'ossigeno è molto più elettronegativo del carbonio.
L'elettronegatività misura la capacità di un atomo di attrarre una coppia condivisa di elettroni.
La differenza nei valori di elettronegatività crea una carica positiva parziale nell'atomo di carbonio e una carica negativa parziale nell'atomo di ossigeno. Questo rende il gruppo carbonilico polare. Osservate la struttura sottostante per capire cosa intendiamo.
Figura 9. La polarità del gruppo carbonilico.
Il simbolo che vedi, che sembra quasi una "S" riccioluta, è la lettera greca minuscola delta. In questo contesto, δ rappresenta le cariche parziali degli atomi all'interno di una molecola. δ+ rappresenta un atomo con carica parziale positiva, mentre δ- rappresenta un atomo con carica parziale negativa.
Poiché l'atomo di carbonio è parzialmente carico positivamente, è attratto da ioni o molecole con carica negativa, come i nucleofili. I nucleofili sono donatori di coppie di elettroni con carica negativa o parzialmente negativa. Ciò significa che molte delle reazioni che coinvolgono il gruppo carbonilico sono reazioni di addizione nucleofila. Te ne presenteremo alcune tra poco, ma puoi saperne di più anche in Reazioni di aldeidi e chetoni.
Che cosa sono i composti carbonilici?
Abbiamo già parlato del gruppo carbonilico, della sua struttura e della sua polarità. Finora avete imparato che:
Il gruppo carbonilico è un gruppo funzionale con formula generale C=O che viene attaccato dai nucleofili.
Il gruppo carbonilico è composto da un atomo di carbonio legato con un doppio legame ad un atomo di ossigeno. L'atomo di ossigeno forma un legame sigma e un legame pi greco con l'atomo di carbonio. L'atomo di ossigeno ha anche due coppie di elettroni solitari.
L'atomo di carbonio del gruppo carbonilico è legato a due gruppi R. Questi ultimi possono rappresentare qualsiasi gruppo alchilico o arilico.
La differenza dei valori di elettronegatività dell'ossigeno e dell'idrogeno crea una carica parziale positiva (δ+) nell'atomo di carbonio e una carica parziale negativa (δ-) nell'atomo di ossigeno.
Esempi di composti carbonilici
Esistono quattro esempi principali di composti carbonilici: aldeidi, chetoni, acidi carbossilici ed esteri.
Aldeidi
Qual è il suo marchio di profumi preferito? Dolce & Gabbana? Coco Chanel? Calvin Klein? Jimmy Choo? Lacoste? L'elenco è infinito? Tutti questi profumi hanno una cosa in comune: contengono composti chiamati aldeidi.
Un aldeide è un composto organico contenente un gruppo carbonilico con la formula generale RCHO.
Ecco un'aldeide:
Figura 10. Struttura generale di un'aldeide.
Se confrontiamo la struttura di un'aldeide con la struttura generale di un composto a gruppi carbonilici, possiamo notare che uno dei gruppi R è stato sostituito da un atomo di idrogeno. Ciò significa che nelle aldeidi il gruppo carbonilico si trova sempre a un'estremità della catena di carbonio. L'altro gruppo R può variare.
Esempi di aldeidi sono il metanale. In questa aldeide, il secondo gruppo R è un altro atomo di idrogeno. Un altro esempio è la benzaldeide. In questo caso, il secondo gruppo R è un anello benzenico.
Figura 11. Esempi di aldeidi.
Le aldeidi si formano dall'ossidazione di un alcol primario o dalla riduzione di un acido carbossilico. Partecipano comunemente a reazioni di addizione nucleofila. Ad esempio, reagiscono con ioni cianuro per formare idrossinitrili e con agenti riducenti per formare alcoli primari. Per saperne di più su queste reazioni, consultare Reazioni di aldeidi e chetoni.
Non sai cos'è un alcol primario? Consulta la sezione Alcoli, dove vi sarà spiegato tutto. Puoi anche scoprire come gli alcoli primari vengono ossidati in aldeidi in Ossidazione degli alcoli e come gli acidi carbossilici vengono ridotti in Reazioni degli acidi carbossilici.
Per ora abbiamo finito con le aldeidi. Passiamo a molecole simili, i chetoni.
Chetoni
Si può dire che aldeidi e chetoni sono cugini. La differenza fondamentale tra loro è la posizione del gruppo carbonilico e il numero di gruppi R. Nelle aldeidi, il gruppo carbonilico si trova a un'estremità della catena di carbonio, dando loro la struttura RCHO. Nei chetoni, il gruppo carbonilico si trova al centro della catena di carbonio, dando loro la struttura RCOR'.
Un chetone è un altro tipo di composto organico contenente il gruppo carbonile, con la struttura RCOR'.
Ecco la struttura generale di un chetone. Si noti il confronto con le aldeidi. Sappiamo già che nelle aldeidi uno dei gruppi R è un atomo di idrogeno. Nei chetoni, invece, entrambi i gruppi R sono una sorta di catena alchilica o acilica.
Figura 12. Struttura generale di un chetone
Un sempio di chetone è il propanone. Qui, entrambi i gruppi R sono gruppi metilici.
Figura 13. Un sempio di chetone.
Il propanone, CH3COCH3, è il chetone più semplice: non ne esistono di più piccoli. Questo perché nei chetoni il gruppo carbonilico deve trovarsi al centro della catena carboniosa. La molecola deve quindi avere almeno tre atomi di carbonio.
Un'altra differenza fondamentale tra aldeidi e chetoni è il modo in cui vengono prodotti. Mentre l'ossidazione degli alcoli primari produce aldeidi, l'ossidazione degli alcoli secondari produce chetoni. Allo stesso modo, riducendo un'aldeide si ottiene un'aldeide primaria, mentre riducendo un chetone si ottiene un alcol secondario. Ma come le aldeidi, anche i chetoni reagiscono in reazioni nucleofile. Anch'essi reagiscono con lo ione cianuro per formare idrossinitrili.
Avete mai sentito parlare della dieta keto? Si tratta di limitare l'assunzione di carboidrati, concentrandosi invece su grassi e proteine. La mancanza di zuccheri nella dieta fa entrare il corpo in uno stato di chetosi. Invece di bruciare glucosio, il corpo utilizza gli acidi grassi come combustibile. Alcuni di questi acidi grassi vengono trasformati in chetoni, che circolano nel sangue come molecole di segnalazione e fonti di energia. La dieta keto è stata un po' una mania negli ultimi anni e alcune persone la seguono per la perdita di peso e la salute generale. Tuttavia, i ricercatori sono ancora indecisi se uno stato di chetosi faccia bene o meno.
Acidi carbossilici
Con cosa vi piace cospargere il vostro fish and chips? Un po' di aceto? Una fetta di limone o lime? Ketchup a parte? Un po' di maionese? Questi condimenti contengono tutti acidi carbossilici.
Un acido carbossilico è un composto organico con il gruppo funzionale carbossile, -COOH.
Il termine carbossile ti suona familiare? È un mix dei termini carbonile e idrossile. Questo ci dà un indizio sul gruppo funzionale carbossilico: contiene sia il gruppo carbonilico, C=O, sia il gruppo idrossilico, -OH. Ecco la struttura generale di un acido carbossilico. Confrontandola con la struttura generale di un composto carbonilico, si può notare che uno dei gruppi R è stato sostituito da un gruppo ossidrilico.
Figura 14. Struttura generica di un acido carbossilico.
L'acido carbossilico più comune, presente in molti alimenti e condimenti come ketchup e maionese, è l'acido etanoico. Un altro esempio è l'acido citrico, presente negli agrumi come limoni, lime e arance. Si tratta di un acido carbossilico molto più complicato che contiene tre gruppi carbossilici.
Figura 15. Esempi di acidi carbossilici.
Gli acidi carbossilici possono essere prodotti ossidando un alcol primario. Ad esempio, se si apre una bottiglia di vino e la si lascia indisturbata per un po' di tempo, questa diventerà acida. Questo accade perché l'alcol contenuto nel vino si ossida in un acido carbossilico.
Come suggerisce il nome, gli acidi carbossilici si comportano come i tipici acidi, anche se sono solo deboli. Perdono ioni idrogeno in soluzione e reagiscono con ogni tipo di base, come idrossidi e solfati. Possono anche essere ridotti ad aldeidi e alcoli primari e reagiscono con gli alcoli per formare esteri. Passiamo ora agli esteri.
Ecco un pratico diagramma che mostra la conversione tra alcoli, aldeidi, chetoni e acidi carbossilici.
Figura 16. Conversione di alcoli, aldeidi, chetoni e acidi carbossilici.
Per saperne di più sulle reazioni a cui sono sottoposti gli acidi carbossilici, leggi Reazioni degli acidi carbossilici.
Esteri
Abbiamo già accennato alla maionese. È composta da tuorlo d'uovo, olio e aceto. L'aceto contiene acidi carbossilici, ma in questo momento siamo più interessati all'olio e al tuorlo d'uovo. Essi contengono trigliceridi, che sono un tipo di estere.
Un estere è un composto organico con formula generica RCOOR'.
Osservate la struttura di un estere, riportata di seguito. Come tutte le molecole che abbiamo esaminato finora, si tratta di un tipo di composto carbonilico. Ma notate la posizione del gruppo carbonilico. Da una parte è legato a un gruppo R. Dall'altro lato, è legato a un atomo di ossigeno. L'atomo di ossigeno è poi legato a un secondo gruppo R.
Figura 17. La struttura generale di un estere.
Tra gli esteri più comuni vi sono l'etanoato di etile, il propanoato di etile e il metanoato di propile. Hanno tipicamente un odore fruttato e vengono utilizzati come aromi negli alimenti o come profumi.
Figura 18. La struttura di etil etanoato. Fonte: commons.wikimedia.org
Non preoccuparti di dare un nome agli esteri per ora: Esteri ne parla in modo molto più approfondito. Ma se siete interessati, la prima parte del nome deriva dall'alcol utilizzato per produrre l'estere, mentre la seconda parte del nome deriva dall'acido carbossilico. Per esempio, l'etanoato di metile si ottiene dal metanolo e dall'acido etanoico.
Gli esteri sono prodotti in una reazione di esterificazione tra un acido carbossilico e un alcol. La reazione produce anche acqua. Possono essere idrolizzati nuovamente in un acido carbossilico e in un alcol utilizzando un catalizzatore acido forte.
L'esterificazione e l'idrolisi degli esteri sono due facce della stessa reazione reversibile. Per scoprire come favorire l'una o l'altra, visitate la sezione Reazioni degli esteri.
Derivati acidi
L'ultimo gruppo di composti che analizzeremo oggi è noto come derivati acidi. Come suggerisce il nome, si tratta di molecole legate agli acidi carbossilici.
I derivati acidi sono molecole a base di acidi carbossilici, in cui il gruppo ossidrile è stato sostituito da un altro atomo o gruppo, Z. Hanno la formula RCOZ.
Ecco la struttura generale.
Figura 19. Struttura generale di un acido derivato.
Ad esempio, i cloruri acilici hanno come gruppo Z un atomo di cloro. Ecco un esempio, il cloruro di etanoile.
Figura 20. Un esempio di acido derivato.
I derivati acidi sono utili perché sono molto più reattivi degli acidi carbossilici. Il gruppo ossidrile, infatti, è un gruppo di partenza poco adatto, in quanto preferisce rimanere all'interno dell'acido carbossilico. Il cloro, invece, è un gruppo di distacco migliore. Ciò consente ai derivati dell'acido di reagire con altre molecole e di aggiungere il gruppo acilico a un altro composto. Questo processo è noto come acilazione.
Il gruppo acilico è un tipo di gruppo carbonilico, RCO-. Si forma quando si rimuove il gruppo ossidrile da un acido carbossilico. Per saperne di più sull'acilazione e sui derivati acidi, consultare la sezione Acilazione.
Composti carbonilici
Questo è tutto per i composti carbonilici! Per aiutarvi a confrontarli, abbiamo preparato una comoda tabella che riassume le loro strutture e formule.
Composti carbonilici | Formula generale | Struttura |
Aldeidi | RCHO | 
|
Chetoni | RCOR' | 
|
Acidi carbossilici | RCOOH | 
|
Esteri | RCOOR' | 
|
Acidi derivati | RCOZ | 
|
Proprietà dei composti carbonilici
Vi state chiedendo come il gruppo carbonilico influisca sulle proprietà dei composti carbonilici? Lo scopriremo ora. Naturalmente, le proprietà variano da composto a composto, ma questa è una buona panoramica di alcune delle tendenze che vedrete. Ma per comprendere le proprietà dei composti carbonilici, dobbiamo ricordare due fatti importanti sul gruppo carbonilico.
- Il gruppo carbonilico è polare. In particolare, l'atomo di carbonio è parzialmente carico positivamente e l'atomo di ossigeno è parzialmente carico negativamente.
- L'atomo di ossigeno è parzialmente carico negativamente.
Vediamo come questo influisce sulle proprietà dei composti carbonilici.
Punti di fusione ed ebolizione
I composti carbonilici hanno punti di fusione e di ebollizione più elevati rispetto agli alcani. Ciò è dovuto al fatto che sono molecole polari e quindi sperimentano forze dipolo-dipolo permanenti. Gli alcani, invece, non sono polari. Tra le molecole si manifestano solo forze di van der Waals, che sono molto più deboli delle forze dipolo-dipolo permanenti e sono più facili da superare.
Gli acidi carbossilici, in particolare, hanno punti di fusione e di ebollizione molto elevati. Questo perché contengono il gruppo funzionale idrossile, -OH, per cui le molecole adiacenti possono formare legami a idrogeno. Questi sono il tipo di forza intermolecolare più forte e richiedono molta energia per essere superati.
Il legame a idrogeno, insieme alle forze di van der Waals e alle forze dipolo-dipolo permanenti, è trattato in modo più approfondito in Forze intermolecolari.
Solubilità
I composti carbonilici a catena corta sono solubili in acqua. Questo perché il gruppo carbossilico contiene un atomo di ossigeno con coppie di elettroni solitari. Queste coppie di elettroni solitari possono formare legami idrogeno con le molecole d'acqua, dissolvendo la sostanza. Tuttavia, i composti carbonilici a catena più lunga sono insolubili in acqua. Le loro catene idrocarburiche non polari ostacolano il legame idrogeno, interrompendo l'attrazione e impedendo alla molecola di dissolversi.
Figura 21. Legami a idrogeno tra i composti carbonilici e acqua.
Utilizzo di composti carbonilici
L'ultimo argomento di oggi sarà l'uso dei composti carbonilici. Ne abbiamo già menzionati alcuni, ma li ripasseremo e ne aggiungeremo altri.
- I composti carbonilici sono presenti in molti alimenti e bevande, dall'acido carbossilico dell'aceto ai trigliceridi degli oli, fino agli esteri utilizzati come aromi nei dolci preferiti.
- Il propanone è un solvente comune e l'ingrediente principale della maggior parte dei solventi per unghie e dei diluenti per vernici.
- Molti ormoni sono chetoni, come il progesterone e il testerone.
- L'aldeide metanale, nota anche come formaldeide, è utilizzata come conservante e per la produzione di resine.
A questo punto dovresti avere una buona conoscenza del gruppo carbonilico e dei suoi composti correlati e, con un po' di fortuna, vorrete saperne di più. Consulta gli articoli che abbiamo linkato sopra per saperne di più, dall'esterificazione e l'acilazione alle forze intermolecolari e ai legami pi e sigma.
Gruppo carbonilico - Punti chiave
- Il gruppo carbonilico è un gruppo funzionale contenente un atomo di carbonio legato a doppio filo con un atomo di ossigeno, C=O.
- I composti carbonilici hanno la struttura RCOR'.
- Il gruppo carbonilico è polare e l'atomo di ossigeno contiene due coppie di elettroni solitari. Per questo motivo, i composti carbonilici possono formare forze dipolo-dipolo permanenti tra loro e legarsi a idrogeno con l'acqua.
- I composti carbonilici hanno spesso luogo in reazioni di addizione nucleofila.
- Esempi di composti carbonilici sono aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri e derivati acidi.
- I composti carbonilici hanno punti di fusione e di ebollizione elevati e i composti carbonilici a catena corta sono solubili in acqua.
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