Riferimento di chimica organica

Il carbonio è l'unico elemento che combina quattro legami, un'elettronegatività moderata e la disponibilità a concatenarsi con sé stesso in anelli, rami e strutture — tanto che la chimica organica, la chimica dei composti del carbonio, comprende milioni di sostanze note, mentre tutti gli altri un centinaio di elementi insieme ne costituiscono una piccola frazione. Il nome è un residuo storico: un tempo i chimici credevano che questi composti richiedessero una «forza vitale» proveniente dagli esseri viventi, finché Wöhler non produsse nel 1828 l'urea, composto urinario, a partire da sali inorganici. La struttura portante della materia è semplice da enunciare: uno scheletro idrocarburico in gran parte inerte che porta uno o più gruppi funzionali che compiono la vera chimica.

Il pannello dei gruppi funzionali elenca 18 gruppi in ordine di priorità di nomenclatura IUPAC. Priorità qui significa nomenclatura, non reattività: quando una molecola porta più gruppi, quello a priorità più alta si prende il suffisso e gli altri vengono retrocessi a prefissi — l'acido lattico, CH₃CH(OH)COOH, si chiama ufficialmente acido 2-idrossipropanoico: il suffisso «-oico» prevale su «-olo». Le formule generali usano R (una qualsiasi catena di carboni) come spettatore, ed è proprio il punto: sostituite le R, la chimica del gruppo quasi non ne risente.

La denominazione segue quattro passaggi fissi: (1) trovare la catena continua più lunga che contiene il gruppo principale, (2) numerarla in modo che il gruppo principale (o il primo sostituente) ottenga il localizzatore più basso, (3) elencare i sostituenti in ordine alfabetico con i numeri di posizione, (4) applicare il suffisso del gruppo vincente. L'esempio del pannello degli alcani CH₃CH(CH₃)CH₂CH₃ percorre il caso classico: cinque atomi nella catena più lunga? No — quattro, quindi è il 2-metilbutano, non un pentano. Due gruppi sfuggono del tutto alla numerazione: gli atomi di carbonio dell'aldeide e del carbossile sono sempre C1 per definizione.

La sola formula non determina nulla della struttura. C₄H₁₀ è il butano (catena lineare) oppure il 2-metilpropano (ramificato) — stessi atomi, diversa connettività, punti di ebollizione diversi (−0,5 °C contro −11,7 °C). C₂H₆O è l'etanolo (liquido, con legami a idrogeno) oppure il dimetiletere (gas) — un'isomeria di gruppo funzionale così drastica che le due si somigliano a malapena. Il pannello dei tipi di isomeri classifica tutto questo: di catena, di posizione, di gruppo funzionale, più la tautomeria (chetone ↔ enolo), l'equilibrio dinamico che la chimica biologica sfrutta di continuo.

La connettività può essere identica e la molecola avere comunque due versioni. Gli isomeri geometrici (cis/trans, E/Z) richiedono una rotazione limitata — un doppio legame o un anello — quindi i pezzi restano bloccati ai loro lati. Gli enantiomeri sono immagini speculari non sovrapponibili (come le mani): ruotano la luce polarizzata in direzioni opposte e, soprattutto, possono avere effetti biologici diversi perché enzimi e recettori sono a loro volta chirali. I diastereoisomeri sono stereoisomeri che non sono immagini speculari, e i composti meso hanno centri chirali ma si annullano internamente. Anche la rotazione attorno ai legami singoli crea gli isomeri conformazionali — le forme a sedia e a barca del cicloesano sono la coppia famosa. La nomenclatura E/Z è la versione rigorosa di cis/trans: Z (zusammen) pone i gruppi a priorità alta dallo stesso lato, E (entgegen) dal lato opposto — essenziale quando nessuna delle due estremità porta gruppi identici.

Gli alcani sono saturi: C_nH_2n+2, ogni carbonio pieno di idrogeni, chimicamente pigri. Aggiungete un doppio o triplo legame e il composto diventa insaturo — C_nH_2n per un doppio legame — con una regione ad alta densità elettronica che invita l'attacco. Questa sola differenza guida le famiglie di reazioni: gli alcheni subiscono l'addizione (l'HBr si addiziona attraverso il doppio legame, con l'H che va sul carbonio meno sostituito secondo Markovnikov), mentre gli alcani possono solo la sostituzione radicalica sotto luce UV. Contare gli idrogeni rispetto a C_nH_2n+2 è il modo standard per trovare anelli e legami multipli dalla sola formula.

Quattordici schede di reazione si riducono a pochi schemi logici ricorrenti. La sostituzione scambia un gruppo uscente con un nucleofilo per due vie rivali: SN1 passa per un carbocatione in due stadi, prima lento poi veloce, con cinetica del primo ordine, favorita per substrati terziari in solventi polari protici; SN2 è un attacco dorsale in un solo stadio con cinetica del secondo ordine e completa inversione della configurazione, favorita per substrati primari in solventi polari aprotici. Addizione ed eliminazione sono inverse (creano o distruggono un doppio legame). L'ossidazione sale una scala — alcol primario → aldeide → acido carbossilico — mentre la riduzione (NaBH₄, LiAlH₄, H₂/Pt) la scende, ogni gradino un passaggio a due elettroni mascherato (vedi Redox).

• Organico significa naturale o vivente. Significa a base di carbonio. Plastiche, benzina e aspirina sono organiche quanto lo zucchero; la sintesi dell'urea di Wöhler ha chiuso nel 1828 l'idea della forza vitale.
• Gli isomeri hanno proprietà simili. L'etanolo bolle a 78 °C; il suo isomero dimetiletere a −24 °C. Architettura diversa significa fisica diversa.
• La tabella di priorità classifica la reattività. Classifica solo la priorità di nomenclatura — un cloruro acilico è molto più reattivo di un acido carbossilico pur stando più in basso nell'ordine di nomenclatura.
• Il 2-metilbutano e il pentano sono la stessa cosa. Conta la catena continua più lunga: il ramo non conta. Il pentano richiederebbe cinque carboni collegati.

Strumenti correlati: Spettroscopia (come si identificano quei gruppi funzionali), Legami chimici (perché le catene C–C sono stabili) e Editor di strutture per disegnarle.