I Chimici sono riusciti a riassumere la grandissima varietà di reazioni organiche in 4 categorie. Questa classificazione si basa su caratteristiche comuni che andremo a vedere.
REAZIONE ORGANICHE vs REAZIONI INORGANICHE
Le reazioni organiche sono così tante che è difficile fare una stima di quante sono effettivamente vista la grande varietà di molecole organiche esistenti sulla Terra, la necessità di fare ordine tra tutte le varie reazioni organiche e cercare di tracciare un filo conduttore che le leghi almeno in parte ha portato alla formulazione di 4 tipi fondamentali di reazioni che andremo a vedere tra poco.
Nell’articolo Classificazione delle Reazioni Chimiche sono stati trattati i punti fondamentali per quanto riguarda le reazioni chimiche in generale, come per esempio la sintesi o il doppio scambio. Quanto vedremo in questo articolo è valido per le reazioni organiche, andremo a classificare e mettere in ordine le reazioni tipiche dei composti organici, reazioni che i composti inorganici non riescono generalmente a fare perchè risultano essere profondamente diversi dalla controparte organica.
Possiamo quindi dire che le prossime 4 tipologie di reazioni sono un’esclusiva solo dei composti organici e capiremo poi strada facendo il perchè i composti inorganici non riescono a imitarli.
REAZIONI DI ADDIZIONI
La prima tipologia di reazioni organiche sono le reazioni di addizione, facciamo subito un esempio per capire di cosa stiamo parlando e poi cerchiamo di delineare delle linee generali.
La reazione tra un alchene e un acido alogenidrico, per esempio HCl, porta alla formazione di un alogeno alcano. Di seguito vediamo la reazione tra il propene e HCl.
Notiamo che questa reazione è caratterizzata dalla presenza di 2 reagenti, l’acido e l’alchene, mentre dall’altra parte otteniamo solo un prodotto, l’alcano clorurato. Il doppio legale C=C è stato spezzato dalla molecola di HCl la quale si è addizionata agli elettroni che prima erano impiegati nel doppio legame per formare una molecola unica. In questa reazione siamo partiti da 2 molecole per ottenerne solo 1.
Possiamo generalizzare questa reazione scrivendola in questo modo:
A + B ======> AB
Una reazione organica si dice di addizione quando a partire da 2 o più reagenti di partenza si ottiene un unico prodotto.
Quando avviene l’addizione?
Le reazioni di addizione avvengono generalmente su Carboni con un’ibridazione sp2 ( C=C ) o sp ( C≡C ), queste ibridazioni permettono la rottura di un legame π, cioè di uno dei 2 legami del doppio legame o uno dei 3 legami del triplo legame. In questo modo la molecola ha gli elettroni necessari per riuscire a formare dei legami nuovi con altre molecole, come per esempio con gli acidi alogenidrici dell’esempio precedente. I Carboni con ibridazione sp3 non riescono a dare reazioni di addizione perchè formano già 4 legami con altrettanti sostituenti e non c’è spazio per addizionarne un altro.
Le reazioni di addizione coinvolgono quindi molecole insature come gli alcheni, gli alchini e i composti carbonilici.
Giusto per citare alcune tipologie di reazione di addizione abbiamo:
- Reazioni di addizione elettrofila al doppio e triplo legame
- Reazioni di addizione nucleofila al carbonile
- Reazioni di addizione di Michael
- Reazioni di addizione radicalica al doppio e triplo legame
In tutte queste reazione il numero di ossidazione degli atomi di C coinvolti cambia in base alle specie chimiche che vanno ad addizionarsi. Nell’esempio fatto prima il Carbonio centrale del propene si ossida perchè va a legare un atomo di Cl mentre il Carbonio esterno si riduce legando un atomo di H.
Le reazioni di addizione sono possibili anche su molecole organiche dove l’insaturazione non riguarda esclusivamente un doppio legame C=C.
REAZIONI DI ELIMINAZIONE
La reazione opposta a quella di addizione è l’eliminazione, si parte da una molecola singola la quale seguendo dei meccanismi di reazione specifici riesce a dividersi in 2 o più molecole.
Come esempio prendiamo la reazione di eliminazione di un iodoalcano.
Notiamo che partendo da una singola molecola ne abbiamo ottenute 2 delle quali generalmente una è una molecola di piccole dimensioni, nel nostro caso HI, chiamato di solito gruppo uscente. La formazione di un doppio legame C=C, oppure anche tra altri atomi per esempio C=N, è una caratteristica di questa reazione. Il distacco di H e I lascia sui Carboni interessati degli elettroni liberi i quali possono legarsi a formare legami π .
Possiamo generalizzare questa reazione scrivendola in questo modo:
AB ======> A + B
Una reazione si dice di eliminazione quando a partire da una singola molecola di partenza otteniamo come prodotti 2 o più molecole.
Quando avviene l’eliminazione?
Questa reazione avviene principalmente su Carboni sp3 e più raramente sugli sp2, queste 2 ibridazioni permettono ai Carboni coinvolti nella reazione di poter buttare fuori un sostituente ciascuno così da avere gli elettroni necessari alla formazione di un legame π . Per quanto riguarda i Carboni sp questo tipo di reazione non può avvenire perchè questo significherebbe la rottura dei legami σ tra i C del triplo legame e gli altri Carboni adiacenti, in più la formazione di un legame quadruplo tra 2 atomi di C non è possibile.
La reazione di eliminazione può anche partire da dei C ibridati sp3 e formare un prodotto dove gli atomi di C sono sempre ibridati sp3, in questo caso si tratta di una ciclizzazione e abbiamo quindi la formazione di una molecola ciclica, vedremo un esempio di questo tipo in fondo all’articolo.
Le reazioni di eliminazione coinvolgono quindi una grandissima varietà di composti organici, per esempio alcoli, alogenoalcani, tioli, ecc…
I 3 più importanti meccanismi di eliminazione sono:
- E2
- E1
- E1cb
Anche in questo caso il numero di ossidazione degli atomi di C coinvolti nella reazione generalmente cambia in base alle specie uscenti. In questo caso abbiamo che il C legato all’atomo di I si riduce mentre il C che perde l’atomo di H si ossida.
Questa tipologia di reazioni è ovviamente possibile anche su molecole organiche dove gli atomi coinvolti nell’eliminazione non sono necessariamente solo atomi di C.
REAZIONI DI SOSTITUZIONE
Senza ombra di dubbio questa è la tipologia di reazioni organiche più importante perchè la si incontra spessissimo nei vari meccanismi di reazione.
Già dal nome riusciamo a farci un’idea precisa di cosa queste reazioni fanno, prendono un dato gruppo e lo sostituiscono con un altro. Vediamo una reazione di sostituzione tra un bromoalcano e lo ione idrossido (OH–).
La reazione consiste nel far reagire tra di loro 2 reagenti e ottenere alla fine della reazione 2 prodotti, possiamo quindi vedere questa reazione come una reazione di doppio scambio. Semplicemente lo ione OH–, chiamato gruppo entrante, tramite una serie di passaggi specifici che dipende da reazione a reazione riesce a prendere il posto del Br, gruppo uscente, che prima era legato all’alcano. Partiamo da 2 reagenti e otteniamo quindi 2 prodotti.
Possiamo generalizzare questa reazione scrivendola in questo modo:
A + BC ======> AB + C
Una reazione si dice di sostituzione quando su una molecola è presente una specie chimica, detta gruppo uscente, che può essere sostituita da un’altra specie detta gruppo entrante.
Quando avviene la sostituzione?
La reazione di sostituzione avviene praticamente su ogni tipo di atomo perchè è sempre possibile sostituire in qualche modo un gruppo legato a un dato atomo, ovviamente la difficoltà e la velocità con la quale questo processo avviene è diverso caso per caso ma in linea teorica possiamo dire che la sostituzione è sempre possibile.
Si hanno quindi reazioni di sostituzione per ogni tipo di gruppo funzionale, di seguito sono elencati i meccanismi di sostituzione più comuni.
- SN1
- SN2
- Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica
- Reazioni di sostituzione nucleofila aromatica
- Reazioni di sostituzione carbonilica
Il numero di ossidazione del C che subisce la sostituzione può ovviamente cambiare in base alla natura del gruppo uscente e del gruppo entrante. Nel caso visto prima il numero di ossidazione per il C non cambia perchè sia O che Br sono atomi più elettronegativi di C.
Come detto anche altri atomi presenti nella molecola possono subire reazioni di sostituzione, è per esempio possibile convertire un gruppo -NH2 in -NHCH3.
REAZIONI DI TRASPOSIZIONE
Eccoci arrivati all’ultima tipologia di reazioni organiche, queste reazioni sono le meno frequenti e solo raramente vengono prese in considerazione quando ci si avvicina allo studio della Chimica Organica perchè necessitano di una comprensione abbastanza approfondita dei vari meccanismi di reazione.
Facciamo quindi un esempio per capire meglio di cosa si tratta.
Questa tipologia di reazioni consiste nel riarrangiamento spontaneo degli atomi di una molecola per ottenere un’altra molecola generalmente molto simile ma energeticamente più favorita.
Nell’esempio di prima si parte da un carbocatione secondario e tramite lo spostamento di un H si ottiene un carbocatione terziario, questo cosa ci dice? I carbocationi terziari sono più stabili di quelli secondari e la molecola quindi cercherà un modo per stabilizzarsi e per farlo dà una reazione di trasposizione.
Non è sempre facile riuscire a individuare se una data molecola riesce a dare una reazione di trasposizione e quando siamo sicuro che la trasposizione avverrà non siamo sicuri che ne avvenga solo una. Bisogna procedere con la reazione e in un successivo momento, dopo l’analisi dei prodotti, andare a verificare se quello che abbiamo ottenuto era atteso oppure no.
Una reazione si dice di trasposizione quando dentro una molecola avvengono delle rotture e successive formazioni di nuovi legami che rendono più stabile la molecola.
Quando avviene la trasposizione?
Esistono delle linee guida che ci permettono di individuare se una data molecola potrebbe o meno dare reazioni di trasposizione.
Uno dei requisiti necessari affinché questo avvenga è la necessità di avere una molecola molto energetica, come ad esempio un carbocatione. Sono i carbocationi le specie predilette per le reazioni di trasposizione, quando sappiamo che durante il meccanismo di reazione compare un carbocatione allora bisogna stare attenti che una trasposizione è possibile.
È ovviamente possibile avere trasposizione anche quando parliamo di molecole radicaliche, carbanioni e anche molecole neutre molto energetiche o molto ingombrate.
Esistono una marea di reazioni di trasposizione ma generalmente tutte seguono lo stesso schema, una piccola porzione di molecola, generalmente un -H o un -CH3, riesce a trasferirsi da un atomo a un altro per diminuire un po’ l’energia totale della molecola.
Queste reazione vengono scritte indicando la distanza tra gli atomi coinvolti e successivamente il gruppo che è stato trasposto oppure le si indica con il nome del loro scopritore, esistono quindi trasposizione del tipo:
- Trasposizione 1-2 di idruro
- Trasposizione 1-2 di metile
- Trasposizione di Beckmann
- Trasposizione di Curtius
Le trasposizioni possono avvenire a carico sia di atomi di C che di altri atomi, possono avvenire su molecole sia neutre che cariche.
Come già detto, queste reazioni sono spesso difficili da prevedere e da comprendere e quindi non le si considera quando ci si avvicina per la prima volta alla Chimica Organica.
ESEMPI DI REAZIONI ORGANICHE
Di seguito sono rappresentate altri esempi delle reazioni appena viste.
