CONCETTI E LINGUAGGIO DELLA CHIMICA ORGANICA.  LE FORMULE DI STRUTTURA

 

Giovanni Torre

Dipartimento di Chimica, Università dì Modena

 

Alcuni anni fa mi è capitato di leggere su una rivista di educazione chimica un articolo dal titolo "Perché gli studenti odiano la Chimica" (J. Chem. Educ., 56, 1979).  In questo articolo, riferendosi al fatto che gli insegnanti "... con stile autoritario e introverso sono soliti ridurre tutta la Chimica a una serie di formule e di equazioni, scritte sulla lavagna in maniera tanto illeggibile quanto incomprensibile", si attribuivano alla delicata fase dell’insegnamento del linguaggio chimico molte colpe del generale disinteresse mostrato dalle giovani generazioni nei riguardi della scienza Chimica tutta.  Prendendo lo spunto da questo articolo penso che molti concorderanno con me quando affermo che l’insegnamento della Chimica, se condotto attraverso una errata o poco appropriata spiegazione e descrizione dei significati e dei contenuti semantici delle formule dei composti chimici e delle equazioni chimiche, comporta il più delle volte il rischio di far credere allo studente che questa scienza sia per così dire 'fredda' e ancora empirica, perché costituita da simboli che si devono imparare a memoria e di cui non si possono comprendere né i significati logici né i valori culturali.  A mio giudizio, allora, una corretta trattazione dei simboli atomici, delle formule e delle equazioni chimiche, deve prima di tutto mettere in chiaro che essi hanno la caratteristica di un vero e proprio linguaggio scientifico in continua evoluzione semantica in quanto espressione del pensiero chimico così come si è evoluto dall’inizio del secolo scorso, da quando cioè la Chimica ha perso definitivamente i connotati della precedente 'alchemia' per acquistare quelli di scienza moderna e autonoma.  Nel più generale spettro delle forme espressive della Chimica moderna un posto di preminenza spetta al linguaggio della Chimica Organica, cioè a quella parte della scienza chimica che risulta stranamente poco studiata e trattata nelle nostre scuole pur essendo essa stata, ed essendo ancora oggi, una delle principali protagoniste dei più importanti progressi scientifici del nostro secolo e pur costituendo, sempre essa, la base e il fondamento indispensabili per la comprensione della Chimica della Vita.

 

Nelle pagine che seguono cercherò di percorrere, sia pur brevemente, le varie fasi del cammino storico del linguaggio della Chimica Organica facendo riferimento alle scoperte e alle teorie scientifiche che maggiormente hanno contribuito alla sua nascita e alla sua evoluzione nel tempo.  Vedremo allora come queste fasi, se non si vuole considerare quella più complessa del linguaggio quanto-meccanico, si possano ridurre essenzialmente a tre, tutte fra di loro strettamente collegate e non in antitesi e a loro volta legate a poche teorie essenziali della storia più recente della Scienza Chimica.

 

NASCITA DEL LINGUAGGIO DELLA CHIMICA ORGANICA

Precedenti

Il simbolismo della Chimica Organica moderna è nato verso la fine degli anni cinquanta del secolo scorso cioè in un periodo della storia della Chimica in cui lo studio dei composti naturali (fino ad allora chiamati composti organici perché appartenenti al mondo della vita, cioè al mondo 'organizzato', in contrapposizione ai composti inorganici, cioè ai composti del regno minerale) assume definitivamente il carattere di scienza sperimentale.  Questo fondamentale salto di qualità è dovuto essenzialmente a due fattori:

i – alla nuova mentalità con cui gli scienziati nel periodo 1830-1850, e cioè dopo la prima sintesi di una sostanza considerata in senso classico 'organica', come l’urea, effettuata direttamente in laboratorio nel 1828 dal chimico tedesco Friedrich Wöhler senza l’intervento di alcun organo animale, prendono lentamente coscienza che la Chimica Organica, in quanto "chimica dei composti del carbonio" (secondo la definizione di Kekulé del 1859), rappresenta un aspetto particolare del più vasto mondo della scienza chimica e come tale è accessibile alle sole forze dell’intelletto umano;

ii al graduale perfezionarsi della tecnica di analisi quantitativa degli elementi presenti nelle sostanze organiche messa a punto da Justus von Liebig nel 1831.

 

Il principale risultato dei lavori di quell’epoca fu che anche al campo della Chimica Organica era possibile e necessario estendere la teoria atomica e che, di conseguenza, anche la composizione delle sostanze organiche potesse essere descritta dai simboli degli atomi costituenti.  Ma i risultati sperimentali fornivano altre informazioni sulle sostanze organiche:

a) in primo luogo, la maggior parte delle sostanze organiche è costituita da pochissimi elementi chimici e cioè, in ordine di importanza, da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto;

b) il rapporto numerico fra questi elementi, se viene espresso mediante il linguaggio delle formule molecolari, non obbedisce alle leggi stechiometriche delle proporzioni definite e delle proporzioni multiple e non dà indicazioni univoche sulla valenza del carbonio intesa, questa, come capacità dell’atomo di carbonio stesso di combinarsi con un numero determinato di altri atomi; per esempio, già nelle più semplici sostanze organiche costituite soltanto da carbonio e idrogeno, e cioè nel metano, nell’etano e nel propano le analisi indicano tre rapporti diversi fra il numero di atomi di carbonio e quello degli idrogeni, e rispettivamente 1/4 nel metano (formula molecolare CH4), 1/3 nell’etano (C2H6) e addirittura frazionario, 1/2,66, nel propano (C3H8);

c) pur se costituiti da un numero di elementi così limitato, a molti composti organici corrispondono gradi di complessità molecolare molto elevati, certamente non riscontrabili nei composti del regno minerale e tali da rendere difficile una identificazione delle sostanze stesse mediante la loro formula molecolare; per esempio, le formule molecolari della morfina, della chinina e della stricnina risultano essere rispettivamente del tipo C17H19O3N, C20H24O2N2, C21H22O2N2, cioè molto più complesse delle normali formule molecolari delle sostanze inorganiche;

d) la complessità delle sostanze organiche diventa massima quando esse presentano il fenomeno della isomeria, cioè quando due o più sostanze, pur mostrando proprietà diverse l’una dall’altra, presentano all’analisi elementare la stessa composizione centesimale e lo stesso peso molecolare e risultano quindi costituite dallo stesso numero di atomi dello stesso tipo; è questo il caso tipico dell’alcol etilico e dell’etere dimetilico, due sostanze cioè nettamente diverse già nelle loro proprietà macroscopiche (l’alcol etilico, è liquido a temperatura ambiente e pressione atmosferica mentre l’etere dimetilico è gassoso nelle stesse condizioni) ma con la stessa formula molecolare (C2H6O); questo fenomeno che risulta abbastanza comune fra le sostanze organiche, si verifica più raramente nel mondo inorganico.

 

Tutte queste scoperte mettono in evidenza lo stesso problema, e cioè che il linguaggio della formula molecolare (o formula bruta), largamente impiegato per le sostanze inorganiche, è insufficiente a descrivere le proprietà e le caratteristiche delle sostanze organiche.  Ma si deve soprattutto al fenomeno della isomeria il contributo maggiore per la formulazione della prima teoria strutturale della chimica moderna (1).  In pratica, questa scoperta indicava che le proprietà delle sostanze dipendono non soltanto dalla natura e dal numero degli atomi che le compongono, ma anche dalla loro reciproca disposizione nello spazio.  Per razionalizzare quest’aspetto della chimica del carbonio il chimico era costretto a ragionare in termini di struttura molecolare, cioè mediante teorie rivolte non più soltanto al macromondo ma anche al mondo invisibile delle singole molecole.  Di tutto ciò era ben cosciente Berzelius, il grande padre del linguaggio chimico, il quale, già nel 1834 dopo avere per primo introdotto il termine isomero nei riguardi delle sostanze che appunto presentavano il fenomeno in esame, così si esprimeva nei riguardi del problema della isomeria: "Non vi è dubbio che noi non siamo nelle condizioni di poter definire la posizione relativa degli atomi, ma è altrettanto indubbio che in ogni corpo esiste un determinato ordine nella loro posizione reciproca, senza il quale i corpi non possiederebbero le proprietà ad essi pertinenti" [1].

 

Le teorie strutturali di A. Scott Couper e August Kekulé (1858)

Una prima soluzione del problema della isomeria fu proposta in maniera indipendente da Couper e Kekulé nel 1858.  Per molti aspetti questa soluzione viene ancora oggi utilizzata per la descrizione di una numerosissima serie di fatti chimici.  Una introduzione linguisticamente corretta di queste teorie strutturali può partire dalla osservazione che nelle molecole dell’acqua (H2O), dell’ammoniaca (NH3) del metano (CH4) e del biossido di carbonio (CO2) gli atomi di idrogeno, di ossigeno di azoto e di carbonio, cioè gli stessi atomi presenti di solito nelle molecole organiche, mostrano rispettivamente valenze (o affinità nella terminologia originale) 1, 2, 3 e 4.  Nella loro forma più semplificata sia la teoria di Couper che quella di Kekulé esprimono gli stessi concetti, e cioè:

a) l’atomo di carbonio mantiene la sua tetravalenza sia nei suoi composti più semplici, come il metano e il biossido di carbonio, che nei composti organici complessi;

b) nel caso delle molecole complesse, le quattro affinità del carbonio vengono utilizzate per dare luogo a interazioni leganti anche con altri atomi di carbonio.

 

Chiaramente, è la seconda di queste due formulazioni quella che ha offerto il contributo più importante per la razionalizzazione dei complessi problemi presentati dai composti organici e descritti più sopra (2).  Con essa si può introdurre in modo abbastanza evidente l’idea fondamentale della capacità degli atomi di carbonio di legarsi fra di loro con la formazione di catene e la conseguente possibilità di avere fra i composti del carbonio strutture isomeriche e molto complesse.

 

Concetto di legame e formule di struttura

Per rappresentare mediante formule gli aspetti strutturali della sua teoria, Couper, più chiaramente di quanto abbia fatto in un primo momento Kekulé, ha introdotto il concetto di legame fra atomi, simbolizzando questo concetto con una lineetta (—).  In pratica, questo simbolo, subito utilizzato dai chimici dell’epoca, è rimasto fino ai nostri giorni, assumendo nel tempo significati sempre più sofisticati, fedele espressione linguistica della continua evoluzione del pensiero teorico della scienza chimica.  E ancora oggi, in prima approssimazione, facciamo corrispondere a ciascun atomo un numero di trattini uguale alla valenza dell’atomo stesso.  Rimanendo ai casi che ci interessano, esempi di come si possa rappresentare un atomo con la sua valenza utilizzando il simbolo del trattino sono i seguenti:

 

Idrogeno

(valenza 1)

Ossigeno

(valenza 2)

Azoto

(valenza 3)

Carbonio

(valenza 4)

 

Questa rappresentazione degli atomi consente di scrivere in maniera nuova le formule, che in questo modo acquistano un più ampio significato e sono chiamate formule di struttura.  Gli esempi seguenti mostrano la evoluzione linguistica che si ha fra formule molecolari e quelle di struttura nel caso delle molecole di idrogeno, acqua, ammoniaca e metano:

 

Formula molecolare

H2

H2O

NH3

CH4

 

Formula di struttura

 

 

 

 

Con ciò, il concetto di affinità chimica, dal suo originale significato esclusivamente stechiometrico (relativo cioè al rapporto fra i numeri di atomi che compongono una sostanza), acquista, attraverso il concetto di valenza, anche un significato più propriamente strutturale (possibilità di rappresentare la disposizione reciproca degli atomi in una molecola) e viene inteso come capacità di un atomo a formare un definito numero di legami.

 

Vantaggi delle formule di struttura

I vantaggi delle formule di struttura rispetto a quelle molecolari diventano ancora più evidenti nella Chimica Organica.  Infatti, i problemi che ci ponevano le formule brute, cioè sia la difficoltà di differenziare fra di loro composti aventi una composizione complessa, sia soprattutto la impossibilità di distinguere due composti con la stessa formula molecolare (isomeri), vengono in gran parte risolti con l’uso delle formule di struttura.  Per esempio, se ora utilizziamo lo stesso linguaggio grafico più sopra applicato alla semplice formula del metano e manteniamo la valenza del carbonio sempre uguale a quattro, si possono scrivere strutture di molecole più complesse.  In questi casi si tratta di utilizzare ancora le lineette che indicano legame fra gli atomi e di congiungere fra di loro con queste lineette anche più atomi di carbonio.

1) Vediamo il caso del metano, dell’etano, e del propano

 

 

Metano

Etano

Propano

Formula molecolare

CH4

C2H6

C3H8

 

Formula di struttura

 

In tutte le formule di struttura riportate gli atomi di carbonio sono rappresentati con valenza quattro mentre, come già detto, nelle più semplici formule molecolari essi risultano a valenza variabile.

2) Esempi di strutture complesse

Come già accennato, la capacità degli atomi di carbonio di formare fra di loro catene porta a una versatilità di forme tali da rendere praticamente illimitato il numero di possibili composti di questo elemento.  Vediamo come esempio alcune strutture che contengono soltanto cinque atomi di carbonio e che si possono già prevedere a tavolino (nelle strutture vengono indicati soltanto gli scheletri degli atomi di carbonio).  Strutture lineari e ramificate:

 

 

 

 

Strutture contenenti cicli di atomi di carbonio:

 

 

Naturalmente, in ognuna di queste strutture, gli atomi di carbonio possono "saturare" le rimanenti valenze, indicate con la lineetta libera, con altri atomi (in particolare con l’atomo di idrogeno).

3) Razionalizzazione del fenomeno della isomeria costituzionale

Come esempio di applicazione delle formule di struttura per differenziare isomeri riporto per esteso le formule di struttura dell’alcool etilico e del dimetil-etere.

 

 

Alcool etilico

Dimetil etere

Formula molecolare

C2H6O

C2H6O

 

Formula di struttura

 

Quindi, mediante l’impiego del simbolo di legame chimico, il fenomeno della isomeria viene razionalizzato, in questi casi, da strutture molecolari diverse, perché diverse sono le sequenze con cui si legano fra di loro i vari atomi costituenti (e in particolare gli atomi di carbonio).

 

Considerazioni ulteriori sulle formule di struttura

Sul piano strutturale i vantaggi dell’uso delle formule di struttura si trovano anche in un altro aspetto che possiamo illustrare utilizzando ancora la descrizione degli atomi di idrogeno, ossigeno, azoto e carbonio con le loro valenze precedentemente introdotte.  Se scriviamo le formule delle molecole d'acqua e di ossigeno osserviamo immediatamente che le due valenze dell’ossigeno possono essere "saturate" in due modi diversi: formando cioè, nel caso dell’acqua, due legami "semplici" (simbolizzati con una sola lineetta) con due atomi di idrogeno, oppure formando un "legame doppio" (simbolizzato con due lineette) con un altro atomo di ossigeno.

H–O–H

O = O

Analogamente, nel caso della anidride carbonica, la formula di struttura risulta la seguente:

O = C = O

In quest’ultima formula, ogni ossigeno utilizza le sue due valenze con lo stesso atomo di carbonio e il carbonio "satura" le sue quattro valenze mediante due doppi legami con gli ossigeni.  In generale, per questi atomi (ma anche per gli altri atomi), possiamo prevedere che i modi di saturazione delle rispettive valenze avvengano secondo le strutture seguenti:

 

  n. lineette

Atomo

Valenza

    una

1

    due

      

2

    tre

        

3

  quattro

        

4

 

Se ora si utilizzano questi atomi mantenendo costante il valore delle loro valenze pur nella diversità delle possibilità strutturali abbiamola disposizione una serie semplice di "mattoni" con cui costruire tutte le strutture e tutte le famiglie caratteristiche delle sostanze organiche.  Esempi con gli atomi di carbonio, di idrogeno, e di ossigeno:

 

Alcool etilico

Aldeide acetica

Acido acetico

 

Un’ultima considerazione: la presenza di legami multipli nella formula di struttura di un composto vuole indicare particolari proprietà chimiche che risultano caratteristiche dei cosidetti "composti insaturi".  In altre parole, la formula di struttura offre la possibilità di mettere in evidenza un aspetto che risulta di grande importanza per la Chimica Organica.  Per esempio, le sostanze che corrispondono alle formule dell’etano, dell’etilene, e dell’acetilene, pur essendo tutte costituite da carbonio e idrogeno, rappresentano i primi termini di tre famiglie di composti con proprietà assai specifiche e con caratteristiche estremamente differenziate da famiglia a famiglia.  Un discorso a parte bisogna fare per la storia e per la formula del benzene, sostanza che dalla formula molecolare (C6H6) dovrebbe essere caratterizzata da un elevato grado di insaturazione (per esempio come quello riportato per l’acetilene), ma che di questa insaturazione non mostra nessuna caratteristica chimica.  La formula ciclica ritenuta valida ancora oggi è frutto di una ingegnosa intuizione di Kekulé e della sua convinzione che bisognasse mantenere sempre una formale tetravalenza ai carboni, anche se i simboli di doppi legami utilizzati per mantenere questa te-travalenza, venivano a perdere nel caso del benzene i significati che hanno nella formula dell’etilene.

 

 

 

 

Etano

Etilene

Acetilene

Benzene

 

Note

(1) A 150 anni di distanza si può senz’altro affermare che raramente la scoperta di un fenomeno chimico ha portato con sé tante possibilità di progresso per la scienza chimica, come quella della isomeria.  Invece, e stranamente, sia nei testi di chimica che nel ciclo di lezioni dedicate al linguaggio chimico, l’aspetto didattico di questo fenomeno non è quasi mai utilizzato.  L’isomeria al massimo viene impiegata come esercizio formale programmato a posteriori e non come scoperta scientifica che invece ha permesso al chimico di cominciare a pensare in termini strutturali.

(2) Con questa formulazione si ammette che fra due atomi della stessa specie possa esistere affinità.  E ciò può far comprendere alcuni aspetti storici e umani interessanti.  Prima di tutto del perché a una simile conclusione non sia arrivato già venticinque anni prima il grande chimico Berzelius, il chimico cioè che si era già espresso in una analisi molto chiara e acuta nei riguardi del fenomeno della isomeria.  Semplicemente, Berzelius era stato il padre e uno dei più convinti assertori, per tutta la prima metà del XIX secolo, della teoria dualistica, di quella teoria cioè che riusciva a rendere ragione di tanti aspetti della chimica inorganica.  Secondo questa teoria non poteva esistere interazione fra atomi uguali poiché le forze di affinità, che permettevano ad esempio, la formazione di sostanze a carattere salino erano interpretate come una conseguenza di interazioni elettriche fra le opposte cariche di atomi differenti.  In secondo luogo, la concezione dualistica delle interazioni chimiche era la stessa che ha impedito per più di quaranta anni che il mondo degli scienziati chimici potesse accettare la teoria molecolare di Avogadro.  Piuttosto naturale quindi che sia la teoria di Couper che quella di Kekulé siano maturate all’interno di questo mondo, proprio nello stesso periodo (1858) in cui esso si mostrava pronto ad accettare anche la teoria unitaria atomico-molecolare di Avogadro (opera e lavoro di Cannizzaro; Congresso di Karlsruhe – 1860).

 

Bibliografia

1. J. Berzelius, Zusammensetzung der Organischen Atomein Jahresberichte über die Fortschritte der physischen Wissenschaften, XIII, 1834.

 

 

Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola, 1986, 1, 11-14.  Riprodotto con l’autorizzazione del Prof. Pierluigi Riani, direttore di CnS.