Chimico cablato
La composizione di un composto è data dalla sua formula. Se il composto è un composto ionico può avere solo una formula. Il composto ionico cloruro di magnesio ha la formula, MgCl2, che ci dice che il composto consiste di magnesio e cloro e che ci sono due atomi di cloro per ogni atomo di magnesio. Per il composto covalente benzene, ci sono diverse formule. In primo luogo, la formula empirica CH ci dice che il composto contiene solo carbonio e idrogeno e che per ogni atomo di carbonio c’è un atomo di idrogeno. In secondo luogo, la formula molecolare ci dice quanti di ogni tipo di atomo sono presenti in una molecola. Per il benzene, la formula molecolare è C6H6, e quindi ci sono sei atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno in una molecola. Notate che la formula molecolare è sempre un multiplo della formula empirica (6 x CH = C6H6).
In terzo luogo, quando abbiamo a che fare con le molecole vorremmo anche sapere come sono disposti gli atomi. Questo è rappresentato dalla formula strutturale. Per una molecola con sei carboni e sei idrogeni, gli atomi potrebbero essere disposti nel seguente modo:
In realtà, ci sono molti modi in cui i sei carboni e i sei idrogeni potrebbero essere disposti, ma quando la struttura del benzene è stata determinata sperimentalmente si è scoperto che i carboni erano disposti ad anello e che un idrogeno era legato ad ogni carbonio:
Può sembrare che ora sappiamo tutto quello che ci serve sulla struttura del benzene. Se si pensa alla molecola in 3 dimensioni, tuttavia, si cominciano a fare domande come: L’anello è planare? Quali sono gli angoli tra i legami carbonio-carbonio? L’anello è un esagono perfetto? A queste domande si può rispondere con tecniche sperimentali come la diffrazione dei raggi X, e le risposte possono essere date come una serie di angoli e lunghezze dei legami. Di solito è più conveniente trasmettere le informazioni come una sorta di formula strutturale tridimensionale. Le formule tridimensionali di solito prendono una delle tre forme: a) formule strutturali disegnate per dare una visione tridimensionale, b) disegno generato dal computer usato specificamente dai cristallografi a raggi X e di solito chiamato diagrammi ORTEP, e c) modelli molecolari, di solito generati dal computer. La figura 27 mostra una formula strutturale tridimensionale del benzene e dell’aminoacido alanina.
Figura 27. Formule tridimensionali per il benzene (modello al computer) e l’alanina (cuneo e linea).
Nota che un cuneo è usato per indicare che il gruppo si estende fuori dal piano della pagina verso il lettore, una linea continua per indicare un gruppo nel piano della carta, e una linea tratteggiata (o cuneo inverso) per indicare un gruppo dietro il piano della carta. Quando discuteremo della struttura nella prossima sezione, la ragione per l’uso di questi dispositivi diventerà più chiara. La figura 28 mostra un modello ball and stick e un modello space-filling per l’alanina.
Figura 28. Modelli di palla e bastone e di riempimento dello spazio dell’alanina.
Le formule strutturali dei composti organici possono essere particolarmente ingombranti. Consideriamo il composto 3-octene che ha la formula molecolare C8H16. La figura 29 mostra una serie di modi di scrivere la formula strutturale del 3-ottene. Nella parte (a) tutti i legami tra gli idrogeni e i carboni sono scritti. Questa formula mostra che il terzo carbonio ha un doppio legame che lo unisce al carbonio adiacente. La formula è in realtà una formula a punti di elettroni, di cui parleremo più avanti, ma mostra anche chiaramente quali atomi sono legati l’uno all’altro. Nella parte (b), la formula strutturale viene in qualche modo condensata mettendo gli atomi insieme in gruppi. Per esempio, il gruppo CH3 designa tre idrogeni attaccati a un carbonio. Questo gruppo può anche essere scritto come H3C. Nella parte (c), la formula strutturale è ancora più condensata omettendo gli atomi di carbonio e di idrogeno. Questo tipo di formula di riga è usato frequentemente dai chimici organici a causa della complessità delle formule di molti composti organici.
Figura 29. Formule per il 3-ottene.
Perché questo tipo di formula è un po’ insolito, consideriamo alcuni semplici esempi. Il composto alcool isopropilico (alcool per strofinare) ha la formula (CH3)2CHOH, che dovrebbe essere interpretata per significare che due gruppi metilici, un idrogeno e un gruppo OH sono attaccati a un carbonio:
In notazione di formula lineare, l’alcool isopropilico sarebbe scritto:
Si presume che il lettore riconosca che la terminazione di ogni linea e la giunzione di una linea con un’altra rappresentano un carbonio e abbastanza idrogeni attaccati per fornire quattro legami intorno ad ogni carbonio.
Un altro esempio è il composto acetato di etile, che ha la formula CH3COOCH2CH3. Questo composto contiene il gruppo carbossilico (COO) che ha un ossigeno legato doppiamente al carbonio mentre l’altro ossigeno è legato singolarmente al carbonio. Quindi, la formula strutturale completa che mostra tutti i legami è:
La formula condensata è:
e la formula lineare è:
Il premio Nobel Roald Hoffmann, un chimico fisico interessato a molti argomenti diversi, dice delle illustrazioni: “Cosa sono questi curiosi disegni che riempiono le pagine di un articolo scientifico? Ora pongo la domanda dal punto di vista di un artista o di un disegnatore. Non sono proiezioni isometriche, certamente non sono fotografie. Eppure sono ovviamente tentativi di rappresentare in due dimensioni un oggetto tridimensionale allo scopo di comunicare la sua essenza a qualche lettore remoto.
“È affascinante vedere le strutture chimiche sulle pagine di ogni rivista e rendersi conto che da informazioni così minime la gente può effettivamente vedere le molecole con l’occhio della mente. Gli indizi di tridimensionalità sono minimi. Le molecole galleggiano (vedi sotto), e di solito si è scoraggiati dal mettere una serie di piani di riferimento per aiutarvi a vederle (al centro).
“Alcuni chimici fanno così tanto affidamento sul codice che non disegnano il norbornano come a sinistra dell’illustrazione qui sopra, ma come a destra. Qual è la differenza? Una linea “attraversata” invece di “rotta”. …
“Le politiche delle riviste, i loro limiti economici e la tecnologia disponibile pongono dei vincoli non solo su ciò che viene stampato ma anche su come pensiamo alle molecole. Prendiamo il norbornano (vedi sotto). Fino al 1950 circa nessuna rivista al mondo era disposta a riprodurre questa struttura come mostrato in basso a destra. Invece lo si vedeva nella rivista come illustrato a sinistra.
Ora tutti sapevano dal 1874 che il carbonio è tetraedrico, cioè che i quattro legami ad esso si formano lungo le quattro direzioni che si irradiano dal centro di un tetraedro ai suoi vertici. I modelli molecolari erano disponibili o potevano essere costruiti con relativa facilità. Eppure ho il sospetto che l’icona del norbornano che un tipico chimico aveva in mente intorno al 1925 era quella a sinistra, non quella a destra. Era condizionato da ciò che vedeva in una rivista o in un libro di testo – un’immagine, e un’immagine piatta. Potrebbe essere stato – penso che spesso lo sia stato – spinto ad agire (nel sintetizzare un derivato di questa molecola, per esempio) da quella irrealistica immagine bidimensionale*.”
*Roald Hoffmann, The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995, pagina 76-78.