Acidi, basi, elettrofili, nucleofili
Template:Risorsa Per riuscire a comprendere e prevedere il decorso di numerose reazioni organiche è necessario fare uso di due concetti che descrivono determinate proprietà delle molecole: i concetti di acidi e basi, e quelli di elettrofili e nucleofili.
Acidi e basi
Una prima classificazione che è possibile dare delle molecole è quella in acidi e basi. Le principali teorie sulle coppie acido-base che trovano applicazione pratica in chimica organica sono:
- Teoria di Arrhenius
- Teoria di Brønsted-Lowry
- Teoria di Lewis
Gli acidi e le basi vengono distinti in forti e deboli in base alla costante di equilibrio della relativa reazione di dissociazione.
Teoria di Arrhenius
Nel 1884 Arrhenius propose una prima teoria acido-base con cui definì:
- acido: sostanza che, in soluzione acquosa, produce ioni H+[1];
- base: sostanza che, in soluzione acquosa, produce ioni OH-.
Tale descrizione era adatta alla maggior parte degli acidi e basi all'epoca conosciuti.
-
Svante Arrhenius -
Johannes Nicolaus Brønsted -
Thomas Martin Lowry
Teoria di Brønsted-Lowry
La teoria formulata indipendentemente da Brønsted e Lowry nel 1923 definisce:
- acido: sostanza in grado di cedere ioni H+;
- base: sostanza in grado di accettare ioni H+.
La teoria di Brønsted-Lowry estende quindi il concetto di acido e base anche al caso di soluzioni non acquose e a composti che normalmente non sono considerati acidi o basi[2].
La teoria di Brønsted-Lowry evidenzia l'esistenza di un concetto di complementarità tra acidi e basi. Acidi e basi non possono mai esplicare il proprio comportamento se non in presenza l'uno dell'altro, in quanto la base riceve lo ione H+ ceduto dall'acido.
Teoria di Lewis
Nel 1923 (contemporaneamente a Brønsted e Lowry) Lewis definisce:
- acido: sostanza in grado di accettare un doppietto elettronico;
- base: sostanza in grado di donare un doppietto elettronico.
La teoria di Lewis estende quindi il concetto di acidi e basi a composti che non contengono ioni H+. Gli acidi di Lewis sono caratterizzati dalla presenza di un orbitale vuoto in grado di accettare un doppietto elettronico disponibile di una base di Lewis.
Approfondimento: La teoria HSAB
Nel 1968 Pearson propose la teoria HSAB (Hard and Soft Acid and Bases) come ampliamento della teoria acido-base di Lewis per descrivere i fattori qualitativi che influenzano le reazioni acido-base.
Pearson definisce:
- dure le specie di piccole dimensioni, fortemente cariche[3] e debolmente polarizzate.
- molli le specie di grande dimensioni, debolmente cariche[4] e fortemente polarizzate.
Tale teoria fu inizialmente una sola descrizione qualitativa ma fu resa quantitativa grazia alla collaborazione con Parr.
Elettrofili e nucleofili
Un'altra importante classificazione delle molecole organiche[5] è quella in elettrofili e nucleofili.
Viene definito elettrofilo una specie che nel corso di una reazione accetta una coppia di elettroni da un'altra specie che viene definita nucleofilo. È facile notare una similitudine con la teoria acido-base di Lewis. In effetti, gli acidi di Lewis risultano essere molecole elettrofile e le basi di Lewis risultano essere molecole nucleofile.
Per valutare la reattività dei reagenti elettrofili e nucleofili si può utilizzare la teoria HSAB[6] ottenendo le seguenti indicazioni:
- I nucleofili duri tendono a reagire con gli elettrofili duri.
- I nucleofili molli tendono a reagire con gli elettrofili molli.
Teoria di Lewis ed elettrofilicità
Si noti che i concetti di acido di Lewis ed elettrofilo non sono equivalenti[7].
L'acidità di una base di Lewis viene misurata tramite la sua costante di acidità; si tratta dunque di un concetto termodinamico, basato sulla stabilità dei prodotti di reazione. L'elettrofilicità di una specie, invece, viene misurata tramite la costante di velocità relativa di una reazione tra diversi elettrofili con uno stesso substrato; si tratta dunque di un concetto cinetico.
Note
- ↑ In questa e altre lezioni, tuttavia, potrà essere utilizzata anche la formula H3O+ (ione idronio) per indicare lo ione idrone solvatato. Per approfondire si veda: Idronio.
- ↑ Di conseguenza, poiché non tutte le reazioni organiche avvengono in acqua, generalmente ci si riferisce a acidi e basi organici come a acidi e basi di Brønsted.
- ↑ O, equivalentemente, una specie avente un'alta densità di carica.
- ↑ O, equivalentemente, una specie avente una bassa densità di carica.
- ↑ Tali denominazioni vengono usate anche per descrivere ioni, radicali e gruppi funzionali di molecole.
- ↑ È anche possibile valutare il comportamento di elettrofili e nucleofili classificandoli in forti e deboli. In tale ambito, tuttavia, verrà preferito l'utilizzo della teoria HSAB per ottenere indicazione qualitative.
- ↑ Lo stesso discorso vale per i concetti di base di Lewis e nucleofilo.