Il numero di ossidazione in chimica organica

Il numero di ossidazione del carbonio in chimica organica non può essere attribuito con le regole abitualmente utilizzate nei composti inorganici

I legami che si incontrano nelle molecole organiche sono legami covalenti a volte doppi o tripli. Gli elettroni inoltre sono condivisi tra atomi di carbonio e atomi di idrogeno, ossigeno, zolfo, azoto, alogeni, ecc.

Una razionalizzazione valida per studiare le ossidazioni organiche può essere fatta assegnando numeri di ossidazione differenti ai vari atomi di carbonio di una molecola in relazione al sostituente ad esso legato.

Questo è possibile assegnando all’atomo più elettronegativo tra i due atomi legati la coppia elettronica del legame covalente.

Se si esamina il caso del carbonio che è l’elemento più importante nella chimica organica, esso allo stato elementare ha quattro elettroni nella sfera  più esterna.

Si consideri il metano in cui il carbonio è legato a quattro atomi di idrogeno.

Nel legame tra atomo di carbonio, considerato atomo centrale, e atomo di idrogeno, l’idrogeno è più elettropositivo del carbonio e, di conseguenza, il doppietto elettronico è assegnato a quest’ultimo.

Il numero di ossidazione dell’idrogeno è +1 dato che l’idrogeno ha visto allontanare da sé l’elettrone. Ogni sostituzione dell’atomo di idrogeno con un altro sostituente che, come l’idrogeno, è più elettropositivo dell’atomo centrale non fa variare il numero di ossidazione di quest’ultimo. Se, infine, l’elettronegatività del sostituente è uguale a quella dell’atomo centrale, il numero di ossidazione di quest’ultimo aumenterà di uno.

Determinazione del numero di ossidazione del carbonio

Quanto detto può essere riassunto nel modo seguente:

Ogni atomo di carbonio in una molecola possiede un numero di ossidazione che deriva dalla somma di quattro valori per ognuno dei suoi quattro elettroni. Tenendo conto delle rispettive elettronegatività per

ogni legame con atomi di idrogeno = -1

Inoltre:

_–                    Per ogni legame con atomi di carbonio = 0

_–                    Per ogni legame con eteroatomi = +1

Sulla base di ciò si possono scrivere i numeri di ossidazione del carbonio in alcune molecole raggruppate nei gruppi funzionali più importanti.

Esempi:

Ad esempio consideriamo l’etanolo CH₃CH₂OH.

Prendiamo in esame il primo carbonio : esso è legato a tre atomi di idrogeno e a un atomo di carbonio. Pertanto avrà numero di ossidazione pari a ( 3 ) ( -1 ) + 0 = -3.

Il secondo atomo di carbonio, invece è legato a due atomi di idrogeno, a un atomo di carbonio e a un atomo di ossigeno e avrà pertanto numero di ossidazione pari a ( 2 ) ( -1) + 0 – 1 = 1.

Come si è detto, ciascun atomo di carbonio in una molecola ha un numero di ossidazione e la somma di questi numeri di ossidazione determina lo stato di ossidazione della molecola. Quando questa molecola si trasforma in un’altra si può determinare se è avvenuta un’ossidazione calcolando lo stato di ossidazione di quest’ultima. Si osservi ad esempio la trasformazione dell’etano in acido etanoico:

CH₃CH₃ → CH₃COOH

Il numero di ossidazione di entrambi i carboni nell’etano è pari a -3 quindi lo stato di ossidazione della molecola è pari a -6. Nell’acido etanoico, invece il numero di ossidazione del primo carbonio è pari a -3 mentre il numero di ossidazione del secondo carbonio è pari a è +3 per cui lo stato di ossidazione della molecola è pari a zero. Nella trasformazione etano acido etanoico si passa da -6 a 0 e pertanto è avvenuta un’ossidazione. Formalmente il bilanciamento della semireazione di ossidazione è il seguente:

CH₃CH₃  + 2 H₂O → CH₃COOH + 6 H⁺ + 6 e^–

Tabella

In tabella si possono trovare i numeri di ossidazione del carbonio in alcune classi di composti organici

Immine, ossime, idrazoni e fenilidrazoni *

Alogenuri degli acidi, esteri , ammidi, anidridi, immidi **
Fosgene, cloroformiati, urea, uretani ***