Gruppi funzionali e sostituenti: nomenclatura in chimica organica

La grande varietà di molecole che il carbonio può formare non si limita ai vari tipi di idrocarburi ma comprende specie contenenti altri elementi, come ossigeno, azoto e gli alogeni. Come è prevedibile la quantità di molecole che si possono formare dalla combinazione di questi elementi è elevata, come, di conseguenza, anche le proprietà che esse possiedono. In particolare le caratteristiche chimiche delle molecole organiche sono spesso correlate ad alcune loro porzioni specifiche, che prendono il nome di gruppi funzionali. Talvolta i gruppi funzionali possono essere chiamati sostituenti.

I gruppi funzionali permettono di prevedere il comportamento di una molecola in una certa condizione: infatti hanno un’importanza tale da essere utilizzati come riferimento per la divisione in gruppi dei composti organici e per la nomenclatura ufficiale, che permette di ampliare quella degli idrocarburi. Nel caso in cui la molecola abbia 3 o più atomi di carbonio, è utile specificare il numero del carbonio al quale il sostituente è legato, per evitare ambiguità. In alcuni casi (che vedremo) ciò non è necessario. Se la molecola possiede diversi gruppi funzionali, essi vengono messi in ordine alfabetico all’interno del nome.

Gli alcoli sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo idrossilico (-OH) legato a un atomo di carbonio. Il nome della molecola segue la nomenclatura degli alcani con l’aggiunta del suffisso -olo.

Le ammine, invece, possiedono un gruppo amminico (-NH₂) che lega un carbonio. Le molecole di questo tipo assumono il prefisso ammino- (o in alternativa il suffisso -ammina).

Quando invece una molecola possiede un atomo di ossigeno legato a due gruppi alchilici (R) essa prende il nome di etere. Il gruppo funzionale può essere rappresentato in questo modo: R¹-O-R². La nomenclatura prevede semplicemente di aggiungere il termine -etere alla fine del nome dell’idrocarburo corrispondente. In alternativa può essere usata la particella -ossi- fusa con il nome dell’idrocarburo.

Un gruppo funzionale molto comune nelle molecole organiche è il carbonile, o gruppo carbonilico (C=O), che consiste di un atomo carbonio che presenta un doppio legame con un atomo di ossigeno. Entrambi hanno un’ibridazione sp², e di conseguenza il carbonile risulta rigido e planare. Questo legame è fortemente polare in quanto l’ossigeno, molto più elettronegativo del carbonio, tende ad attrarre gli elettroni coinvolti nel legame π: ciò causa una parziale carica negativa sull’ossigeno e una parziale carica positiva sul carbonio. Le molecole che possiedono soltanto il gruppo carbonile sono le aldeidi e i chetoni.

• Le aldeidi possiedono un gruppo alchilico e un idrogeno legati al carbonile. Assumono il suffisso -ale nel nome. Il gruppo aldeidico può essere abbreviato in -CHO. L’unica eccezione è il metanale, o formaldeide (CH₂O), il cui carbonile lega due idrogeni.
• I chetoni presentano un carbonile legato a due gruppi alchilici. La nomenclatura prevede l’aggiunta del suffisso -one.

Gli acidi carbossilici possiedono un gruppo -OH adiacente al carbonile, che nel complesso prende il nome di gruppo carbossilico (-COOH). Il nome viene formato usando la parola “acido” seguito dal nome dell’idrocarburo con il suffisso -ico (o -oico).

Il gruppo funzionale degli acidi carbossilici, e dei suoi derivati, ha la priorità nei confronti degli altri, di conseguenza il carbonio del carbonile risulta il numero 1.
I derivati degli acidi carbossilici vengono classificati e nominati a seconda del sostituente (R) che prende il posto del gruppo idrossilico, lasciando invariata la restante parte, chiamata gruppo acilico.

• Esteri

              R = gruppo alchilico o ciclico derivante da un alcol.
Si utilizza il nome della base coniugata dell’acido (-ato al posto di -ico) seguito da “di” e il nome di R.

• Ammidi

             R = -NH₂, -NHR¹, -NR¹R² derivanti da un’ammina.
Il suffisso -ammide sostituisce quello dell’acido carbossilico da cui deriva. Talvolta è possibile usare come riferimento un’aldeide, come nel caso della formammide (HCONH₂).

• Anidridi

              R = una catena acilica, derivante da un altro acido carbossilico.
Se i due gruppi acilici della molecola sono uguali, si parla di anidride simmetrica, e il loro nome mantiene il prefisso -oica, sostituendo la parola “acido” con il termine “anidride”. Nel caso di gruppi diversi (anidride mista) il nome tiene in considerazione di entrambe le catene aciliche, in ordine alfabetico.

• Alogenuri acilici

             R = un alogeno.
La costruzione del nome è simile a quella degli esteri, con la differenza che il nome dello ione alogenuro sostituisce il nome dell’idrocarburo con il suffisso -iato.

Anche gli idrocarburi che non presentano un gruppo carbonile posso legare alogeni, formando gli alogenuri alchilici. Il nome dell’elemento coinvolto viene inserito in quello della molecola, facendo riferimento all’atomo di carbonio al quale è legato. Comuni alogenuri alchilici sono i clorofluorocarburi, tra i quali il freon è noto per essere stati impiegati nei circuiti di raffreddamento dei frigoriferi domestici.

Per quanto riguarda i composto aromatici derivanti dal benzene, gli atomi di carbonio vengono numerati a seconda del sostituente a cui sono legati, i quali vengono ordinati in maniera alfabetica, andando nella direzione che permette di dare al secondo sostituente il numero più basso possibile.

Nel caso in cui il nome della molecola incorpori già un sostituente, come nel caso del fenolo, in cui è "implicita" la presenza di -OH, possiamo utilizzare una nomenclatura che identifichi la posizione relativa di un sostituente rispetto a un altro sull'anello. Per esempio per il nitrofenolo (C₆H₅NO₃), usiamo:

• para- (P-), se il sostituente (-NO₂) si trova legato al carbonio numero 4 (C4), cioè dalla parte diametralmente opposta rispetto al -OH;
• meta- (M-), se il sostituente si trova legato a C3;
• orto- (O-), se si trova legato a C2.

La nomenclatura dei composti inorganici può essere trovata qui.

Credits: Wikimedia Commons: Amelliug, Cacycle, Capaccio.