Frecce curve e meccanismi: le regole, gli schemi e come esercitarsi
Risposta breve: una freccia curva indica una coppia di elettroni che si sposta. Parte dagli elettroni: una coppia solitaria, un legame π o un legame σ. Finisce dove vanno: su un atomo, come nuova coppia solitaria, o tra due atomi, come nuovo legame. Una freccia ad amo sposta un solo elettrone. Per esercitarti, apri gli esercizi gratuiti sui meccanismi con frecce curve, tocca dove inizia e finisce ogni freccia e premi Verifica risposta.
Che cosa sono le frecce curve
Le frecce curve sono il modo in cui i chimici mostrano come avviene una reazione, uno stadio alla volta. Ogni freccia curva sposta elettroni. I legami si formano dove le coppie di elettroni arrivano tra gli atomi e si rompono dove le coppie se ne vanno.
Un nucleofilo è una specie ricca di elettroni che cede una coppia di elettroni, come HO⁻, NH₃, CN⁻ o un legame π C=C. Un elettrofilo è una specie povera di elettroni che accetta una coppia, come un carbocatione, il carbonio del C=O, H⁺ o NO₂⁺. Le frecce vanno sempre dal nucleofilo all'elettrofilo.
Le regole
- Le frecce spostano elettroni, non atomi. Una freccia completa (punta a due barbe) sposta due elettroni. Una freccia ad amo (punta a una barba) ne sposta uno.
- La coda sta sugli elettroni. Parti da una coppia solitaria, un legame π o un legame σ. Non partire mai da una carica positiva, da un orbitale vuoto o da un atomo di H isolato.
- La punta indica dove vanno gli elettroni. Finire su un atomo forma una coppia solitaria. Finire tra due atomi forma un legame.
- Rispetta gli ottetti. C, N e O possono avere al massimo otto elettroni. Se una coppia arriva su un atomo già pieno, un'altra freccia deve allontanarne una coppia nello stesso stadio.
- Le cariche seguono le frecce. Un atomo che usa la sua coppia solitaria per formare un legame diventa più positivo di un'unità. Un atomo che acquista una coppia solitaria diventa più negativo di un'unità.
- La carica totale si conserva. Somma le cariche prima e dopo. Devono coincidere.
Carica formale = elettroni di valenza − elettroni non di legame − numero di legami. Usala per controllare ogni atomo dopo aver disegnato le frecce.
Frecce complete e frecce ad amo
| Freccia curva completa | Sposta una coppia di elettroni. Si usa per le reazioni polari: acidi e basi, nucleofili ed elettrofili, SN1, SN2, E1, E2, addizioni ed eliminazioni. |
|---|---|
| Freccia ad amo | Sposta un elettrone. Si usa per le reazioni radicaliche. Rompere un legame in modo omolitico (omolisi) richiede due frecce ad amo, una verso ciascun atomo. |
| Freccia di reazione (→) | Separa i reagenti dai prodotti. Non è una freccia curva. |
| Freccia di risonanza (↔) | Unisce due disegni della stessa specie. Non avviene alcuna reazione. |
Schemi di frecce comuni
Quasi ogni meccanismo è costruito con pochi schemi.
| Trasferimento di protone | Coppia solitaria della base → H; legame H–A → A. Esempio: HO⁻ + HCl → H₂O + Cl⁻. |
|---|---|
| Attacco nucleofilo | Coppia solitaria o legame π → atomo elettrofilo. Esempio: acqua + (CH₃)₃C⁺. |
| Perdita di un gruppo uscente | Legame C–X → X. Esempio: (CH₃)₃C–Br → (CH₃)₃C⁺ + Br⁻. |
| SN2 | Nucleofilo → C e C–X → X, contemporaneamente. |
| Addizione al C=O | Nucleofilo → C e π del C=O → O. |
| E2 | Base → H in β, C–H → C–C (nuovo legame π), C–X → X. |
| Trasposizione di carbocationi | Legame C–H o C–C → il C⁺ adiacente. |
| Pericicliche | Frecce in un anello chiuso, come nella reazione di Diels–Alder. |
| Radicaliche | Frecce ad amo, un elettrone per freccia. |
Come usare lo strumento di esercitazione
- Apri gli esercizi sui meccanismi con frecce curve.
- Scegli un Livello (Base, Intermedio o Avanzato) e un Tipo di reazione, oppure lasciali entrambi su tutti.
- Leggi l'equazione e la riga che indica quante frecce disegnare.
- Tocca l'inizio di una freccia: una coppia di puntini (coppia solitaria), un legame o un singolo puntino (elettrone spaiato). Poi tocca l'atomo o il legame dove vanno gli elettroni.
- Per gli stadi radicalici, premi Freccia ad amo (1 e⁻) prima di disegnare.
- Premi Verifica risposta. Ogni freccia sbagliata riceve un messaggio specifico. Rimuovila con ×, oppure usa Annulla o Cancella.
- Premi Suggerimento se sei bloccato, o Mostra soluzione per vedere le frecce corrette in arancione, il prodotto e il perché. Poi premi Stadio successivo.
Le frecce si possono disegnare in qualsiasi ordine. Lo strumento accetta anche disegni equivalenti, come una freccia da una coppia solitaria che termina sul legame che forma invece che sull'atomo. I tuoi progressi vengono salvati nel browser; Azzera progressi li cancella.
Esempi svolti
1. SN2: idrossido e bromometano
HO⁻ + CH₃Br → CH₃OH + Br⁻. La freccia 1 va da una coppia solitaria su O⁻ al carbonio. La freccia 2 va dal legame C–Br al bromo. L'ossigeno passa da −1 a 0 e il bromo da 0 a −1. Una sola freccia darebbe al carbonio cinque legami, quindi servono entrambe.
2. E2: idrossido e bromoetano
Freccia 1: coppia solitaria di O⁻ verso un idrogeno sul carbonio adiacente al C–Br. Freccia 2: quel legame C–H verso il legame C–C, che diventa il legame π. Freccia 3: il legame C–Br verso il bromo. Il prodotto è etene, acqua e bromuro. La seconda freccia termina sul legame, non sull'atomo di carbonio.
3. Addizione aldolica
L'enolato CH₂=CH–O⁻ attacca l'acetaldeide. Freccia 1: la coppia solitaria di O⁻ riforma il C=O. Freccia 2: il legame π C=C attacca il carbonio aldeidico, formando il nuovo legame C–C. Freccia 3: il legame π C=O dell'aldeide si sposta sul suo ossigeno, dando un alcossido.
4. Clorurazione radicalica del metano
Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃ usa tre frecce ad amo. Un elettrone di Cl• e uno del legame C–H si accoppiano nel legame H–Cl. L'altro elettrone del C–H resta sul carbonio come radicale metile.
5. Trasposizione 1,2 di idruro
Un carbocatione secondario adiacente a un C–H diventa terziario. Una freccia va dal legame C–H al carbonio positivo. L'idrogeno si sposta con i suoi due elettroni, come idruro. Se la freccia terminasse invece sul legame C–C, descriverebbe un'eliminazione.
Tabella riassuntiva
| Stadio | Frecce · variazione di carica |
|---|---|
| Trasferimento di protone | 2 · la base guadagna +1, l'A dell'acido −1 |
| Ionizzazione SN1 | 1 · C diventa +, gruppo uscente − |
| SN2 | 2 · nucleofilo +1, gruppo uscente −1 |
| Addizione al C=O | 2 · O diventa − |
| E2 | 3 · gruppo uscente −1 |
| Formazione dell'enolato | 3 · O diventa − |
| Sostituzione elettrofila aromatica | 2 per l'attacco, 2 per la perdita di H⁺ |
| Diels–Alder | 3 in un anello · nessuna carica |
| Estrazione radicalica | 3 frecce ad amo · nessuna carica |
Errori comuni
- Frecce al contrario. Disegnarle dall'elettrofilo al nucleofilo, o da H⁺ alla base.
- Partire da una carica +. Un carbocatione non ha elettroni da cedere.
- Troppi legami. Attaccare un carbonio pieno senza allontanare una coppia dà un carbonio con cinque legami.
- Rompere il legame sbagliato del C=O. Nelle addizioni, solo il legame π si sposta sull'ossigeno.
- Punte vaghe. Una freccia che si ferma a metà non dice se si forma un legame o una coppia solitaria.
- Frecce complete negli stadi radicalici, o frecce ad amo negli stadi polari.
- Dimenticare di aggiornare le cariche. Ricontrolla ogni atomo toccato da una freccia.
Consigli per l'esame
- Disegna tutte le coppie solitarie sugli atomi che reagiscono. Gli esaminatori cercano la coda su una coppia solitaria.
- Fai partire ogni freccia esattamente dalla coppia solitaria o dal legame, e falla terminare esattamente sull'atomo o sul legame.
- Scrivi le cariche su ogni intermedio. Le cariche mancanti spesso costano un punto.
- Per la SN2, mostra l'attacco dal lato opposto al gruppo uscente.
- Per la E2, disegna H e gruppo uscente in posizione antiperiplanare.
- Controlla la stabilità di ogni carbocatione che formi e cerca una trasposizione di idruro o di metile.
- Impara gli schemi, non le singole reazioni. La maggior parte dei meccanismi d'esame ne combina tre o quattro.
Domande e risposte
Che cosa significa una freccia curva in chimica?
Una freccia curva indica una coppia di elettroni che si sposta durante uno stadio di reazione. La coda è dove si trovano ora gli elettroni, la punta è dove arrivano. Gli atomi non seguono la freccia: solo gli elettroni.
Una freccia curva può partire da una carica positiva?
No. Una carica positiva significa che a un atomo mancano elettroni, quindi non ne ha da cedere. Le frecce puntano verso i centri positivi, come un carbocatione o il carbonio δ+ del C=O, mai in direzione opposta.
Quando si usa una freccia ad amo?
Usa una freccia ad amo, con la punta a una sola barba, quando si sposta un singolo elettrone. Succede nelle reazioni radicaliche: omolisi di Cl₂ o Br₂ alla luce, estrazione di idrogeno da parte di un radicale alogeno e addizione radicalica agli alcheni. Per rompere un legame in modo omolitico servono due frecce ad amo.
Perché la freccia va dal nucleofilo all'elettrofilo?
Il nucleofilo è ricco di elettroni e fornisce la coppia che forma il nuovo legame. L'elettrofilo è povero di elettroni e la accetta. Poiché le frecce seguono gli elettroni, vanno sempre dal nucleofilo all'elettrofilo, e da un legame al gruppo uscente.
Quante frecce servono per ogni stadio del meccanismo?
Tante quante le coppie di elettroni che si spostano. La perdita di un gruppo uscente ne richiede una. SN2 e addizione al C=O ne richiedono due. E2 e formazione dell'enolato ne richiedono tre. La reazione di Diels–Alder richiede tre frecce in un anello. Un'addizione di Michael da un enolato ne richiede quattro.
Come verifico che le mie frecce siano corrette?
Applica ogni freccia e ridisegna il prodotto. Ogni atomo deve mantenere un ottetto sensato, le cariche formali devono derivare dalle frecce e la carica totale non deve cambiare. Gli esercizi gratuiti di MolDraw sulle frecce curve fanno questo controllo per te su 35 stadi reali.
Qual è la differenza tra una freccia curva e una freccia di risonanza?
Una freccia curva sposta elettroni all'interno di una struttura o tra strutture. Una freccia dritta a doppia punta (↔) collega le strutture di risonanza, che sono due disegni della stessa molecola, non una reazione. Le frecce curve disegnate su una forma di risonanza mostrano come passare da un disegno al successivo.