Ozonolisi degli alcheni: tagliare il doppio legame

L’ozonolisi è la reazione che taglia in due un alchene. L’ozono attacca il doppio legame e lo spezza completamente, sostituendo il legame carbonio–carbonio con due gruppi carbonilici. A seconda di come si conclude la reazione si ottengono aldeidi e chetoni oppure acidi carbossilici. È uno strumento sia di sintesi sia di analisi, perché dai frammenti si può risalire alla posizione del doppio legame di partenza.

Vediamo come l’ozono forma l’ozonuro, perché la scelta del trattamento finale (riduttivo o ossidativo) cambia i prodotti e come si usa la reazione per individuare un doppio legame.

L’ozono spezza il doppio legame

L’ozono è una forma molto reattiva dell’ossigeno, costituita da tre atomi. Reagisce rapidamente con il doppio legame ricco di elettroni dell’alchene. A differenza delle altre reazioni di addizione, che lasciano intatto lo scheletro carbonioso, l’ozonolisi rompe del tutto il legame fra i due carboni del doppio legame: la molecola si divide in due frammenti separati.

La formazione dell’ozonuro

La reazione passa per due intermedi in rapida successione. L’ozono si addiziona prima al doppio legame dando una specie instabile, il molozonuro, che subito si riorganizza nell’ozonuro, un anello a cinque termini contenente tre atomi di ossigeno. L’ozonuro è il composto che viene poi decomposto nel passaggio finale. Per la sua instabilità non lo si isola: lo si tratta direttamente in soluzione.

R₂C=CR’₂  +  O₃  →  ozonuro  → Zn / Me₂S   R₂C=O  +  O=CR’₂

Il trattamento finale decide i prodotti

Il modo in cui si decompone l’ozonuro cambia l’esito. Con un trattamento riduttivo (per esempio zinco in ambiente acido, oppure un solfuro come il dimetilsolfuro) ci si ferma allo stadio di aldeidi e chetoni. Con un trattamento ossidativo (per esempio acqua ossigenata) le aldeidi vengono ulteriormente ossidate ad acidi carbossilici, mentre i chetoni restano tali. La scelta del reattivo finale è quindi una leva diretta sul tipo di prodotto.

Quali carbonili si ottengono

Ogni carbonio dell’ex doppio legame diventa il carbonio di un gruppo carbonilico. Un carbonio che portava un idrogeno dà un’aldeide (o un acido, in condizioni ossidative); un carbonio completamente sostituito dà un chetone, che non può essere ulteriormente ossidato. Conoscere questa regola permette di prevedere i frammenti a partire dalla struttura dell’alchene, e viceversa.

Usare l’ozonolisi per trovare il doppio legame

Proprio perché spezza la molecola in punti precisi, l’ozonolisi è storicamente servita come metodo diagnostico. Identificando i frammenti carbonilici ottenuti si poteva risalire alla posizione originaria del doppio legame in una molecola di struttura ignota. Oggi questa funzione analitica è in gran parte svolta dalle tecniche spettroscopiche, ma il ragionamento «dai frammenti alla struttura» resta un classico esercizio di logica chimica.

Un esempio chiarisce il metodo. Se l’ozonolisi riduttiva di un composto produce due frammenti, uno con un gruppo aldeidico e uno con un gruppo chetonico, se ne deduce che nel composto di partenza il doppio legame univa un carbonio che portava un idrogeno a un carbonio completamente sostituito. Ricomponendo idealmente i due frammenti in corrispondenza dei due carbonili si ricostruisce l’alchene originario. È un ragionamento all’indietro: dai pezzi noti si risale all’intero, e per questo l’ozonolisi è rimasta a lungo uno strumento prezioso nello studio delle molecole naturali insature.

Quadro d’insieme

L’ozonolisi taglia il doppio legame di un alchene e lo converte in due gruppi carbonilici, passando per l’ozonuro. Il trattamento finale, riduttivo o ossidativo, sceglie tra aldeidi/chetoni e acidi/chetoni. È al tempo stesso una reazione di sintesi mirata e un metodo per decifrare la posizione delle insaturazioni.

Domande frequenti

Che cosa fa l’ozonolisi a un alchene?

Spezza completamente il doppio legame carbonio–carbonio e lo sostituisce con due gruppi carbonilici. La molecola di partenza si divide così in due frammenti separati, ciascuno terminante con un’aldeide o un chetone (o, in condizioni ossidative, con un acido carbossilico). È l’unica fra le comuni reazioni degli alcheni che taglia lo scheletro carbonioso anziché limitarsi ad aggiungere atomi al doppio legame.

Che cos’è l’ozonuro?

È l’intermedio ciclico a cinque termini, contenente tre atomi di ossigeno, che si forma dalla riorganizzazione del primo addotto tra ozono e alchene (il molozonuro). È instabile e non viene isolato: lo si decompone subito, direttamente in soluzione, con un trattamento riduttivo o ossidativo che porta ai prodotti carbonilici finali.

Da che cosa dipende se si ottengono aldeidi o acidi?

Dal trattamento finale dell’ozonuro. Con un trattamento riduttivo, per esempio zinco in ambiente acido o dimetilsolfuro, ci si ferma alle aldeidi e ai chetoni. Con un trattamento ossidativo, come l’acqua ossigenata, le aldeidi vengono ossidate ulteriormente ad acidi carbossilici, mentre i chetoni rimangono invariati perché non possono essere ossidati allo stesso modo.

Perché un carbonio dà un’aldeide e un altro un chetone?

Dipende dai sostituenti che il carbonio portava nel doppio legame. Un carbonio che aveva almeno un idrogeno diventa un’aldeide (o un acido in condizioni ossidative); un carbonio completamente sostituito da gruppi carboniosi diventa un chetone, che non può essere ulteriormente ossidato. Osservando i frammenti si può quindi dedurre com’erano disposti i sostituenti attorno al doppio legame originario.

Perché l’ozonolisi serviva a determinare strutture?

Perché taglia la molecola in punti precisi, cioè in corrispondenza dei doppi legami. Identificando i frammenti carbonilici prodotti si poteva ricostruire dove si trovava il doppio legame nella molecola di partenza. Oggi questa funzione diagnostica è in gran parte sostituita dalle tecniche spettroscopiche, ma il ragionamento che collega i frammenti alla struttura originaria resta un esercizio formativo classico.