La formaldeide o aldeide fòrmica, nome IUPAC metanale (sistematico), è la più semplice delle aldeidi. Nella sua molecola è presente il gruppo carbonilico (>C=O) che caratterizza aldeidi (RHC=O) e chetoni (RR'C=O), ma solo in questa aldeide esso è legato a due atomi di idrogeno. La sua formula molecolare è quindi CH2O o anche, in forma semistrutturale, H2C=O.
A differenza di tutte le aldeidi alifatiche, non avendo un alchile legato al carbonile, è priva di idrogeni in posizione alfa. Questo comporta alcune significative differenze nella reattività rispetto a tutte le aldeidi successive.
A pressione e temperatura ambiente, si presenta come un gas incolore, dal caratteristico odore pungente e fortemente irritante.
Rientra nel gruppo 1 delle sostanze classificate dall'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC) in quanto ha mostrato evidenze di cancerogenicità per l'uomo.
Storia Osservazioni astronomiche risalenti al 1969 hanno trovato la formaldeide in comete, asteroidi e altri oggetti orbitanti attorno al Sole. Questo suggerisce che essa possa essere stata una delle prime molecole organiche formatesi nell'universo primordiale.
La formaldeide fu sintetizzata per la prima volta nel 1859 dal chimico russo Aleksandr Butlerov. Nel suo articolo, Butlerov si riferiva alla formaldeide come "diossimetilene" (o biossido di metilene), sbagliando la sua formula empirica (C4H4O4). Fu definitivamente identificata dal chimico tedesco August Wilhelm von Hofmann, che per primo annunciò la produzione di formaldeide facendo passare il vapore di metanolo nell'aria su un filo di platino caldo. Con modifiche, il metodo di Hoffmann rimane la base dell'attuale percorso industriale.
Dagli anni 1880 in poi la produzione industriale di formaldeide è cresciuta sempre di più fino ad arrivare ai giorni nostri con una produzione annuale mondiale di circa 4 milioni di tonnellate.
Caratteristiche chimico-fisiche
Gassosa a temperatura ambiente, si trova commercialmente in due forme: come formalina, una soluzione acquosa al 37%, o come paraformaldeide, cioè una miscela di prodotti di polimerizzazione della formaldeide, prevalentemente poliossimetileni con grado di polimerizzazione da 8 a 100 unità; in particolare forma l'1,3,5-triossano, una molecola eterociclica formata dall'unione di tre molecole di formaldeide. La ciclizzazione, favorita da un ambiente acido, è una reazione reversibile. La paraformaldeide può essere riconvertita in glicole metilenico.
In soluzione acquosa, la formaldeide è in equilibrio con la sua forma idrata, il metandiolo. Tale equilibrio a temperatura ambiente è quasi completamente spostato a destra (K > 1000); pertanto una "soluzione acquosa di formaldeide" è di fatto una soluzione acquosa di metandiolo.
Le sue soluzioni acquose sono incolori e posseggono un odore caratteristico.
Proprietà e struttura molecolare La formaldeide è un composto termodinamicamente alquanto stabile, ΔHƒ° = -115,90 kJ/mol. La sua molecola è planare, simmetria C2v, ed è notevolmente polare, μ = 2,332 D, più di H2O (1,86 D). L'atomo di carbonio ha ibridazione sp2 ed è al centro di un triangolo non esattamente equilatero, ai cui vertici si trovano i due atomi di idrogeno e quello di ossigeno.
Da indagini spettroscopiche rotazionali nella regione delle microonde risulta che la lunghezza dei legami C–H è di 111,6 pm, quella del legame C–O di 120,78 pm e che l'angolo HCO è di 121,8° (da cui segue che l'angolo HCH è di 116,4°).
Quest'ultimo è un valore lievemente minore dell'angolo ideale (120°) per l'ibridazione sp2, ma questo è in accordo qualitativo con la previsione del modello VSEPR, per il quale un doppio legame (qui C=O) richiede più spazio angolare rispetto a un legame singolo; fenomeni analoghi si hanno anche, ad esempio, per l'acetaldeide (117,5°), per l'acetone (116°), ma anche per l'etene e il fosgene.
Reattività La formaldeide è il composto più semplice che contiene il carbonile, cioè il gruppo funzionale bivalente >C=O, dove il doppio legame, a causa della maggiore elettronegatività dell'ossigeno, è polarizzato (δ+C=Oδ−), cosa che facilita reazioni di attacco di nucleofili sul carbonio, ma che non avviene per un alchene, il quale contiene un doppio legame non polarizzato (C=C).
La formaldeide presenta il tipico comportamento chimico delle aldeidi, con la differenza significativa di mostrare una maggiore reattività e, a volte, una reattività di tipo specifico, anche differente. Ad esempio, è l'unica aldeide che per progressiva ossidazione in condizioni non drastiche, arriva a formare l'anidride carbonica (CO2, C+4), passando per l'acido formico nello stadio intermedio, mentre le altre sono facili da ossidare ai corrispondenti acidi carbossilici (R−COOH, C+3) ma poi lì si fermano, non volendo forzare le condizioni. Altri esempi di specificità, nel seguito.
Minor ingombro sterico La maggiore reattività della formaldeide dipende anche, in certa misura, dal fatto che il suo carbonile ha l'ingombro sterico che è il minimo possibile; questo si può riscontrare nelle condizioni più blande che sono richieste per la sua idrogenazione catalitica, che fornisce il metanolo.
Maggior polarizzazione La reattività dei composti carbonilici può essere sintetizzata nella scala seguente:
H2C=O > RHC=O > RR'C=O
Un altro fattore che rende la formaldeide più reattiva è che essa non ha alcun alchile (gruppo a rilascio elettronico) legato al carbonileUn alchile è un gruppo a rilascio elettronico sia per effetto induttivo +I che per effetto iperconiugativo. e questo fa sì che tale carbonile sia un po' più elettrofilo rispetto a quello delle altre aldeidi; questo consente maggiore reattività nei confronti di nucleofili, a partire dall'acqua: mentre nella soluzione acquosa di formaldeide la concentrazione del metandiolo è del 99,99%, in quella di acetaldeide si scende al 58% di 1,1-etandiolo e per l'acetone l'idrato è trascurabile.
I nucleofili vengono addizionati al carbonile della formaldeide, alcuni reversibilmente (ioni alogenuro, ione ossidrile), altri permanentemente, come nei casi di cianuri, acetiluri, ioni idrogenosolfito, carbanioni organometallici (reattivi di Grignard R−MgX, composti di alchil-litio R−Li); questi addotti intermedi vengono poi trattati con acidi diluiti e si ottengono così i corrispondenti composti stabili, che sono alcoli primari eventualmente sostituiti (ogni altra aldeide dà alcoli secondari):
N≡C− + CH2=O → N≡C−CH2−O− → (+H+) → N≡C−CH2OH (la cianidrina)
H-C≡C− + CH2=O → H-C≡C−CH2−O− → (+H+) → HC≡C−CH2OH (alcol propargilico)
CH3−MgBr + CH2=O → CH3−CH2−O−MgBr → (+HX) → CH3−CH2OH (alcol etilico) + MgBrX
Con nucleofili all'azoto la formaldeide reagisce in certi casi in maniera diversa dalle altre aldeidi: con l'ammoniaca in soluzione acquosa, attraverso diversi stadi intermedi di addizione ed eliminazione, si forma l'esametilentetrammina con ottima resa, mentre le altre non danno composti ben definiti:
4 NH3 + 6 CH2O → C6H12N4
Reazione di Cannizzaro Per riscaldamento con basi forti concentrate, subisce la reazione di Cannizzaro, tipica delle aldeidi prive di idrogeni in alfa, trasformandosi in acido formico e metanolo. Questa è una reazione disproporzione, ossia una reazione in cui, da due molecole uguali di formaldeide, una subisce un'ossidazione (0 → +2) mentre un'altra subisce una riduzione(0 → −2):
2 CH2O (+OH−) → HCOOH + CH3−OH
Può anche partecipare a reazioni di Cannizzaro incrociate: con la benzaldeide, ad esempio, si ha come risultato l'alcool benzilico e l'acido formico:
CH2O + Ph−CHO (+OH−) → Ph−CH2−OH + HCOOH
Condensazioni aldoliche incrociate La formaldeide da sola, non avendo idrogeni in alfa, non può dare le condensazioni aldoliche ma, anche qui, può dare quelle incrociate con altra aldeide aventi idrogeni in alfa. L'acetaldeide ad esempio, che ne ha e che quindi può enolizzare, reagendo in ambiente basico e a temperatura moderata con la formaldeide in eccesso, addiziona tre molecole di formaldeide a dare la tris(idrossimetil)acetaldeide (condensazione aldolica); questa molecola, una volta formata, non ha più idrogeni in alfa; a questo punto, riscaldando ulteriormente, avviene una reazione di Cannizzaro incrociata con una quarta molecola di formaldeide che, dopo la cattura di un ossidrile, funge da donatrice di idruro, per cui si formano l'acido formico e il pentaeritritolo:
CH3−CHO + 3 CH2O → (HO−CH2)3C−CHO
(HO−CH2)3C−CHO + CH2O → HCOOH + C(CH2-OH)4
Addizioni elettrofile e sostituzioni elettrofile aromatiche Quando poi il carbonile della formaldeide viene protonato o comunque attivato dall'interazione con forti acidi di Lewis, il suo atomo di carbonio diviene ancora più elettrofilo:
H2CO + H+ ⇄ [ H2C=O+–H ↔ H2C+–O–H ]
In quanto tale, diviene capace di attaccare olefine dando addizioni elettrofile, come puree anelli aromatici dando le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica.
Chimica ionica in fase gassosa La molecola H2C=O ha un potenziale di ionizzazione pari a 10,88 eV, un po' più alto di quello dell'acetaldeide CH3-CHO (10,23 eV) e significativamente maggiore dell'acetone (CH3)2CO (9,70 eV).
L'affinità elettronica della formaldeide, che risulta sperimentalmente negativa (-0,65±0,05 eV, valore adiabatico), porta a uno ione radicale distonicoDistonico, perché l'elettrone spaiato e la carica formale, negativa in questo caso, non sono sullo stesso atomo. non planare.
L'affinità protonica della formaldeide, che è una misura della sua basicità intrinseca, è pari a 712,9 kJ/mol:
H2C=O (g) + H+ (g) → [ H2C=O+–H ↔ H2C+–O–H ] (g)
Questo valore dell'affinità protonica è ben maggiore di quello dell'acqua (691 kJ/mol), che quindi è meno basica, ma inferiore a quello dell'acetaldeide (768,5 kJ/mol) e ancor più rispetto a quello dell'acetone, (812 kJ/mol), entrambi essendo quindi più basici della formaldeide: l'affinità protonica cresce al crescere dei metili uniti al carbonile, evidenziando la loro maggiore capacità, rispetto ad H, di stabilizzare centri con carica positiva (effetto induttivo +I), come accade anche per i potenziali di ionizzazione visti sopra.
Come fa il protone H+, anche lo ione Li+ può legarsi in fase gassosa alla formaldeide, ma l'energia liberata è molto minore, 151 kJ/mol e così pure accade con lo ione Al+ (115 kJ/mol) e lo ione Fe+ (138 kJ/mol).
Produzione Sintesi di laboratorio Il metodo inventato da Hoffmann nel 1868 rimane la base dell'attuale percorso industriale, sebbene con alcune modifiche. Si fa passare il vapore di metanolo nell'aria su un filo di platino caldo.
Le vie di sintesi in soluzione alla formaldeide comportano anche l'ossidazione del metanolo o dello ioduro di metile.
Sintesi industriale La formaldeide è prodotta industrialmente dall'ossidazione catalitica del metanolo. I catalizzatori più comuni sono l'argento metallico o una miscela di un ossido di ferro e ossidi di molibdeno o vanadio. Nel processo Formox comunemente usato, il metanolo e l'ossigeno reagiscono a 250-400 °C in presenza di ossido di ferro in combinazione con molibdeno e/o vanadio per produrre formaldeide:
2 CH3OH + O2 -> 2 CH2O + 2 H2O
Il catalizzatore a base d'argento normalmente opera a una temperatura più alta, circa 650 °C. Due reazioni chimiche su di esso producono simultaneamente formaldeide: quella mostrata sopra e la reazione di deidrogenazione:
CH3OH -> CH2O + H2
In linea di principio, la formaldeide potrebbe essere generata dall'ossidazione del metano, ma questa via non è praticabile industrialmente perché il metanolo è più facilmente ossidabile del metano.
Sintesi biologica