ChimicaOrganicaAlcaniIsomeria

Chimica organica e laboratorio
Alcani, isomeria
Classi terze
Docente: Luciano Canu
Anno Scolastico 2002/2003
Prerequisi
ti
Definizione di chimica organica
Formazione degli orbitali molecolari
L'atomo di carbonio e il concetto di
ibridazione
Legami covalenti doppi e tripli
Forze intermolecolari
2
Obiettivi
Caratteristiche generali degli alcani e dei
cicloalcani
Nomenclatura degli alcani e dei cicloalcani
Concetto di:
Isomeria di catena
Isomeria conformazionale nei cicloalcani
Isomeria configurazionale
Proprietà fisiche
Proprietà chimiche:
Alogenazione radicalica
Combustione
3
Obiettivi
operativi
Riconoscimento di alcani e cicloalcani con
il saggio allo iodio
4
Una panoramica
I più semplici composti organici sono gli
idrocarburi formati da carbonio e idrogeno
Idrocarburi
Alcani
Alcani
Cicloalcani
Cicloalcani
Alcheni
Saturi
Insaturi Aperti Ciclici
X
X
X
X
X
X
Alchini
X
X
Aromatici
X
Di e polieni
X
X
X
5
Esercizi
Cerca di riconoscere i diversi tipi di
idrocarburi
Non è un idrocarburo
È un idrocarburo:
un alchene
insaturo
aperto
È un idrocarburo:
un cicloalcano
saturo
ciclico
È un idrocarburo:
un alcao
saturo
aperto
Cl
F
CH
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
È un idrocarburo:
un cicloalchene
insaturo
ciclico
H 2C
H
H
Non è un idrocarburo
C
H
C
H
H
C
H
CH3
H
C
H
H
C
H
H
OH
6
Alcani
La formula generale degli alcani è
CnH2n+2
Gli atomi di carbonio sono tutti ibridati sp3
La geometria di tutti gli atomi di carbonio è
tetraedrica (angoli di 109,5°)
La molecola è formata esclusivamente da
legami di tipo 
L’alcano più semplice ha 1 atomo di carbonio
e 4 atomi di idrogeno (CH4)
Il suo nome è metano
7
Strutture di
Lewis H
CH4
C
H
H
H
H
(etano)
Formula condensata
CH3 CH3
C 3H 8
(propano)
Formula condensata
CH3 CH2 CH3
H
C4H10
(butano)
(metano)
C2H6
CnH2n+2
H
H
H
H C C H
H H
H
H
H
H C
H
C
C
H
H
Formula condensata
H
CH3 CH2 CH2 CH3
8
La serie omologa
La serie degli alcani rappresenta una serie omologa
Ciascun composto ha un atomo di carbonio in più (la catena si
allunga)
Le proprietà fisiche variano con una certa regolarità (massa, p.f.,
p.e., solubilità)
Certe proprietà chimiche vengono esaltate altre si affievoliscono
Pentano (C5H12 CH3-CH2- CH2- CH2- CH3)
Esano (C6H14 CH3-CH2- CH2- CH2- CH2 -CH3)
Eptano (C7H16 CH3-CH2- CH2- CH2- CH2 -CH2 -CH3)
Ottano (C8H18
CH3-CH2- CH2- CH2- CH2 -CH2 -CH2 CH3)
9
Cicloalcani
La formula generale dei cicloalcani è
CnH2n
Dove n =3, 4, ecc.
Tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp3
Tutti i legami sono di tipo 
Gli angoli dovrebbero essere tetraedrici
(109,5°
H
H
CH2
C
C3H6
H
C
C
H
H
H
H2C
60°
CH2
10
La serie
Gli angoli di legame aumentano come
aumentano gli atomi di carbonio
Quando diventano 6 gli angoli sono quelli
tipici tetraedrici
ciclobutano
H2C
CH2
H2C
CH2
ciclopentano
cicloesano
CH2
CH2
H2C
H2C
CH2
CH2
H 2C
CH2
H 2C
CH2
CH2
11
L’isomeria di catena
Provate a costruire la molecola del C4H10
Costruite altre molecole (sempre con 4 atomi
di carbonio) modificando lo scheletro degli
atomi di carbonio
Tutti gli atomi di carbonio rossi
sono atomi primari
Gli atomi azzurri sono
secondari
L’atomo verde è terziario
Verifica se gli atomi di
idrogeno corrispondono nelle
due strutture
12
Gli isomeri
La molecola lineare si chiama nbutano
Ha p.e.=-0,6 °C
H3C – CH – CH3
|
La molecola ramificata si può chiamare
CH3
iso-butano o 2-metilpropano
Ha p.e.=-10 °C
Gli isomeri hanno stessa formula bruta
ma diversa struttura
Sono composti diversi
H3C – CH2 – CH2 – CH3
13
Il pentano
C5 H1
Nel pentano ci sono tre possibili2
combinazioni dello scheletro (3 isomeri
di catena)
H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CH3
n-pentano
p.e.=-36,1 °C
CH3
|
2,2-dimetilpropano H C – CH – CH
3
3
p.e.=-9,5 °C
|
CH3
H3C – CH – CH2 – CH3
|
CH3
2-metilbutano
p.e.=-28 °C
Carbonio
quaternario
14
Esercizi
Disegna i 5 isomeri dell’esano
15
Isomeria nei cicloalcani
Anche nei cicloalcani si può osservare il
fenomeno di isomeria di posizione
Per esempio nei derivati ramificati del
ciclobutano
Hanno stessa formula bruta ma diversa
struttura
1,1-dimetilciclobutano
1,2-dimetilciclobutano
CH3
CH3
1,3-dimetilciclobutano
CH3
CH3
CH3
H3C
16
Isomeria cis-trans
È denominata anche isomeria
configurazionale
È presentata dai cicloalcani che hanno
più di un sostituente
CH3
CH3
CH3
isomero cis
CH3
isomero trans
17
Esercizi
Scrivi la definizione di isomeria
configurazionale
Disegna tutti gli isomeri del
dimetilciclopentano
Quale delle seguenti strutture presenta
isomeria cis-trans?
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
18
Nomenclatura
La nomenclatura delle sostanze organiche è
regolata dalla IUPAC
I primi 4 alcani hanno nomi di fantasia
Gli altri hanno nomi regolari (che derivano dal
numero di atomi di carbonio nella molecola)
Il nome deve essere seguito dal suffisso -ano
Pentano
Esano
Eptano
Ottano
Nonano
Decano
19
ciclopentile
Gruppi alchilici
Per gli idrocarburi ramificati bisogna saper dare
un nome a particolari frammenti di strutture
organiche
Questi frammenti sono i gruppi alchilici
Tali raggruppamenti si ottengono eliminando un
atomo di idrogeno da una molecola e lasciando
libero un legame
Il nome del gruppo alchilico si ottiene
sostituendo -ano con -ile
CH4 metano
CH3-
metile
C2H4 etano
CH3-CH2- etile
20
Gruppi ramificati
H2
C
H3C
H3C
H2
C
H2
C
propile
CH
CH3
isopropile
H2
H2
C
C
n-butile
CH3
H2
H3C
CH
C
sec-butile
CH3
ter-butile
H3C
C
CH3
CH3
21
Un esempio
Cerchiamo di dare
un nome
all’idrocarburo
disegnato sotto
CH2CH3
|
3
CH3CH2CH –| CH – CH – CH - CH3
|
|
CH
CH
1. Si deve trovare la
3 catena di atomi
3 di carbonio più lunga
tra tutte quelle possibili ed assegnare il nome del
corrispondente idrocarburo
5 CH 6 CH2CH3
3, 4, 5, 6
7
|
1
2
3
7
6
5
43
2, 3, 4, 5
CH3CH2CH –| CH – CH –2 CH - CH3
3
7
6
1
| 54 4
|
7 CH
CH
2. Si deve valutare
in base alla
3 da dove numerare
3
combinazione di numeri più bassa
22
CH
Esempio (continua)
3.
Il composto quindi è un eptano (7 atomi di carbonio)
CH2CH3
|
3- etil-2,4,5-tri-metileptano
3
CH3CH2CH –| CH – CH –
CH - CH3
2
4
3
7
6
1
|5
|
CH
CH
4. Si3devono aggiungere
al nome di base i nomi dei
3
gruppi che costituiscono le ramificazioni:
CH
Metile (metil)
Etile (etil)
5.
I gruppi devono essere ordinati in ordine alfabetico
(etile, metile); devono essere preceduti dal numero
dell’atomo di carbonio e si deve indicare quanti
23
sono i gruppi
Esercizio
Assegnare il nome al seguente composto:
CH3 - CH - CH3
|5
1
2
3
4
6
7
8
9
CH3 - CH2 – CH2 – CH – CH – CH2 - CH2 – CH2 – CH3
|
C3H7
C’è un gruppo propilico in posizione 4
C’è un gruppo iso-propilico in posizione 5
5-isopropil- 4-propil nonano
24
Esercizi
Assegnare il nome ai seguenti alcani
CH2 - CH3
CH3
|
|
CH3 - CH – CH – CH2 – CH2 – CH - CH – CH2 – CH2 - CH3
|
|
CH3
CH3
CH3
|
CH3 - C – CH – CH2 – CH2 – CH2 – CH3
| |
CH3
CH3CH3
|
CH3 - C - CH3
|
CH3 – CH2 – CH2 – CH – CH – CH – CH2 – CH2 - CH3
|
|
CH3 CH3
25
Dal nome alla formula
Dato il nome è possibile risalire alla formula
di un alcano?
Disegnare la struttura del
6-ter-butil-2,7-dimetildodecano
1.
2.
3.
Disegnare la struttura principale (12 atomi di
carbonio)
Individuare le posizioni delle ramificazioni
Inserire i gruppi alchilici corretti
Disegna le strutture dei seguenti alcani
2,2,4-trimetilottano
5-ter-butil-3-metildecano
26
Nomi dei cicloalcani
Le regole sono simili a quelle degli
alcani
La catena principale è quella dell’anello
CH3
1
C2H5
1,2-dimetil ciclopentano
2
CH3
H3C
CH3
1
CH
C3H7
1
2
4
3
1-etil-4-metil cicloesano
CH3
1-propil-1-isopropil ciclobutano
27
Gruppi cicloalchilici
ciclopropile
ciclobutile
cicloesile
ciclopentile
28
Esercizi
Scrivere i nomi dei seguenti composti
CH2CH2CH3
propilciclopropano
CH2CH3
etilciclobutano
CH3
CH
H3C
isopropilciclopentano
cicloesilcicloesano
29
Dai nomi le strutture
Disegna le strutture dei seguenti
composti
1
1.
2.
3.
4.
CH3
CH
isopropilciclopentano
n-butilciclobutano
isopropilcicloesano
etilciclobutano
CH3
2
CH2CH2CH2CH3
3
4
CH3
CH2
CH3
CH
CH3
30
Proprietà fisiche
Il punto di ebollizione degli alcani cresce con
regolarità all’aumentare del peso molecolare
Mai però fondono al di sopra dei 100 °C
Stati
gas
liquido
alcani
C1-C4
C5-C15 C16-
cicloalcani
C3-C4
C5-C9
fisici
solido
C10-
Vasellina e paraffina sono miscele di idrocarburi solidi
ad alto peso molecolare
31
Fusione e solidificazione
Il punto di ebollizione diminuisce con la
ramificazione
Il punto di fusione diminuisce con la
ramificazione
T
pentano
CH3CH2CH2CH2CH3
2-metilbutano
H3C
H
C
H2
C
p.f. –129,7
p.f. –160
p.e. 36,1
p.e. 29,7
CH3
CH3
32
Densità relativa
Sale anche la densità relativa con il peso
molecolare
Da 0,416 g/ml per il metano
A 0,79 g/ml per l’eicosano (C20)
Tutti gli idrocarburi sono sostanze apolari e
come tali non si sciolgono in acqua ma in
solventi polari o costituiscono essi stessi
buoni solventi apolari
33
Proprietà chimiche
Gli alcani sono anche chiamati
genericamente paraffine (parum affinis)
Si intende una scarsa reattività (affinità) con i
più aggressivi acidi e basi inorganici
Anche i cicloalcani hanno proprietà simili agli
alcani
Le reazioni tipiche sono
Alogenazione
Combustione
34
Alogenazione
Reagiscono principalmente il cloro ed il
bromo e in presenza di luce
Tra metano e cloro possiamo rappresentare:
luce
CH4 + Cl2  CH3 – Cl + H – Cl
La reazione porta alla formazione di un
alogenuro alchilico (cloruro di metile)
Avviene in presenza della luce
35
Reazione radicalica
Cl. - .Cl
La reazione è di tipo radicalico e il processo
avviene in 3 stadi
Inizio
Propagazione
Terminazione
Un radicale è una specie atomica o un
gruppo molecolare che possiede un elettrone
spaiato
I radicali si ottengono per rottura omolitica di
un legame
36
Inizio di reazione
Avviene quando le radiazioni UV provocano
una omolisi di un legame (apolare)
Gli alogeni sono più sensibili di altri a questo
tipo di azione (specie il cloro)
Cl2  2 Cl. (radicali liberi)
Bastano pochi radicali per innescare la
reazione poiché la fase di propagazione si
autoalimenta
37
Propagazione a catena
1. Un radicale cloro reagisce con una
molecola di metano per dare acido
cloridrico e un nuovo radicale (radicale
metilico)
Cl. + HCH3  HCl + .CH3
2. Il radicale metilico reagisce con una
molecola di cloro formando il cloruro di
metile e un radicale cloro che può essere
utilizzato per una nuova fase
.CH + Cl  ClCH + Cl.
3
2
3
38
Terminazione di catena
Quando due radicali liberi di qualsiasi
tipo si incontrano la catena di reazione
si interrompe
Cl. + Cl.  Cl2
Cl. + .CH3 ClCH3
.CH + .CH  CH CH
3
3
3
3
39
Considerazioni
L’alogenazione non si ferma mai ad una
monosostituzione ma prosegue fino a
sostituire tutti gli idrogeni a disposizione
CH4 + Cl2  CH3 – Cl + CH2 – Cl2 + CH – Cl3 + CCl4 + H – Cl
Cloruro
di metile
Dicloro
metano
Cloroformi
o
Tetraclorur
o di
carbonio
40
Stabilità dei radicali
Il fatto appena descritto è spiegato
considerando che i radicali terziari si formano
più facilmente dei secondari e questi più
facilmente dei primari
R
R
R
R
C
H
R
H
C
H
C
R
Terziario > secondario > primario
Quindi l’alogeno attaccherà
preferenzialmente il radicale terziario
41
Un esempio
H3C
H
Br
H
C
CH3
+ Br2
luce
CH2
H
2-metilpropano
luce
H
H3C
Br
H3C
C
CH3 + HBr
CH2
C
CH3 + HBr
CH2
2-bromo-2-metilpropano (99%)
Il bromo è molto
selettivo e preferisce
attaccare l’idrogeno sul
carbonio terziario
(99%) rispetto al
primario (1%)
1-bromo-2-metilpropano (1%)
42
Combustione
Alcani e cicloalcani sono combustibili
La reazione è importante per la
produzione di energia
L’equazione generale per gli alcani è:
CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2  nCO2 + (n+1)H2O + Q
L’equazione generale per i cicloalcani è:
CnH2n + (3n)/2 O2  nCO2 + (n)H2O + Q
43
Fine
Alcani, isomeria