Alkenes - Los Angeles Mission College

43
Alkenes Structure, Nomenclature, and an introduc1on to Reac1vity Thermodynamics and Kine1cs 1

Transcript of Alkenes - Los Angeles Mission College

Alkenes  

Structure,  Nomenclature,  and  an  introduc1on  to  Reac1vity    

•    Thermodynamics    

and  Kine1cs  

1  

•  Also  called  an  olefin  but  alkene  is  be>er  •  Hydrocarbon  that  contains  a  C-­‐C  double  bond  •  Includes  many  naturally  occurring  materials  

– Flavors,  fragrances,  vitamins  

Alkene  -­‐  Hydrocarbon  With  Carbon-­‐Carbon  Double  Bond  

2  

Industrial  Prepara1on  and  Use    of  Alkenes  

  Ethylene  and  propylene  are  important  organic  chemicals  produced  

3  

Thermal  Cracking  

•  Thermal  cracking  may  take  place  w/o  catalyst  at  very  high  temperatures  

4  

Calcula1ng  Degree  of    Unsatura1on  

•  Relates  molecular  formula  to  possible  structures  

•  Degree  of  unsatura0on:  number  of  mul1ple  bonds  or  rings  •  Formula  for  a  saturated  acyclic  compound  is  CnH2n+2  

•  Alkene  has  fewer  hydrogens  than  an  alkane  with  the  same  number  of  carbons  —CnH2n  because  of  double  bond    

•  Each  ring  or  mul1ple  bond  replaces  2  H's  

5  

Vinylic  and  Allylic  Carbons  

vinylic  carbon:  the  sp2  carbon  of  an  alkene  

allylic  carbon:  a  carbon  adjacent  to  a  vinylic  carbon   6  

Naming  Alkenes  •  Name  the  parent  hydrocarbon  

•  Number  the  carbons  in  chain  so  that  double  bond  carbons  have  lowest  possible  numbers  

7  

Naming  Alkenes    Write  the  full  name-­‐  Number  subs1tuents  according  to:    1)  Posi1on  in  chain,  2)  Alphabe1cally  

Rings  have  “cyclo”  prefix  

8  

Cis-­‐Trans  Isomerism  in  Alkenes  

•  Carbon  atoms  in  a  double  bond  are  sp2-­‐hybridized  

– Three  equivalent  orbitals  at  120º  separa1on  in  plane  – Fourth  orbital  is  atomic  p  orbital  

•  Combina1on  of  electrons  in  two  sp2  orbitals  of  two  atoms  forms  σ  bond  between  them  

•  Addi1ve  interac1on  of  p  orbitals  creates  a  π  bonding  orbital  – Subtrac1ve  interac1on  creates  a  π  an1-­‐bonding  orbital    

•  Occupied  π  orbital  prevents  rota1on  about  σ-­‐bond  •  Rota1on  prevented  by  π  bond  -­‐  high  barrier,  about  268  kJ/mole  in  ethylene  

9  

•  Rota1on  of  π  bond  is  prohibi1ve  •  This  prevents  rota1on  about  a  carbon-­‐carbon  double  bond  

(unlike  a  carbon-­‐carbon  single  bond).  •  Creates  possible  alterna1ve  structures  

Cis-­‐Trans  Isomerism  in  Alkenes  

10  

•  The  presence  of  a  carbon-­‐carbon  double  bond  can  create  two  possible  structures  – cis  isomer  -­‐  two  similar  groups  on  same  side  of  the  double  bond  

– trans  isomer  -­‐  similar  groups  on  opposite  sides    •  Each  carbon  must  have  two  different  groups  for  these  isomers  to  occur  

Cis-­‐Trans  Isomerism  in  Alkenes  

11  

Cis-­‐Trans  Isomerism  in  Alkenes    

  Cis-­‐Trans  Isomeriza1on  requires  that  end  groups  differ  in  pairs  

  Bo>om  pair  cannot  be  superposed  without  breaking  C=C  

12  

Alkene  Stereochemistry  and  the  E,Z  Designa1on  

• Cis-­‐Trans  naming  system  discussed  thus  far  only  works  with  disubs+tuted  alkenes  

• Tri,  Tetra-­‐  subs1tuted  double  bonds,  and  conjugated  systems  require  more  general  method,  referred  to  as  the  E,Z  system.    

13  

Alkene  Stereochemistry  and  the  E,Z  Designa1on  (Con1nued):  E,Z  Stereochemical  Nomenclature  

•  Priority  rules  of  Cahn,  Ingold,  and  Prelog  

•  Compare  where  higher  priority  groups  are  with  respect  to  bond  and  designate  as  prefix  

•  E  -­‐entgegen,  opposite  sides  

•  Z  -­‐  zusammen,  together  on  the  same  side  

14  

Alkene  Stereochemistry  and  the  E,Z  Designa1on    Cahn-­‐Ingold-­‐Prelog  Rules  

RULE  1  

•  Must  rank  atoms  that  are  connected  at  comparison  point  

•  Higher  atomic  number  gets  higher  priority  

– Br  >  Cl  >  S  >  P  >  O  >  N  >  C  >  H    

15  

RULE  2  •  If  atomic  numbers  are  the  same,  compare  at  next  connec1on  point  

at  same  distance  •  Compare  un1l  something  has  higher  atomic  number  •  Do  not  combine  –  always  compare  

Alkene  Stereochemistry  and  the  E,Z  Designa1on    Cahn-­‐Ingold-­‐Prelog  Rules  

16  

RULE  3  •  Mul1ple-­‐bonded  atoms  are  equivalent  to  the  same  number  of  

single-­‐bonded  atoms  •  Subs1tuent  is  drawn  with  connec1ons  shown  and  no  double  or  

triple  bonds  •  Added  atoms  are  valued  with  0  ligands  themselves  

Alkene  Stereochemistry  and  the  E,Z  Designa1on      Cahn-­‐Ingold-­‐Prelog  Rules  

17  

Isomers  for  Compounds  with  Two  Double  Bonds  

18  

Stability  of  Alkenes  •  Cis  alkenes  are  less  stable  than  trans  alkenes  •  Compare  heat  given  off  on  hydrogena1on:  ΔHo  

•  Less  stable  isomer  is  higher  in  energy  – And  gives  off  more  heat  – tetrasubs1tuted  >  trisubs1tuted  >  disubs1tuted  >  monosusb1tuted  

– hyperconjuga:on  stabilizes  

19  

 Rela1ve  Stabili1es  of  Alkenes  •  Evaluate  heat  given  off  when  C=C  is  converted  to  C-­‐C  •  More  stable  alkene  gives  off  less  heat  

–  trans-­‐Butene  generates  5  kJ  less  heat  than  cis-­‐butene  

20  

Stability  of  Alkenes-­‐  Hyperconjuga1on  

• Electrons  in  neighboring  filled  σ  orbital  stabilize  vacant  an1bonding  π  orbital  –  net  posi1ve  interac1on  

• Alkyl  groups  are  be>er  than  H  

21  

Each  Family  Can  Be  Put  in  One    of  Four  Groups  

The  families  in  a  group  react  in  similar  ways.  

22  

Electrophiles  

An  electrophile  has       a  posi1ve  charge,     a  par1al  posi1ve  charge,     or  an  incomplete  octet.  

23  

Nucleophiles  

A  nucleophile  has     a  nega1ve  charge     or  a  lone  pair.      

24  

Curved  Arrows  

Curved  arrows  are  used  to  show  the  mechanism  of  a  reac1on.  

The  mechanism  of  a  reac1on  is  the  step-­‐by-­‐step  descrip1on  of  the  process                            by  which  reactants  are  converted  into  products.  

first  step  of  the  reac1on  

25  

second  step  of  the  reac1on  

The  curved  arrow  shows  where  the  electrons  start  from  and  where  they  end  up.  

Curved  Arrows  

26  

An  Electrophilic  Addi1on  Reac1on  

Transi1on  states  have  par1ally  formed  bonds.  

27  

Reac1on  Coordinate  Diagram  for  Each  Step  of  the  Addi1on  of  HBr  to  2-­‐Butene  

28  

Reac1on  Coordinate  Diagram  for  the  Addi1on  of  HBr  to  2-­‐Butene  

The  rate-­‐limi1ng  step  of  the  reac1on  is  the  step  that  has  its  transi1on  state                          at  the  highest  point  of  the  reac1on  coordinate  diagram.     29  

Electrophilic  Addi1on  of  Alkenes    •  The  reac1on  is  successful  with  HCl  and  with  HI  as  well  as  

HBr  

•  HI  is  generated  from  KI  and  phosphoric  acid  

30  

Orienta1on  of  Electrophilic  Addi1ons:  Markovnikov’s  Rule  

•  In  an  unsymmetrical  alkene,  HX  reagents  can  add  in  two  different  ways,  but  one  way  may  be  preferred  over  the  other  

•  If  one  orienta1on  predominates,  the  reac1on  is  regioselec0ve  •  Markovnikov  observed  in  the  19th  century  that  in  the  addi1on  of  

HX  to  alkene,  the  H  a>aches  to  the  carbon  with  more  H’s  and  X  a>aches  to  the  other  end  (to  the  one  with  more  alkyl  subs1tuents)    –  This  is  Markovnikov’s  rule  

31  

•  Addi1on  of  HCl  to  2-­‐methylpropene  •  Regiospecific  –  one  product  forms  where  two  are  possible  •  If  both  ends  have  similar  subs1tu1on,  then  not  regiospecific  

Example  of  Markovnikov’s  Rule  

32  

Markovnikov’s  Rule    •  More  highly  subs1tuted  carboca1on  forms  as  intermediate  

rather  than  less  highly  subs1tuted  one  

•  Ter1ary  ca1ons  and  associated  transi1on  states  are  more  stable  than  primary  ca1ons  

33  

Markovnikov’s  Rule    

34  

Carboca1on  Structure  and    Stability  

•  Carboca1ons  are  planar  and  the  tricoordinate  carbon  is  surrounded  by  only  6  electrons  in  sp2  orbitals  

•  the  fourth  orbital  on  carbon  is  a  vacant  p-­‐orbital  •  the  stability  of  the  carboca1on  (measured  by  energy  needed  to  

form  it  from  R-­‐X)  is  increased  by  the  presence  of  alkyl  subs1tuents  

35  

Carboca1on  Stability  

  A  induc1ve  stabilized  ca1on  species  

36  

Carboca1on  Structure  and  Stability  

  A  plot  of  ΔH  dissocia1on  shows  that  more  highly  subs1tued  alkyl  halides  dissociate  more  easily  than  less  highly  subs1tuted  ones    

37  

The  Hammond  Postulate  

•  If  a  carboca1on  intermediate  is  more  stable  than  another,  why  is  the  reac1on  through  the  more  stable  one  faster?  –  the  rela1ve  stability  of  the  intermediate  is  related  to  an  equilibrium  constant  (ΔGº)  

–  the  rela1ve  stability  of  the  transi1on  state  (which  describes  the  size  of  the  rate  constant)  is  the  ac1va1on  energy  (ΔG‡)  

–  the  transi1on  state  is  transient  and  cannot  be  examined  – What  does  the  Hammond  Postulate  state?  “the  structure  of  a  transi1on  state  resembles  the  structure  of  the  nearest  stable  species.  Transi1on  states  for  endergonic  steps  structurally  resemble  products,  and  transi1on  states  for  exergonic  steps  structurally  resemble  reactants”  

38  

The  Hammond  Postulate  (Con1nued):  Transi1on  State  Structures  

•  A  transi0on  state  is  the  highest  energy  species  in  a  reac1on  step  

•  By  defini1on,  its  structure  is  not  stable  enough  to  exist  for  one  vibra1on  

•  But  the  structure  controls  the  rate  of  reac1on  •  So  we  need  to  be  able  to  guess  about  its  proper1es  in  an  

informed  way  •  We  classify  them  in  general  ways  and  look  for  trends  in  

reac1vity  –  the  conclusions  are  in  the  Hammond  Postulate  

39  

Examina1on  of  the  Hammond  Postulate  

•  A  transi1on  state  should  be  similar  to  an  intermediate  that  is  close  in  energy  

•  Sequen1al  states  on  a  reac1on  path  that  are  close  in  energy  are  likely  to  be  close  in  structure  -­‐  G.  S.  Hammond  

40  

Compe1ng  Reac1ons  and  the    Hammond  Postulate  

•  Normal  Expecta1on:  Faster  reac1on  gives  more  stable  intermediate  

•  Intermediate  resembles  transi1on  state  

41  

Evidence  for  the  Mechanism  of  Electrophilic  Addi1on:  Carboca1on  Rearrangments  

•  Carboca1ons  undergo  structural  rearrangements  following  set  pa>erns  

•  1,2-­‐H  and  1,2-­‐alkyl  shits  occur  

•  Goes  to  give  moststable  carboca1on  

•  Can  go  through  less  stable  ions  as  intermediates  

42  

Hydride  shits  in  biological    molecules  

43