Download - Chimica organica e laboratorio Alcani, isomeria Classi terze Docente: Luciano Canu Anno Scolastico 2002/2003 Alcani, isomeria Classi terze Docente: Luciano.

Chimica organica e laboratorioChimica organica e laboratorio

Alcani, isomeriaClassi terze

Docente: Luciano CanuAnno Scolastico 2002/2003

Alcani, isomeriaClassi terze

Docente: Luciano CanuAnno Scolastico 2002/2003

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PrerequisitiPrerequisiti

Definizione di chimica organicaFormazione degli orbitali molecolari L'atomo di carbonio e il concetto di ibridazioneLegami covalenti doppi e tripliForze intermolecolari

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ObiettiviObiettiviCaratteristiche generali degli alcani e dei cicloalcaniNomenclatura degli alcani e dei cicloalcani Concetto di:

Isomeria di catenaIsomeria conformazionale nei cicloalcaniIsomeria configurazionale

Proprietà fisicheProprietà chimiche:

Alogenazione radicalicaCombustione

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Obiettivi operativiObiettivi operativi

Riconoscimento di alcani e cicloalcani con il saggio allo iodio

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Una panoramicaUna panoramicaI più semplici composti organici sono gli idrocarburi formati da carbonio e idrogeno

Idrocarburi

Saturi Insaturi

Aperti

Ciclici

Alcani X X

Cicloalcani X X

Alcheni X X

Alchini X X

Aromatici X X

Di e polieni

X X

AlcaniCicloalcani

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EserciziEserciziCerca di riconoscere i diversi tipi di idrocarburi

CH3

CHF

Cl

CH3

CH3

CH3

CH3

H2C CH

CH3

CC

CC

H

HH

HH

HH

H

H

H

OH

Non è un idrocarburo

Non è un idrocarburo

È un idrocarburo: un cicloalcano

saturociclico

È un idrocarburo: un cicloalchene

insaturociclico

È un idrocarburo: un alchene

insaturoaperto

È un idrocarburo: un alcaosaturoaperto

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AlcaniAlcaniLa 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

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Formula condensata

Strutture di LewisStrutture di Lewis

CH4(metano)

C

H

H

H H

C2H6(etano)

CnH2n+2

CH3 CH3 H H

H H

HH C C

C3H8(propano)

H H

H H

H

H

H

HC C CFormula condensata

CH3 CH2 CH3

C4H10(butano)

H

H

H

H

H

H H

H

H H

C

C

C

C

Formula condensata

CH3 CH2 CH2 CH3

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La serie omologaLa 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)

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CicloalcaniCicloalcaniLa 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°

C

CCH

H

H

H

H HCH2

CH2H2CC3H6

60°

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La serieLa serieGli angoli di legame aumentano come aumentano gli atomi di carbonioQuando diventano 6 gli angoli sono quelli tipici tetraedrici

ciclobutano ciclopentano

CH2

CH2H2C

H2CCH2

CH2H2C

H2C

CH2

cicloesano

CH2

CH2H2C

H2C

CH2

CH2

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L’isomeria di catenaL’isomeria di catenaProvate a costruire la molecola del C4H10

Costruite altre molecole (sempre con 4 atomi di carbonio) modificando lo scheletro degli atomi di carbonio

C

C

C

C

C

C

C

C

Tutti gli atomi di carbonio rossi sono atomi primariGli atomi azzurri sono secondariL’atomo verde è terziarioVerifica se gli atomi di idrogeno corrispondono nelle due strutture

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Gli isomeriGli isomeri La molecola lineare si chiama n-butano

Ha p.e.=-0,6 °C

La molecola ramificata si può chiamare iso-butano o 2-metilpropano

Ha p.e.=-10 °C

Gli isomeri hanno stessa formula bruta ma diversa strutturaSono composti diversi

H3C – CH2 – CH2 – CH3

H3C – CH – CH3|

CH3

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Il pentanoIl pentanoNel pentano ci sono tre possibili combinazioni dello scheletro (3 isomeri di catena)

C5H1

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H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

n-pentanop.e.=-36,1 °C

H3C – CH – CH2 – CH3|

CH3

2-metilbutanop.e.=-28 °C

H3C – CH – CH3|

CH3

CH3

|2,2-dimetilpropanop.e.=-9,5 °C

Carbonio quaternar

io

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EserciziEserciziDisegna i 5 isomeri dell’esano

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Isomeria nei cicloalcaniIsomeria nei cicloalcani

Anche nei cicloalcani si può osservare il fenomeno di isomeria di posizione

Per esempio nei derivati ramificati del ciclobutanoHanno stessa formula bruta ma diversa struttura

CH3

CH3

1,1-dimetilciclobutano

CH3


CH3

CH3


H3C

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Isomeria cis-transIsomeria cis-transÈ denominata anche isomeria configurazionaleÈ presentata dai cicloalcani che hanno più di un sostituente

CH3

CH3

isomero cis

CH3

CH3

isomero trans

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EserciziEserciziScrivi la definizione di isomeria configurazionaleDisegna tutti gli isomeri del dimetilciclopentanoQuale delle seguenti strutture presenta isomeria cis-trans?

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

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NomenclaturaNomenclatura

La nomenclatura delle sostanze organiche è regolata dalla IUPAC

I primi 4 alcani hanno nomi di fantasiaGli altri hanno nomi regolari (che derivano dal numero di atomi di carbonio nella molecola)Il nome deve essere seguito dal suffisso -anoPentanoEsanoEptanoOttanoNonanoDecano

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Gruppi alchiliciGruppi alchilici

Per gli idrocarburi ramificati bisogna saper dare un nome a particolari frammenti di strutture organiche

Questi frammenti sono i gruppi alchiliciTali raggruppamenti si ottengono eliminando un atomo di idrogeno da una molecola e lasciando libero un legameIl nome del gruppo alchilico si ottiene sostituendo -ano con -ile

CH4 metano CH3- metile

C2H4 etano CH3-CH2- etile

ciclopentile

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Gruppi ramificatiGruppi ramificati

H2CH3C

H2C

propile

CHH3C CH3isopropile

CHH3CH2C

sec-butileCH3

H2C

H2C

H2C

n-butileCH3

CH3C CH3

ter-butile

CH3

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Un esempioUn esempioCerchiamo di dare un nome all’idrocarburo disegnato sotto

CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3|CH3

CH3

||CH3

CH2CH3

|

1. Si deve trovare la catena di atomi di carbonio più lunga tra tutte quelle possibili ed assegnare il nome del corrispondente idrocarburo


CH3

||CH3

CH2CH3

|1 2 3

4

1 2 3 4

5

1 2 3 4 5

67

1 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6

7

3, 4, 5, 6

7 6 5 4 3 2 12, 3, 4, 5

2. Si deve valutare da dove numerare in base alla combinazione di numeri più bassa

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Esempio (continua)Esempio (continua)

3. Il composto quindi è un eptano (7 atomi di carbonio)


CH3

||CH3

CH2CH3

| eptano

4. Si devono aggiungere al nome di base i nomi dei gruppi che costituiscono le ramificazioni:

Metile (metil)

|CH3

CH3

||CH3

CH2CH3

|

7 6 5 4 3 2 1

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 sono i gruppi

etil metil3- -2,4,5-tri-

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EsercizioEsercizioAssegnare il nome al seguente composto:

CH3 - CH2 – CH2 – CH – CH – CH2 - CH2 – CH2 – CH3|C3H7

CH3 - CH - CH3

|1 2 3 4 5 6 7 8 9

nonano

C’è un gruppo propilico in posizione 4

|C3H7

CH3 - CH - CH3

|

4-propil

C’è un gruppo iso-propilico in posizione 5

5-isopropil-

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Dal nome alla formulaDal nome alla formula

Dato il nome è possibile risalire alla formula di un alcano?Disegnare la struttura del

6-ter-butil-2,7-dimetildodecano1. Disegnare la struttura principale (12 atomi

di carbonio)2. Individuare le posizioni delle ramificazioni3. Inserire i gruppi alchilici corretti

Disegna le strutture dei seguenti alcani2,2,4-trimetilottano5-ter-butil-3-metildecano

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Nomi dei cicloalcaniNomi dei cicloalcani

Le regole sono simili a quelle degli alcani

La catena principale è quella dell’anello

CH3

CH3

ciclopentano1,2-dimetil1

2

C2H5

H3C

cicloesano1-etil-4-metil

1

2

34

C3H7

CH

CH3

CH31

ciclobutano1-propil-1-isopropil

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Gruppi cicloalchiliciGruppi cicloalchilici

ciclobutileciclopropile

ciclopentile

cicloesile

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EserciziEserciziScrivere i nomi dei seguenti composti

CH2CH2CH3CH2CH3

CH

H3C

CH3

propilciclopropanoetilciclobutano

isopropilciclopentano

cicloesilcicloesano

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Dai nomi le struttureDai nomi le strutture

Disegna le strutture dei seguenti composti

1. isopropilciclopentano2. n-butilciclobutano3. isopropilcicloesano4. etilciclobutano

CH

CH3

CH31

CH2CH2CH2CH3

2

CH

CH3

CH3

3

CH2

CH3

4

31

Proprietà fisicheProprietà fisicheIl punto di ebollizione degli alcani cresce con regolarità all’aumentare del peso molecolareMai però fondono al di sopra dei 100 °C

Stati fisici

gas liquido solido

alcani C1-C4 C5-C15 C16-

cicloalcani

C3-C4 C5-C9 C10-

Vasellina e paraffina sono miscele di idrocarburi solidi ad alto peso molecolare

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T

Fusione e solidificazioneFusione e solidificazioneIl punto di ebollizione diminuisce con la ramificazioneIl punto di fusione diminuisce con la ramificazione

p.f. –129,7 p.e. 36,1pentanoCH3CH2CH2CH2CH3

2-metilbutano

H3CHC

CH3

H2C CH3

p.e. 29,7p.f. –160

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Densità relativaDensità relativa

Sale anche la densità relativa con il peso molecolare

Da 0,416 g/ml per il metanoA 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

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Proprietà chimicheProprietà chimiche

Gli alcani sono anche chiamati genericamente paraffine (parum affinis)Si intende una scarsa reattività (affinità) con i più aggressivi acidi e basi inorganiciAnche i cicloalcani hanno proprietà simili agli alcaniLe reazioni tipiche sono

AlogenazioneCombustione

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AlogenazioneAlogenazione

Reagiscono principalmente il cloro ed il bromo e in presenza di luceTra metano e cloro possiamo rappresentare:

CH4 + Cl2 CH3 – Cl + H – Cl

La reazione porta alla formazione di un alogenuro alchilico (cloruro di metile)Avviene in presenza della luce

luce

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Reazione radicalicaReazione radicalica

La reazione è di tipo radicalico e il processo avviene in 3 stadi

InizioPropagazioneTerminazione

Un radicale è una specie atomica o un gruppo molecolare che possiede un elettrone spaiatoI radicali si ottengono per rottura omolitica di un legame

Cl - ClCl. .ClCl - Cl

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Inizio di reazioneInizio 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

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Propagazione a catenaPropagazione 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

.CH3 + Cl2 ClCH3 + Cl.

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Terminazione di catenaTerminazione di catenaQuando due radicali liberi di qualsiasi tipo si incontrano la catena di reazione si interrompe

Cl. + Cl. Cl2Cl. + .CH3 ClCH3

.CH3 + .CH3 CH3CH3

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ConsiderazioniConsiderazioni

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

Cloroformio Tetraclor

uro di carbonio

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Stabilità dei radicaliStabilità dei radicaliIl fatto appena descritto è spiegato considerando che i radicali terziari si formano più facilmente dei secondari e questi più facilmente dei primari

R C

R

R

C

R

H

HC

R

R

H

Terziario > secondario > primario

Quindi l’alogeno attaccherà preferenzialmente il radicale terziario

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Un esempioUn esempio

H3CHC

CH2

CH3

2-metilpropano

+ Br2

H

luce H3C C

CH2

CH3

2-bromo-2-metilpropano (99%)

H

Br

+ HBr

luce

H3C C

CH2

CH3

1-bromo-2-metilpropano (1%)

Br

H

+ HBr

Il bromo è molto selettivo e preferisce attaccare l’idrogeno sul carbonio terziario (99%) rispetto al primario (1%)

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CombustioneCombustione

Alcani e cicloalcani sono combustibiliLa reazione è importante per la produzione di energiaL’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

Fine

Alcani, isomeriaAlcani, isomeria