chimica organica e laboratorio
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Galileo. Galileo. Galilei. Galilei. Chimica organica e laboratorio. Alcani, isomeria Classi terze Docente: Luciano Canu Anno Scolastico 2002/2003. Prerequisiti. Definizione di chimica organica Formazione degli orbitali molecolari L'atomo di carbonio e il concetto di ibridazione - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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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2
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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4
Obiettivi operativiObiettivi operativi
Riconoscimento di alcani e cicloalcani con il saggio allo iodio
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5
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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6
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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7
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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8
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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10
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
2
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
1,2-dimetilciclobutano
CH3
CH3
1,3-dimetilciclobutano
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
CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3|CH3
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)
CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3|CH3
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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EserciziEserciziAssegnare il nome ai seguenti alcani
CH3 - CH – CH – CH2 – CH2 – CH - CH – CH2 – CH2 - CH3
|CH3
CH3
|CH2 - CH3
|
|CH3
CH3 - C – CH – CH2 – CH2 – CH2 – CH3|CH3
CH3
|
|CH3
CH3 – CH2 – CH2 – CH – CH – CH – CH2 – CH2 - CH3
CH3
|C - CH3
|
|CH3
CH3 -
|CH3
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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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28
Gruppi cicloalchiliciGruppi cicloalchilici
ciclobutileciclopropile
ciclopentile
cicloesile
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29
EserciziEserciziScrivere i nomi dei seguenti composti
CH2CH2CH3CH2CH3
CH
H3C
CH3
propilciclopropanoetilciclobutano
isopropilciclopentano
cicloesilcicloesano
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30
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
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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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32
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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33
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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34
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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35
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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36
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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38
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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39
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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40
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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41
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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42
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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43
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
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Fine
Alcani, isomeriaAlcani, isomeria