Chimica organica e laboratorio

1. Galileo Galileo Galilei Galilei Chimica organica e laboratorio Alcani, isomeria Classi terze Docente: Luciano Canu Anno Scolastico 2002/2003

2. Prerequisiti • Definizione di chimica organica • Formazione degli orbitali molecolari • L'atomo di carbonio e il concetto di ibridazione • Legami covalenti doppi e tripli • Forze intermolecolari

3. 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

4. Obiettivi operativi • Riconoscimento di alcani e cicloalcani con il saggio allo iodio

5. Una panoramica • I più semplici composti organici sono gli idrocarburi formati da carbonio e idrogeno Alcani Cicloalcani

6. Esercizi • Cerca di riconoscere i diversi tipi di idrocarburi È un idrocarburo: un alchene insaturo aperto Non è un idrocarburo È un idrocarburo: un cicloalcano saturo ciclico È un idrocarburo: un alcao saturo aperto È un idrocarburo: un cicloalchene insaturo ciclico Non è un idrocarburo

7. 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

8. H H H H H H H C H H H H C H H C C H CH3 CH3 CH3 CH3 CH2 CH2 H C H H H H C CH2 CH3 CH3 H H H H Formula condensata Formula condensata C C C H H H H H CnH2n+2 Strutture di Lewis C4H10 (butano) CH4 (metano) C C2H6 (etano) Formula condensata C3H8 (propano)

9. 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)

10. CH2 H H C CH2 H2C H C C H H H 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° 60° C3H6

11. CH2 CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 CH2 H2C H2C CH2 CH2 H2C CH2 La serie • Gli angoli di legame aumentano come aumentano gli atomi di carbonio • Quando diventano 6 gli angoli sono quelli tipici tetraedrici ciclobutano ciclopentano cicloesano

12. C C C C C C C C 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

13. H3C – CH – CH3 | CH3 Gli 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 struttura • Sono composti diversi H3C – CH2 – CH2 – CH3

14. 2-metilbutano p.e.=-28 °C CH3 | 2,2-dimetilpropano p.e.=-9,5 °C H3C – CH – CH2 – CH3 H3C – CH – CH3 | CH3 | CH3 Il pentano C5H12 • Nel pentano ci sono tre possibili combinazioni dello scheletro (3 isomeri di catena) H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 n-pentano p.e.=-36,1 °C Carbonio quaternario

15. Esercizi • Disegna i 5 isomeri dell’esano

16. 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

17. Isomeria cis-trans • È denominata anche isomeria configurazionale • È presentata dai cicloalcani che hanno più di un sostituente

18. Esercizi • Scrivi la definizione di isomeria configurazionale • Disegna tutti gli isomeri del dimetilciclopentano • Quale delle seguenti strutture presenta isomeria cis-trans?

19. 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

20. 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

21. Gruppi ramificati

22. CH2CH3 | CH2CH3 | CH3 | CH3 | CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3 CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3 | CH3 | CH3 | CH3 | CH3 6 5 6 2 5 4 3 7 6 1 7 1 2 3 7 6 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 5 4 5 5 4 4 4 4 7 Un esempio • Cerchiamo di dare un nome all’idrocarburo disegnato sotto • Si deve trovare la catena di atomi di carbonio più lunga tra tutte quelle possibili ed assegnare il nome del corrispondente idrocarburo 3, 4, 5, 6 2, 3, 4, 5 • Si deve valutare da dove numerare in base alla combinazione di numeri più bassa

23. CH2CH3 | CH3 | CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3 | CH3 | CH3 2 5 4 3 7 6 1 Esempio (continua) • Il composto quindi è un eptano (7 atomi di carbonio) CH2CH3 | CH3 | 3- etil -2,4,5- tri- metil eptano | CH3 | CH3 • Si devono aggiungere al nome di base i nomi dei gruppi che costituiscono le ramificazioni: • Metile (metil) • Etile (etil) • 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

24. CH3 - CH - CH3 | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CH3 - CH2 – CH2 – CH – CH – CH2 - CH2 – CH2 – CH3 | C3H7 Esercizio • Assegnare il nome al seguente composto: CH3 - CH - CH3 | | C3H7 • C’è un gruppo propilico in posizione 4 • C’è un gruppo iso-propilico in posizione 5 5-isopropil- 4-propil nonano

25. CH2 - CH3 | CH3 | CH3 - CH – CH – CH2 – CH2 – CH - CH – CH2 – CH2 - CH3 | CH3 | CH3 CH3 | CH3 - C – CH – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 | CH3 CH3 | | CH3 CH3 - C - CH3 | CH3 – CH2 – CH2 – CH – CH – CH – CH2 – CH2 - CH3 | CH3 | CH3 Esercizi • Assegnare il nome ai seguenti alcani

26. 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 • 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

27. 1 1 2 2 4 3 Nomi dei cicloalcani • Le regole sono simili a quelle degli alcani • La catena principale è quella dell’anello 1,2-dimetil ciclopentano 1-etil-4-metil cicloesano 1 1-propil-1-isopropil ciclobutano

28. Gruppi cicloalchilici

29. Esercizi • Scrivere i nomi dei seguenti composti propilciclopropano etilciclobutano cicloesilcicloesano isopropilciclopentano

30. Dai nomi le strutture • Disegna le strutture dei seguenti composti • isopropilciclopentano • n-butilciclobutano • isopropilcicloesano • etilciclobutano

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

32. T p.e. 36,1 p.f. –129,7 pentano p.f. –160 p.e. 29,7 2-metilbutano Fusione e solidificazione • Il punto di ebollizione diminuisce con la ramificazione • Il punto di fusione diminuisce con la ramificazione

33. 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

34. 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

35. Alogenazione • Reagiscono principalmente il cloro ed il bromo e in presenza di luce • Tra 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

36. Cl - Cl Reazione radicalica Cl - Cl 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

37. 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

38. Propagazione a catena • Un radicale cloro reagisce con una molecola di metano per dare acido cloridrico e un nuovo radicale (radicale metilico) Cl. + HCH3  HCl + .CH3 • 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.

39. Terminazione di catena • Quando due radicali liberi di qualsiasi tipo si incontrano la catena di reazione si interrompe Cl. + Cl. Cl2 Cl. + .CH3ClCH3 .CH3 + .CH3 CH3CH3

40. 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 Cloroformio Tetracloruro di carbonio

41. 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 Terziario > secondario > primario • Quindi l’alogeno attaccherà preferenzialmente il radicale terziario

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

43. 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

44. Galileo Galileo Galilei Galilei Fine Alcani, isomeria