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

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

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

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

Una panoramica I più semplici composti organici sono gli idrocarburi formati da carbonio e idrogeno Idrocarburi Saturi Insaturi Aperti Ciclici Alcani X Cicloalcani Alcheni Alchini Aromatici Di e polieni Alcani Cicloalcani

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

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

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

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)

Cicloalcani CnH2n La formula generale dei cicloalcani è 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 H 60° CH2 H2C C3H6

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 CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C

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 C C

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 – CH – CH3 | CH3 H3C – CH2 – CH2 – CH3

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

Esercizi Disegna i 5 isomeri dell’esano

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

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

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

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

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

Gruppi ramificati

Un esempio Cerchiamo di dare un nome all’idrocarburo disegnato sotto CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3 | CH3 CH2CH3 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 CH2CH3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 3, 4, 5, 6 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 2, 3, 4, 5 7 6 5 4 3 2 1 Si deve valutare da dove numerare in base alla combinazione di numeri più bassa

Esempio (continua) Il composto quindi è un eptano (7 atomi di carbonio) CH3CH2CH – CH – CH – CH - CH3 | CH3 CH2CH3 CH3 | CH2CH3 | 3- etil -2,4,5- tri- metil eptano 7 6 5 4 3 2 1 | 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

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

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

6-ter-butil-2,7-dimetildodecano 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

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

Gruppi cicloalchilici

Esercizi Scrivere i nomi dei seguenti composti propilciclopropano etilciclobutano cicloesilcicloesano isopropilciclopentano

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

Proprietà fisiche Stati fisici alcani C1-C4 C5-C15 C16- cicloalcani Il punto di ebollizione degli alcani cresce con regolarità all’aumentare del peso molecolare Mai 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

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

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

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

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

Reazione radicalica Cl - Cl 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

Cl2  2 Cl. (radicali liberi) 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

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.

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

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

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

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

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

Fine Alcani, isomeria Galileo Galilei