Chimica organica, idrocarburi e composti aromatici

Didascalia alternativa:

ALCHINO in modo che il legame multiplo abbia nº più piccolo possibile. ALCANO-ano gli stessi CH₂-CH₂-CH=CH-CH₂ | o stessi sostituenti in posizioni diverse ALCHENE-ehe ALCHINO-ino SOSTITUENTE = fa parte della catena principale: altro gruppo C*H o altri elementi P.7 3. Dare il nome ai sostituenti, se sono presenti più sostituenti dello stesso tipo si usano i prefissi (2 d-, 3 tri-, 4 tetra-) 4. Se sulla catena sono presenti dei sostituenti diversi questi si mettono davanti al nome della catena, in ordine A Nel nome di un composto i numeri alfabetico sono separati da virgole e uniti ai nomi mediante trattini PROPRIETA' FISICHE IDROCARBURI ALCANI Nel legame C-C la coppia di elettroni è ugualmente condivisa (legame covalente puro) e in C- Hi due atomi hanno valori di elettronegatività molto simili. SOLUBILITÀ Le molecole degli alcani sono non polari. Ciò spiega perché queste molecole siano insolubili in acqua, un solvente polare, e solubili in solventi non polari (come l'etere e il tetra-cloruro di carbonio). (UNA SOSTANZA NON POLARE REAGISCE E SI SCIOGLIE SOLO CON SOSTANZE NON POLARI) T. EBOLLIZIONE Le molecole degli alcani sono soggette alle forze di London (forze di attrazione tra dipolo temporanei), che diventano via via più intense al crescere delle dimensioni molecolari, in quanto aumenta la superficie di contatto tra le molecole. Ecco perché la temperatura di ebollizione degli alcani aumenta via via che la catena si allunga. (Metano, etano forze di London poco intense). A parità di atomi di carbonio, i composti a catena ramificata hanno temperatura di ebollizione più bassa rispetto ai corrispondenti composti a catena lineare, in quanto, avendo una minore superficie esposta, sono soggette a forze di London meno intense. STATI FISICI I primi quattro termini della serie (da C1 a C4) sono gassosi, mentre i composti da C5 a C15 sono liquidi; quelli con più elevato numero di atomi di carbonio sono solidi. Proprietà fisiche valide anche per alcheni e alchini. REAZIONI CHIMICHE ALCANI (COMBUSTIBILI) Gli alcani sono composti caratterizzati da bassa reattività; infatti il legame semplice carbonio-carbonio, in condizioni ordinarie, è molto resistente agli agenti chimici. Possono però combinarsi con l'ossigeno, quando la reazione è innescata (con una fiamma o una scintilla, oppure con il cloro o il bromo in presenza di luce ultravioletta). CHIMICAMENTE INERTI, POCO REATTIVI COMBUSTIONE -> Una delle poche reazioni che innescano La combustione è una reazione che avviene in presenza di ossigeno. Sviluppa grandi quantità di energia e dà come prodotti di reazione diossido di carbonio e acqua. IDROCARBURO + 02 -> CO2 + H2O BRIDAZIONE Alcani: ibridazione sp³ del carbonio (legame singolo) Consideriamo la struttura elettronica dell'atomo di carbonio nel suo stato fondamentale. Nella struttura fondamentale del C sono presenti solo due elettroni spaiati. Invece, negli alcani il carbonio forma quattro legami covalenti; un atomo di carbonio, pertanto, quando entra in combinazione con altri atomi deve assumere uno stato elettronico eccitato, cioè i due elettroni dell'orbitale 2s devono separarsi. In base a questa configurazione elettronica il carbonio dovrebbe formare tre legami uguali, corrispondenti ai tre elettroni dell'orbitale 2p a più alta energia, e un legame diverso corrispondente all'elettrone dell'orbitale 2s a minore energia. Nel metano, invece, la molecola presenta quattro legami C-H tutti identici tra loro per lunghezza ed energia. Per spiegare i legami chimici e la struttura tetraedrica del metano Pauling propose che l'orbitale 2s e i tre orbitali 2p del carbonio si "mescolino" (ibridizzano) formando quattro orbitali ibridi sp³ identici. sp sp. 109,5⁰ E Alcheni e alchini + reattivi ↑ 2s T ↑ 2p 2p 2p E 1s stato elettronico eccitato di un atomo di carbonio isolato ibridazione 2s ↓ 1s 2p stato fondamentale 1s 2p 2s ↑ stato elettronico eccitato ↑ ↑ T T sp³ sp³ sp³ sp³ quattro orbitali ibridi sp³ semipieni 1s atomo di carbonio ibridazione sp³ La formazione degli orbitali ibridi non è un processo fisico reale. Ciascun orbitale ibrido viene indicato come sp³= 1s+ 3p, e contiene un solo elettrone. Quattro orbitali atomici formano quattro orbitali ibridi. Gli orbitali ibridi sp³ del carbonio si dispongono alla massima distanza, che corrisponde ad angoli di 109.5°, per avere la minore repulsione possibile. GEOMETRIA TETRAEDRICA 120⁰ Alcheni: ibridazione sp² del carbonio (legame doppio) Es. Nell'etilene, C2H4 gli atomi di carbonio possono avere quattro legami covalenti soltanto se formano tra loro un doppio legame. Analizziamo come si forma il doppio legame carbonio-carbonio. Se si considera lo stato elettronico eccitato del carbonio, in questo caso si deve ammettere che l'orbitale 2s si combini matematicamente con due dei tre orbitali 2p. Si ottengono quindi tre orbitali ibridi sp², mentre un orbitale 2p rimane non ibridato. Figura 25. I tre orbitali ibridi sp² del carbonio dell'etilene sono planari e formano angoli di 120°. L'orbitale p non ibridato è perpendicolare al piano. E ↑↑↑ 2p 2p 2p 2s 1s stato elettronico eccitato di un atomo di carbonio isolato sp ibridazione sp. l'orbitale sp² dell'altro per formare un legame covalente sigma (o) forte. La sovrapposizione laterale di due orbitali 2p non ibridati porta alla formazione di un legame covalente pi greco (*) debole. La struttura dell'etilene viene completata da quattro idrogeni che si lega no con legami sigma ni menti orbitali ibridi sp². 180° Figura 27. I due orbitali ibridi sp del carbonio dell'acetilene giacciono sulla stessa retta e formano un angolo di 180°. 2p orbitale p non ibridato sp² sp² sp² tre orbitali ibridi sp² E H atomo di carbonio con ibridazione sp2 Alchini: ibridazione sp del carbonio (legame triplo) Per spiegare il triplo legame carbonio-carbonio, bisogna ammettere un terzo tipo di ibridazione, detto sp. In questo caso, un orbitale 2s si combina matematicamente con un orbitale 2p e forma due orbitali ibridi sp che giacciono sulla stessa retta, ma con verso opposto, quindi con un angolo di 180°. Gli altri orbitali 2p rimangono non ibridati, orientati lungo gli altri due assi cartesiani e perpendicolari agli orbitali ibridi. La sovrapposizione di due orbitali ibridi sp porta alla formazione di un forte legame sigma. sp ↑↑↑ 2p 2p 2p ↑ 2.s I tre orbitali ibridi sp² giacciono in un piano e formano angoli di 120°, mentre l'orbitale 2p non ibridato è perpendicolare al piano formato dai tre orbitali ibridi sp². Quando due atomi di carbonio si avvicinano, un orbitale sp² di un carbonio si sovrappone con |↑↓ 1s ibridazione stato elettronico eccitato di un atomo di carbonio isolato sp H sp. ↑↑ 2p 2p orbitali p non ibridati sp sp due orbitali ibridi sp Dalla sovrapposizione laterale degli orbitali 2p di un atomo di carbonio con quelli dell'atomo di carbonio adiacente, opportunamente allineati, si formano due deboli legami pi greco (T). Il risultato finale è la formazione di un legame o e di due legami cioè di un triplo legame. H H ↑↓ 1s atomo di carbonio con ibridazione sp C₂H₂ H Figura 28. Molecola dell'acetilene H-C=C-H. Il legame o tra i due atomi di carbonio deriva dalla sovrapposizione degli orbitali sp. I due legami corrispondono alla sovrapposizione, a due a due, degli orbitali 2p,e 2p, non ibridati. Sono presenti anche due legami o C-H. REAZIONI CHIMICHE ALCHENI e ALCHINI Addizione al doppio legame: H Idrogenazione Acidi alogenidrici 7° gruppo TP. Alogeni es Br₂ Le reazioni caratteristiche degli alcheni sono le reazioni di addizione elettrofila al doppio legame. Il doppio legame di un alchene si comporta come una sorgente di elettroni nei confronti di reattivi che sono alla ricerca di elettroni ELEATROFIL es: Un'elettrofilo puo' essere una specie chimica carica positivamente es: H₂ idrogeno, HCe acido alogeidrico, Br₂ alogeno In una addizione elettrofila il legame pi greco (π) degli alcheni, energicamente debole, si rompe a causa dell'ele Hrofilo. IDROGENAZIONE Idrogenando un alchene si ottiene il corrispondente alcano. 1. Il doppio legame (7) si rompe e i due atomi di H si dividono 2. Ogni H si lega a un diverso C del doppio legame es. HBr CH₂-CH=CH₂ + H*H_ H₂ propene es: propano + Stesso procedimento per l'addizione di alogeni o di acidi alogenidrici in alcheni simmetrici ADDIZIONE DI HX ad un ALCHENE ASSINE TRICO 7° Alogeno, 70 gruppo si dividono propene Eletrofilo CH₂-CH=CH₂ + x Br H₂ CH3-CH-CH₂ 1 1 H H 1. Il doppio legame (7) si rompe e i due atomi He 2. Ogni atomo si lega a un diverso C del doppio legame secondo la regola di Markovnikov 1869 - che riguarda gli elettroni, che se ne occupa CH₂-CH-CH₂ 1 → CH₂ - CH₂ - CH₂ 1 H Br 2- bromopropano ALCHEREHALCANO Regola che indica l'orientamento preferenziale nelle reazioni di addizione elettrofila agli alcheni. Quando un alchene di struttura asimmetrica si combina con un acido alogenidrico, l'idrogeno si attacca al carbonio del doppio legame che è legato al maggior numero di atomi di idrogeno, mentre l'alogeno si lega al carbonio del doppio legame più povero di idrogeno. COMPOSTI AROMATICI Inizialmente il termine "aromatico" era utilizzato per descrivere sostanze dall'aroma forte. Si scoprirono poi sostanze con le stesse caratteristiche di quest'ultime ma con un odore sgradevole, nonostante cio rimase il nome. Si indicano come del BENZENE idrocarburi aromatici, o areni, tutte le sostanze con le stesse caratteristiche e proprietá -termine più importante della serie. BENZENE CHE Nel 1865 il chimico tedesco Kekulé propose per il benzene: struttura ad esagono regolare dove ogni atomo di carbonio occupa un vertice. A ciascun atomo di carbonio è legato un idrogeno. Suppose, inoltre, che l'anello contenesse tre legami semplici alternati con tre legami doppi, in modo che i quattro elettroni di valenza di ciascun atomo di carbonio fossero impegnati nella formazione di quattro legami covalenti. Successivamente, misure sperimentali hanno dimostrato che tutti i legami carbonio-carbonio del benzene hanno la stessa lunghezza di 139 pm, intermedia tra un legame semplice (154 pm) e uno doppio (133 pm). Per tener conto di questi dati sperimentali, si può immaginare che la reale struttura del benzene risulti dalla "combinazione" di due strutture che differiscono per la posizione dei doppi legami. FORME LIMITE DI RISONANZA Queste strutture sono chiamate strutture di risonanza del benzene. Per indicare il fenomeno della risonanza, si traccia una freccia a due punte che separa le due strutture. Nessuna delle due strutture rappresenta il benzene presa singolarmente, e non ha esistenza autonoma. Il termine "risonanza" e l'uso della freccia a due punte possono far pensare erroneamente che la struttura vera del benzene "oscilli" in continuazione tra una struttura e l'altra. Invece, è più corretto pensare che il benzene abbia una struttura intermedia tra le due strutture di Kekulé. (Per capire questo concetto possiamo ricorrere per analogia ad un ibrido biologico. Il mulo è un ibrido di una cavalla e di un asino senza essere per questo l'uno o l'altro animale.) MODELLO A ORBITALI DEL BENZENE #8 fo legame forte e stabile Il modello a orbitali permette di comprendere meglio la struttura del benzene. Il benzene è una molecola esagonale planare dove ogni atomo di carbonio è legato con altri tre atomi (due C e un H). Poiché gli angoli di legame sono di 120°, ogni atomo di carbonio utilizza orbitali sp2 per formare tre legami sigma: due con altrettanti atomi di carbonio, uno con un atomo di idrogeno. Restano liberi sei orbitali p non ibridati Ibrido di risonanza perpendicolari al piano dell'anello. Ogni orbitale p non ibridato, che contiene il quarto elettrone di valenza del carbonio, può sovrapporsi indifferentemente con i due orbitali p adiacenti, per cui si forma una nuvola di carica negativa distribuita sopra e sotto il piano dell'anello. I sei elettroni p, quindi, a differenza degli alcheni, non sono impegnati a formare tre legami pi greco (n) tra specifiche coppie di atomi, ma sono delocalizzati (cioè diffusi) su tutto l'anello. b. Rappresentazione del benzene è lo stesso di REAZIONI CHIMICHE IDROCARBURI AROMATICI I sei elettroni di tipo π del benzene non formano tre distinti doppi legami, come negli alcheni, ma sono distribuiti in modo uniforme su tutto l'anello, e' ció conferisce una particolare stabilità all'anello benzenico, ovvero il suo carattere "aromatico". A causa di questo non sono possibili le reazioni come in alchemi e alchini ma per il benzene e gli altri composti aromatici si parla di sostituzione elettrofila in cui uno o più atomi di idrogeno dell'anello vengono sostituiti con altri atomi o gruppi atomici. CH-CH /1 CH 11 Br₂ CH 1 + Br- Br Bromo CH=CH Benzene + Br₂ ct₂ Gli elettroni non si sono spostati Tabella 4 CH-C + /1 CH + + HNO 3 OH + NO₂ CH=CH Bromobenzene Br Br₂ + SO 3 CH CATALIZZATORE sostanza che non partecipa direttamente alla reazione (non si consuma) ma ha la funzione di velocizzare la reazione CH,CH CH3 + Ce Br + HBr Reazioni più comuni di sostituzione elettrofila aromatica del benzene + HBr H₂SO4 Fe Br3 Acido bromidrico H₂SO4 AICI3 NO ₂ nitrobenzene Br bromobenzene SO 3H acido benzensolfonico - Sostituiscono un H con un + Reazione che avviene grazie al catalizzatore CH3 metilbenzene + H₂O NITRAZIONE + HBr BROMURAZIONE + H₂O SOLFONAZIONE + HCI ALCHILAZIONE DI FRIEDEL-CRAFTS Tabella 1 Formula CH C₂H6 C3H8 C₂H 10 C5H12 Nomi dei primi venti alcani Formula Nome Nome metano etano propano butano pentano Tabella 4 C₂H14 C₂H₁6 CgH 18 C₂H₂0 C10H22 Formula CH4 metano CH3 - CH3 etano CH3 - CH₂ - CH3 propano CH3-CH₂-CH2-CH3 butano CH3 CH3-CH - CH3 isobutano esano eptano ottano nonano decano Formula C₁1H24 C12H26 C₁3H28 C₁4H30 C15H32 Nome undecano dodecano tridecano tetradecano pentadecano CH3- metile Formula Gruppi alchilici derivati dai primi quattro alcani Nome CH3 - CH₂ - etile CH3 - CH₂ - CH₂ - propile C16H34 C₁7H36 C18H38 C19H40 C₂0H42 CH3 CH3 -CH-CH₂- isobutile Nome esadecano eptadecano octadecano nonadecano CH3 CH3 -C- CH3 I terz-butile eicosano CH3-CH₂-CH₂-CH₂- 0 CH3-CH-CH₂-CH3 n-butile sec-butile