Organic Chemistry

Chimica Organica
Scienze della Terra, dell’Ambiente e
del Territorio
Capitolo 2
Alcani e Cicloalcani
Organic Chemistry, 5th Edition
L. G. Wade, Jr. Prentice Hall
Organic Chemistry, 3rd Edition
1
Paula Y. Bruice, Prentice Hall
In questa lezione:
• struttura degli alcani
• nomenclatura degli alcani
2
Struttura degli alcani
• Quattro idrogeni o carboni legati ad ogni atomo
di carbonio
• Tutti legami singoli C-C
• Formula generale: CnH2n+2
• Serie omologa : ogni membro differisce per la
presenza di un ulteriore gruppo CH2
3
Nomi comuni degli alcani “piccoli”
H
Metano CH4
C
H
H
H
H H
Etano CH3CH3
H
C
H
C
H H
Propano CH3CH2CH3
H
H H
H H
C
C
C
H H
H
4
Isomeria strutturale negli alcani:
Butani (C4H10)
n-butano C4H10
iso-butano C4H10
CH3CH2CH2CH3
CH3CHCH3
CH3
5
Pentani (C5H12)
n-pentano C5H12
iso-pentano C5H12
neo-pentano C5H12
CH3CH2CH2CH2CH3
CH3CHCH2CH3
CH3
CH3
CH3CCH3
CH3
6
Nomi comuni
• Isobutano, “isomero del butano”
• Isopentano, isoesano, ecc., gruppo metilico sul penultimo
carbonio della catena.
• Neopentano, il più ramificato
• 5 possibili isomeri per
l’esano, 18 isomeri per
l’ottano, 75 per il decano,
….
CH3CH
CH3
Formula molecolare
Numero di isomeri
strutturali
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
C15H32
C20H42
C30H62
2
3
5
9
18
35
75
4347
366319
4111846763
7
Nomenclatura IUPAC (International
Union of Pure and Applied Chemistry)
Caratteristiche della nomenclatura IUPAC
• È un sistema nel quale ogni composto ha un suo nome.
• Seguendo le regole, chiunque assegna il medesimo nome a un
dato composto.
• Viceversa, dato il nome di un composto, ognuno è in grado di
disegnare il composto.
IUPAC
STRUTTURA
NOME
8
La catena più lunga
• Il numero di carboni della catena più lunga
determina il nome “base” del composto:
etano, propano, butano ecc.
• Se ci sono due possibili catene della stessa
lunghezza usa la catena che ha il maggior
numero di sostituenti.
H3C
CH CH2
CH3
sì
CH3
no
H3C CH2 C
CH3
CH
CH2 CH2
CH3
N° di carboni
Nome
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Metano
Etano
Propano
Butano
Pentano
Esano
Eptano
Ottano
Nonano
Decano
Undecano
Dodecano
Tridecano
Tetradecano
Pentadecano
Esadecano
Eptadecano
Ottadecano
Nonadecano
9
Eicosano
Numerazione della catena
• La catena va numerata in modo da assegnare il numero più
piccolo possibile ai sostituenti
• Parti dall’estremità più vicina al primo dei sostituenti.
• Se i sostituenti sono equidistanti passa ai successivi.
8
CH
3
7
CH
2
CH
6
5
CH 2 CH
CH3
7 6
5
3
4
H3C CH CH CH2
1
2
3
4
CH2CH3
4
CH
2
3
CH
CH
3
CH2
5
2
2
2
CH
CH
CH3
2
1
CH
3
3
1
CH CH3
6
7
10
Sostituenti alchilici -ano
-ile
11
Gruppi propilici
H H H
H H H
H C
C C
H
H H H
H C
C C
H H
H
H
n-propile (propile)
isopropile
carbonio primario
carbonio secondario
idrogeno primario
idrogeno secondario
12
Sostituenti in ordine alfabetico
• Mettere i sostituenti in ordine alfabetico.
• Ignorare i prefissi di, tri ecc..
CH3
CH3
H3C CH CH CH2
1
2
3
4
CH2CH3
CH2
5
CH CH3
6
7
3-etil-2,6-dimetileptano
13
Nomenclatura IUPAC degli alcani
(poi facilmente estendibile agli altri composti)
• Individua la catena più lunga di atomi di carbonio (“catena
principale”).
• Numera i carboni a partire da quello più vicino al primo dei
sostituenti.
• Dai il nome ai sostituenti individuandoli con il numero del carbonio al
quale sono legati.
• Metti i sostituenti in ordine alfabetico.
• Se lo stesso sostituente è presente più volte usa i prefissi di, tri, tetra
ecc..
• Dai il nome alla catena principale
14
Esempi
9
2
1
7
8
2
1
6
4
3
5
4-isopropil-2,6,6-trimetilnonano
15
In questa lezione:
• proprietà fisiche degli alcani
• isomeria conformazionale
16
Proprietà fisiche degli alcani
• Operano soltanto le interazioni di van der Waals
• Derivano dalla formazioni di dipoli temporanei
• L’entità delle interazioni di van der Waals dipendono
anche dalla superficie di contatto tra e molecole;
molecole più ramificate interagiscono meno
intensamente.
17
Proprietà fisiche
•
•
•
Le temperature di ebollizione aumentano all’aumentare del
numero di atomi di carbonio
A parità di PM sono leggermente inferiori per le molecole
ramificate perché hanno una minore superficie di contatto e quindi
minori interazioni intermolecolari.
Le temperature di fusione aumentano all’aumentare del numero di
atomi di carbonio e della ramificazione.
18
Punti di
ebollizione
19
le molecole ramificate si impaccano meglio,
quindi hanno punti di fusione più alti.
Punti di
fusione
20
Solubilità degli alcani
•
•
•
•
“Similia similibus solvuntur”
Molecole con interazioni intermolecolari simili sono tra loro miscibili.
Molecole apolari sono solubili in solventi apolari.
Gli alcani sono quindi solubili in solventi apolari; es: esano,
cicloesano, CCl4, ecc.
21
Fonti e usi degli alcani
•
•
•
•
•
Origine: raffinazione del petrolio
C1-C2: gas (gas naturale)
C3-C4: GPL (<20°C)
C5-C8: benzina (20-200°C)
C9-C16: diesel, kerosene (175275)
• C17-up: oli lubrificanti e da
riscaldamento (250-400)
2 CH3CH2CH2CH3 + 13 O2
8 CO2 + 10 H2O
22
Cicloalcani
•
•
•
•
•
Anello di atomi di carbonio
Formula: CnH2n
Apolari, insolubili in H2O
Forma compatta
Punti di ebollizione e fusione simili a quelli di alcani
ramificati con lo stesso numero di carboni
cicloesano C6H12
H2C
H2C
CH2
CH2
CH2
CH2
23
Nomenclatura dei cicloalcani
• Il cicloalcano è di solito la struttura base
• Numerare i carboni se è presente più di un sostituente.
• Il primo sostituente in ordine alfabetico sul carbonio 1.
2
1
1
2
1-isopropil-2-metilcicloesano
2
1-metil-2-(1-metiletil)cicloesano
1
24
Nomenclatura dei cicloalcani
• Il cicloalcano può non essere la struttura base.
7
3
2
1
2-ciclopentileptano
• Attenzione all’ordine alfabetico
Br
4
5
3
1
2
Cl
5-bromo-1-cloro-2-etil-3-propilcicloesano
25
Stereoisomeria configurazionale:
cicloalcani cis e trans
• cis: sostituenti dalla stessa parte
• trans: sostituenti da parti opposte
• Per trasformare un isomero
nell’altro bisogna rompere dei
legami e riformarli.
STEREOISOMERIA
CONFIGURAZIONALE
H
H
H
H
ciclopropano
H
H
H
H
H
Cl
H
Cl
cis-1,2-diclorociclopropano
H
H
Cl
H
H
Cl
trans-1,2-diclorociclopropano
26
Stabilità relativa dei cicloalcani
• Gli anelli a 5- e 6-membri sono i più stabili
• La stabilità dipende dagli angoli di legame. Angoli di legame
diversi da 109.5° hanno tensione angolare (Baeyer)
• Inoltre la struttura ciclica può impedire che i sostituenti siano tra
loro sfalsati, generando tensione torsionale.
• La stabilità reativa dei cicloalcani si misura in base al calore di
combustione per ogni -CH2 -
H
H
H C C
H
H
H
Angoli di legame 109.5°
Idrogeni sfalsati
Piccolo angolo di
legame
Idrogeni eclissati
27
Ciclopropano
• Grande tensione d’anello (angolare) dovuta alla compressione degli
angoli di legame (60°)
• Legami deboli
• Molto reattivo
• C’è inoltre tensione
torsionale dovuta
all’eclissamento degli
idrogeni
28
Cicloesano
• I calori di combustione mostrano che non c’è tensione.
• Se fosse planare gli angoli sarebbero di 120 e gli idrogeni
sarebbero eclissati
• La struttua non è planare; le conformazioni limite sono quelle a
“sedia” e a “barca”
• Il conformero a sedia ha angoli di 109.5 e tutti gli idrogeni sono
sfalsati, quindi non c’è tensione angolare né tensione torsionale; è
la più stabile.
29
Conformero a sedia
30
Conformero a barca
31
Energia conformazionale
32
Idrogeni assiali ed equatoriali
• I sostituenti in posizione assiale passano in posizione equatoriale
e viceversa a causa dell’equilibrio conformazionale del cicloesano
33
Fine capitolo 2
34