Macchina tesina

C H

n 2n+2

FORMULA NOME

CH metano

4

C H etano

2 6

C H propano

3 8

C H butano

4 10

C H pentano

5 12

C H esano

6 14

metano,

Il è il più semplice degli alcani e ha formula molecolare CH . La sua

4

molecola ha la struttura di un tetraedro, con il carbonio al centro ed ai

vertici quattro atomi di idrogeno ad esso legati.

Nel metano l’orbitale 2s ed i tre orbitali 2p del carbonio si mescolano

formando quattro orbitali ibridi sp identici, orientati verso i vertici di un

3

tetraedro. È importante ricordare che il numero degli orbitali ibridi che si

forma risulta sempre uguale al numero di orbitali atomici che si combinano.

Gli orbitali ibridi sp3 del carbonio si dispongono alla massima distanza,

corrispondente ad angoli di 109,5° in modo da avere la minima repulsione

possibile. Ogni legame C-H del metano, in termini elettronici, si formano per

sovrapposizione dell’orbitale ibrido sp3 del carbonio con l’orbitale s

dell’idrogeno. I legami C-H che si formano sono definiti legami sigma.

Ciascun orbitale ibrido sp3 e ciascun orbitale s contengono un solo

elettrone. dell’etano,

Gli atomi di carbonio e di tutti gli alcani, possiedono ibridazione

sp e formano quindi angoli tetraedrici, uguali a quelli che si hanno nel

3

metano. Il legame covalente C-C dell’etano è, come per il legame C-H, un

legame sigma formato dalla sovrapposizione di due orbitali sp . Una

3

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proprietà del legame sigma è quella di permettere la rotazione dei due

gruppi legati senza che la sovrapposizione degli orbitali ne sia influenzata.

Quindi la rotazione intorno ai legami semplici è libera, cioè non richiede un

elevato contenuto di energia, e può generare due conformazioni limite, una

eclissata sfalsata

(meno stabile) e l’altra (più stabile e meno ricca di

energia), le quali non hanno la stessa energia e stabilità. La differenza di

energia tra conformazione eclissata e quella sfalsata rappresenta una

barriera alla libera rotazione intorno al legame semplice C-C ed è detta

energia torsionale

perciò .

Proprietà fisiche alcani → 1)a causa della bassa polarità e della incapacità

insolubili in

di formare legami idrogeno, gli alcani sono particolarmente

acqua. Gli alcani liquidi si mescolano l’un l’altro in tutte le proporzioni e

generalmente si sciolgono in solventi a bassa polarità; 2)le molecole degli

alcani sono soggette alle forze di Van der Waals, e poiché queste crescono

con la complessità molecolare, in quanto aumenta la superficie di contatto

tra le molecole, si può spiegare l’aumento di temperatura di ebollizione al

crescere della catena; 3)per il punto di fusione vale l’opposto del punto di

ebollizione, cioè con l’aumentare della catena, il punto di fusione

diminuisce; 4)sono tra i composti organici ad avere più bassa densità, anche

dell’acqua, pertanto essi galleggiano su quest’ultima. paraffine

Proprietà chimiche → gli alcani prendono il nome anche di (dal

parum affinis

latino = poco affini) perché sono composti caratterizzati da

bassa reattività, cosa attribuibile ai forti legami C-C e C-H, i quali non si

rompono se non quando gli alcani vengono riscaldati ad alte temperature.

Tuttavia possono combinarsi con l’ossigeno, quando la reazione è innescata

con una fiamma o una scintilla, oppure con cloro o bromo in presenza di UV.

CICLOALCANI struttura ad anello.

I cicloalcani sono idrocarburi che presentano una

Derivano dagli alcani per chiusura delle due estremità della catena lineare

con espulsione di due atomi d’idrogeno. La formula generale di questa serie

è C H . I cicloalcani non hanno tutti la stessa stabilità relativa, infatti è

n 2n

stato dimostrato che il cicloesano è il cicloalcano più stabile, mentre il

ciclopropano e il ciclobutano sono quelli meno stabili. Ciò può essere

spiegato con il fatto che gli atomi di carbonio dei ciclo alcani hanno

ibridazione sp3; l’angolo di legame tetraedrico di un atomo ibridato sp3 è di

109,5°. La molecola del ciclopropano è piana e ha forma di un triangolo

equilatero, per cui gli angoli di legame C-C devono essere di 60° invece di

109,5°. Tale compressione degli angoli di legami è chiamata tensione

angolare, e causa un piegamento dei legami che diventano più deboli e

l’energia potenziale del ciclo è più alta.

L’elevata stabilità dell’anello del cicloesano trova spiegazione nella

conformazione a sedia

particolare che assume la molecola, in cui si elimina

sia la torsione angolare (gli angoli di legami sono di 109,5°) che quella

torsionale. Inoltre nella conformazione a sedia del cicloesano 6 H sono rivolti

verso il basso e 6 H verso l’alto, rendendo minime le repulsioni di van der

Waals tra le nubi elettroniche degli atomi di idrogeno adiacenti.

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conformazione a barca,

Esiste un’altra del cicloesano quella in cui non c’è

tensione angolare, ma c’è una certa tensione torsionale. Dalla

conformazione a barca si può ottenere una nuova conformazione, detta

twist, in cui si riduce la tensione torsionale e diventa più stabile della

conformazione a barca. Tra le diverse interconversioni si è visto che ogni

istante più del 99% delle molecole del cicloesano si trova nella

conformazione a sedia, che è la conformazione più stabile.

ALCHENI

Gli alcheni sono idrocarburi insaturi le cui molecole possiedono almeno un

doppio legame tra due atomi di carbonio e hanno formula generale CnH2n.

Con la nomenclatura IUPAC si numera la catena degli atomi di carbonio

dall’estremità più prossima al doppio legame. La posizione del doppio

legame viene indicata dal numero del primo carbonio impegnato nel doppio

legame. Per la nomenclatura si cambia il suffisso – ano dell’alcano

corrispondente in –ene.

Esempio: CH - CH = CH- CH

3 3

1 2 3 4

2- Butene

Gli alcheni presentano alcune caratteristiche che li differenziano dagli alcani.

Infatti negli alcheni ogni atomo di carbonio è legato solo con tre atomi e

ogni atomi di carbonio combina un orbitale 2s e due orbitali 2p per formare

tre orbitali ibridi sp2. Questi orbitali giacciono in un piano e sono diretti

verso i vertici di un triangolo equilatero formando angoli di 120°. Poi c’è

anche un orbitale 2p non ibrido che mantiene la sua forma di orbitale

atomico e si dispone perpendicolarmente al piano dei tre orbitali ibridi sp2.

Quando due atomi di carbonio si avvicinano, un orbitale sp2 di un carbonio

si sovrappone con l’orbitale sp2 dell’altro e forma un legame sigma, mentre

la sovrapposizione laterale degli orbitali non ibridati porta alla formazione di

un nuovo legame covalente detto pigreco. I legami pigreco e sigma tra i due

carboni non sono identici: gli elettroni del legame pigreco hanno energia più

c’è un forte

alta (legame più debole) di quelli del legame sigma, pertanto

impedimento verso la libera rotazione a cui sono soggetti i gruppi legati dal

doppio legame. Dalla rotazione impedita attorno al doppio legame trae

origine un nuovo tipo di isomeria detta isomeria geometrica, in cui si

hanno gli isomeri cis (quando lo stesso atomo si trova dalla stessa parte

rispetto al doppio legame) e trans (si trovano da parti opposte). Perché sia

possibile l’isomeria trans-cis occorre che ciascun atomo di carbonio del

doppio legame sia legato a due atomi o gruppi differenti.

CLASSIFICAZIONE DEGLI ISOMERI

Isomeri → composti diversi con la stessa formula molecolare

Isomeri costituzionali → isomeri in cui gli atomi sono connessi in modo

diverso, per cui avendo una diversa formula di struttura hanno anche

proprietà fisiche differenti. 13

Stereoisomeri → isomeri in cui gli atomi sono legati con lo stesso identico

ordine; differiscono perché questi atomi sono orientati nello spazio in modo

diverso. Si dividono in :

Enantiomeri → stereoisomeri che sono uno l’immagine speculare

 dell’altro. Gli enantiomeri esistono solo quando le molecole di un

composto sono chirali, cioè non sovrapponibili con la sua immagine

speculare. Al contrario una molecola è achirale quando ha un piano di

simmetria (piano che divide la molecola in due metà che sono l’una

speculare dell’altra) ed è sempre sovrapponibile con la sua immagine

speculare. Qualsiasi atomo di carbonio con 4 gruppi diversi è uno

stereocentro. Per n stereocentri esistono 2 enantiomeri (es. per 1

n

centro chirale esistono due enantiomeri, per due c. chirali ce ne sono

quattro e così via)

Diastereoisomeri → stereoisomeri che non sono uno l’immagine

 speculare dell’altro (isomeri cis e trans). Le loro proprietà fisiche sono

diverse, mentre quelle chimiche rimangono pressoché uguali.

Proprietà fisiche alcheni → sono simili a quelle degli alcani: essendo

composti apolari sono insolubili in acqua, mentre sono solubili in solventi

apolari.

Proprietà chimiche alcheni → a differenza degli alcani, gli alcheni sono

molto reattivi, e ciò è spiegato dalla presenza di un legame pigreco debole

nel doppio legame C=C ,che in presenza di reattivo elettrofilo (capace di

acquistare un doppietto elettronico) e per addizione ciascun carbonio si

trova legato con 4 atomi, acquistando una struttura tetraedrica.

Quando un alchene di struttura simmetrica 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 (regola di Markovnikov).

ALCHINI

alchini

Gli sono idrocarburi insaturi le cui molecole possiedono almeno un

triplo legame tra due atomi di carbonio, e soddisfano la formula generale

C H2 .

n n-2

La nomenclatura IUPAC cambia il suffisso –ano degli alcani in –ino e numera

la posizione del triplo legame in modo che corrisponda al carbonio con il

numero più basso.

Es. CH3 - CH2-C ≡ CH

4 3 2 1 1-Butino

Un atomo di C interessato in un triplo legame come negli alchini possiede

ibridazione sp. Dei quattro orbitali del carbonio, due, precisamente gli

orbitali 2s e 2p sono ibridati per formare due orbitali ibridi sp (nell’etino

formano un angolo di 180°). L’atomo di carbonio possiede ancora due

orbitali p non ibridati, che sono perpendicolari tra loro e agli orbitali ibridi sp.

Dalla sovrapposizione dei due orbitali ibridi sp si for