Chimica organica parte 1 - Alcani, alcheni, alchini

ALCANI, ALCHENI, ALCHINI

CLASSIFICAZIONE IDROCARBURI

Composti contenenti esclusivamente C e H.

• IDROCARBURI
  • SATURI
    • (solo C ibrido sp³, solo legami σ)
    • ALCANI
      • (o idrocarburi alifatici)
      • solo legami C-C
  • INSATURI
    • (C ibrido sp² e sp, doppi o tripli legami)
    • ALCHENI
      • uno o più doppi legami C=C
    • ALCHINI
      • uno o più tripli legami C≡C
    • ARENI
      • uno o più anelli del tipo benzenico

ALCANI

• Formula generale C_nH_2n+2
• C ibrido sp³, legami σ
• Costituiscono una SERIE OMOLOGA (in cui ogni composto differisce dal successivo di un termine costante, -CH₂, detto GRUPPO METILENE)

CH₄ H-C-H H metano

C₂H₆ H-C-C-H H H etano

C₃H₈ H-C-C-C-H H H propano

In questi casi ciascuna formula corrisponde a una sola struttura, ma non è sempre così. Gli ISOMERI COSTITUZIONALI O DI STRUTTURA sono composti aventi stessa formula molecolare e diversa connettività (stesse proprietà).

Hanno diverse proprieta chimico-fisiche:

₄H₁₀

• CH₃(CH₂)₂CH₃ butano
• CH₃ CH₃CHCH₃ 2-metilpropano (isobutano)

₅H₁₂

• CH₃(CH₂)₃CH₃ pentano
• CH₃CH₃CH₂CHCH₃ 2-metilbutano (isopentano)
• CH₃CH₃ CCH₃ CH₃ 2,2-dimetilpropano (neopentano)

C₆H₁₄

• CH₃(CH₂)₄CH₃ esano
• CH₃CH₃(CH₂)₂CH CH₃ 2-metilpentano
• CH₃CH₃CH₂CH CH₂CH₃ 3-metilpentano
• CH₃ CH₃CH CH CH₃ CH₃ 2,3-dimetilbutano
• CH₃CH₃ C CH₂CH₃ CH₃ 2,2-dimetilbutano

Il numero di isomeri costituzionali aumenta all’aumentare del numero di atomi di C.

2) CONFORMAZIONE SFALSATA (E_K)

Guardando lungo l’asse C-C, ciascuno dei legami C-H sul primo atomico non è più allineato ma sfasato.

La conformazione eclissata è meno stabile a causa della sua TENSIONE TORSIONALE.

Per assumendo tutte le configurazioni, prevale quella a E più bassa (più stabile).

Nella conformazione eclissata le cariche negative sono vicine e tendono a respingersi e questo provoca l’aumento di energia.

ANALISI CONFORMAZIONALE CICLOALCANI

• CICLOPROPANO: Planare

Tende a dare reazioni in cui l’anello si apre.

Elevata TENSIONE ANGOLARE (angolo diverso da quello atteso: 60° anziché 109.5°)

Elevata TENSIONE TORSIONALE (set di legami C-H eclissati)

TENSIONE ANGOLARE: Incremento di energia determinato dal fatto che l’angolo di legame assume valori molto più piccolo o molto più grandi rispetto all’angolo teorico sulla base dell’ibridazione.

• CICLOBUTANO: Planare

Elevata tensione angolare (90° anziché 109.5°),

elevata tensione torsionale (conformazione eclissata)

In realtà il ciclobutano ha una CONFORMAZIONE A LIBRO: ripiegamento di due vertici opposti verso l’altro. L’angolo di legame è identico, ma i legami C-H sono sfalsati.

Gli alcani sono anche chiamati PARAFFINE (="poco reattive"), derivano dal gas naturale (ricco di termini più coni: metano, etano,...) e petrolio (miscela complessa di alcani a lunga catena che contiene anche composti diversi). Sono poco reattivi, danno pochissime reazioni come quella di combustione.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

ΔH° = -212 Kcal/mol

Questa reazione avviene nella caldaia a metano. L' alcano reagisce con l' ossigeno per dare anidride carbonica e acqua. C si ossida, O si riduce. La reazione di combustione è fortemente esotermica e il calore sviluppato può essere utilizzato a diversi scopi. Una reazione analoga, ma con miscela di idrocarburi, avviene nella auto.

ALCHENI

Formula generale C_nH_2n

C₁ odogsa (gruppo funzionale: planare Rotazione impedita intorno al legame π

C₂H₄

• CH₂=CH₂ etene (etilene)

C₃H₆

• CH₃CH=CH₂ propene (propilene)

C₄H₈

• CH₃CH₂CH=CH₂ 1-butene legame π terminale
• CH₃CH=CHCH₃ 2-butene legame π interno
• CH₃C=CH₂ esobutene (esobutilene) con ramificazione metilpropene

NOMENCLATURA

1. INDIVIDUARE LA CATENA IDROCARBURICA PIÙ LUNGA CONTENENTE IL DOPPIO LEGAME E ASSEGNARE IL NOME BASE (con suffisso -ENE)
2. NUMERARE LA CATENA CARBONIOSA IN MODO DA ASSEGNARE AI CARBONI

Diagrammi Energetici

Es.

Reaz: C + A - B → CA + B

Esotermica, monostadio

Anche se spontanea, la reazione richiede un iniziale innalzamento dell'energia del sistema.Nello stato di transizione (o complesso attivato) il legame tra C e A si sta formando e quello tra A e B si sta rompendo.Ea = E transizione - E reagentiLa reazione è spontanea perché E prodotti < E reagentiLa coordinata di reazione misura l'evoluzione della reazione ma non sempre coincide con il tempo.

Es.

Reaz: A + B → C + D

Esotermica, in due stadi

Ea1 > Ea2 : il primo stadio è il RATE DETERMINING STEP (stadio lento)Ea1 = E transizione - E reagenteEa2 = E transizione 2 - Intermedio

Reattività degli Alcheni

La reazione di addizione è la più caratteristica per gli alcheni: il legame π si rompe e si formano due nuovi legami σ. Queste reazioni sono tipicamente spontanee perché il legame π è più debole di quello σ.

MECCANISMO

nell'ambiente di reazione ci sono H₂O e H₂SO₄. H₂SO₄ cede il suo protone a H₂O dissociandosi e formando H₃O⁺.

STADIO 1:

LENTO

CH₃CH=CH₂ + H₃O⁺ → CH₃CH⁺CH₃ + H₂O

(CARBOCATIONE 2°)

STADIO 2:

VELOCE

CH₃CHCH₃ + O-H →

➖OH

IONE OSSONIO

STADIO 3:

VELOCE

CH₃CHCH₃ + H-O-H → CH₃CHCH₃ + H-O_H

IONE OSSONIO

Stadio 1: Lento. Lo ione idronio cede H⁺ che si lega a C dopo la rottura del legame π. Contemporaneamente si rompe il legame O-H e il doppietto ribalta su O.

Stadio 2: H₂O si comporta da nucleofilo e O usa il doppietto per legare il carbocatione (C⁺). Si forma lo ione ossonio. O porta una carica formale positiva, C torna neutro.

Stadio 3: H₂O strappa H⁺ allo ione ossonio. Il doppietto ribalta su O a formare l'alcool e a rigenerare il catalizzatore.

Tutti gli stadi sono reversibili e la reazione può decorrere in un verso o nell'altro.

REAZIONE DI ALOGENAZIONE

ALCHENE + ALOGENO = DIALOGENOALCANO (alcani sostituiti con 2 atomi di alogeno)

La reazione decorre con Cl₂ e Br₂ (F e I sono poco reattivi)

CH₃CH=CHCH₃ + Br₂ → CH₃CHBr-CHBrCH₃

2-butene

2,3-dibromobutano