Lezione 2: Alcani

Alcani: reazione esotermica

ΔG = ΔH - TΔS

Il sistema va spontaneamente verso DS, verso i prodotti più stabili. È favorita/sfavorita dall'energia entropica cioè qual è l'entropia?

ΔS = Entropia prodotti (S₂) - Entropia reagenti (S₁)

NB: Dove si formano più prodotti se l'entropia è maggiore

• CH₃ - CH₂ - CH₂ - CH₃ 1Primario terminale (porta 3 H sp)
• Etilenico (sp²) (porta 2 H sp²)

Il prodotto più stabile è il carbonio 1° della catena alchilica polialitica (non aromatica).

Isomeria

2 composti con stessa formula molecolare differiscono per qualcosa. Questo qualcosa determina i vari tipi di isomeria.

Alcani: reazione esotermica

ΔG = ΔH - TΔS

Il sistema va spontaneamente verso Ds, verso i prodotti più stabili. È favorita dall’energia entropica. Cos’è quindi l’entropia?

ΔS = entropia prodotti (Sf) - entropia reagenti (Si)

NB: Dove si formano più prodotti e reagenti l’entropia è maggiore.

1. CH₃ - CH₂CH₂ - CH₃
   Primario terminale (porta 3 H₁, 1P)
2. CH₂ - CH₂CH₂ - CH₃
   Primario terminale (porta 3 H₁, 1P) Etilenico (sp²) (porta 4 H, 0p)

È il carbonio 1^o della catena alchilica polifatica (non aromatica).

1° tipo di isomeria

Etano CH₃CH₃ In qualsiasi modo li metti hanno la stessa forma. (L'ETANO ESISTE IN UNA SOLA FORMA!)

Propano CH₃ CH₂ CH₃ (CH₈ ESISTE IN UNA SOLA FORMA!)

Butano C₄H₁₀ (4 atomi di C in linea)

NB: Se aggiungo uno dei 4 carboni ad un altro C della catena a 3 (non su quello 1°)

Catena di 3C con 1 sostituente. Questo è un isomero del butano è formato da un C centrale 3° che porta via, è da 3 gruppi metilici. Quando i composti che si formano sono costruiti da atomi costituiti si parla di: isomeria costituzionale.

Nei sistemi ramificati si tiene conto della catena più lunga.

2 - Metil - propano (È un isomero del butano). È un C 3° cioè porta, lega 3C ed 1H (che è a sua volta un H 3°).

Pentano C₅H₁₂

• C C C C C
• Contene: 2 C 1°, 1 C 3°, 2 C 2°

La catena più lunga è di 4C ed il sostituente si trova su C 2, quindi: 2 - Metil butano

• C C C C• C

È equivalente al precedente quindi il pentano con catena a 4C ha una forma di isomeria possibile.

Se avessi una catena a 3C (scendo nel propano):

• Contene: 2 C 2°, 1 C 4° (che non lega H)

2-2-2-Trimetil-propano è un altro isomero costituzionale del pentano.

Esercizio

Scrivere tutte le forme isomere di C₆H₁₄

Legami e reattività

I legami C—C, C—H sono legami forti, legami σ sono molto poco reattivi. I composti con questi tipi di legami e perché non ci sono gruppi funzionali sono ideali quindi come solventi, meglio se inerti. Tipico solvente apolare aprotico anche se il suo utilizzo come solvente è poco.

Scioglibilità in H₂O

L'H₂O è costituita da una fitta rete di legami a H, dove O è l'accettore, quindi chi instaura legami a H deve poter fare i legami H₂O. Gli alcani contengono molti H legati a C e non formano legami a idrogeno con H₂O, quindi sono:

• Insolubili
• Idrofobici
• Lipofili (incompatibili con H₂O)

Punto di ebollizione

Il PE si ha quando a quel composto viene fornita energia tale da rompere i legami che tengono uniti gli atomi così da passare allo stato di vapore. La nuvola elettronica non è sempre uguale ma si ha la formazione di dipoli momentanei cioè piccole forze che determinano il PE degli alcani.

Esempio

Forze deboli (van der Waals) H₂O è un dipolo permanente! Ha 2 centri δ⁺ e 1 centro δ^- che nell'etano non ci sono!!

Nota Bene: Più la molecola è grande (alto PM) e più la grandezza della molecola aumenta, anche il PE si innalza.

• CH₄ -160°
• C₂H₆ -180°

Reattività

Gli alcani sono molto poco reattivi. Danno principalmente 2 tipi di reazioni:

• CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Questa reazione ha interesse anche sotto dal punto di vista pratico perché è una reazione di combustione. Con grande quantità di O₂ gli alcani si trasformano in CO₂ e H₂O.

ES:

• CH₃ CH₃ + ⁷/₂ O₂ ➔ 2 CO₂ + 3 H₂O + kcal/mol

La reazione è fortemente esotermica!

La reazione non avviene spontaneamente perché l'E_a è molto più alta!

• CH₃CH₃+ O₂ ➔ CO₂+ H₂O

NB: Una scintilla fa scattare una molecola ma è questa unica molecola che poi attiva tutte le altre seguendo una reazione a catena, in modo incontrollato!

La reazione attiva → calore di combustione è utile per determinare l'isomeria costituzionale (tra isomeri).

Butano

• CH₃ CH₂ CH₂ CH₂ CH₃ + O₂ ➔ 600 Kcal/mol
• 2-Metilpropano CH₃ CH CH₃ CH₃ + O₂ ➔ 580 Kcal/mol

Sono isomeri tutti e due conducono a CO₂+H₂O ma quale dei due è più stabile?

• Butano ➔ 600 Kcal/mol
• 2-Metilpropano ➔ 580 Kcal/mol

4 CO₂+ 5 H₂O

Il butano è come un cilindro. Quando metto una ramificazione il sistema diventa sferico. Il solido di pari volume che ha la maggior superficie esterna è una sfera.

ES 1: Il neopentano o 2,2-dimetil-propano è il più stabile perché ha la maggiore struttura sferica

• CH₃H₃C C CH₃CH₃

ES 2: CH₄ + Cl (o Br): LUCE CALORE → CH₃Cl + HCl

• Substrato reagente (alogeno) (Halog.) Co-B₂
• Prodotto

Da un legame C-H si sostituisce un legame C-Cl. Reazione di sostituzione. La reazione passa attraverso un radicale (tipica reazione degli alcani) quindi è radicalica. Reazione di alogenazione radicalica.