Scarica ALCANI, ALCHENI, ALCHINI E BENZENE e più Sintesi del corso in PDF di Chimica organica solo su Docsity! ALCANI Gli alcani sono idrocarburi alifatici a catena aperta saturi, poiché presentano un legame semplice carbonio-carbonio. Gli atomi di carbonio degli alcani presentano ibridazione sp3, quindi allo stato eccitato avranno una configurazione elettronica esterna 2s12p3. Combinando il suo orbitale S con il suo orbitale P dando vita a quattro orbitali ibridi contenenti ciascuno un elettrone. Hanno una forma tetraedrica e quando due atomi di carbonio ibridati sp3 si uniscono si sovrappongono frontalmente dando origine a un legame sigma (poco forte ma molto stabile). La loro formula molecolare è CnH2n+2 dove N indica il numero di atomi di carbonio presenti nel composto. Per quanto riguarda la nomenclatura secondo le regole IUPAC i primi 4 termini sono caratterizzati dai prefissi MET-ET-PROP-BUT più il suffisso ANO, mentre dal quinto termine in poi deriva dal numero greco corrispondente al numero di atomi di carbonio più il suffisso ANO. Gli alcani a catena lineare che differiscono per uno stesso gruppo atomico costituiscono una serie omologa, questi hanno proprietà fisiche e chimiche differenti. A partire dal quarto termine in poi, quindi dal butano (C4H10) si viene a verificare l’isomeria di catena che comporta la presenza di composti che hanno la stessa formula molecolare ma legati in sequenze differenti . Quando un alcano presenta più isomeri il nome del composto è dato dal nome dei sostituenti legati alla catena carboniosa più lunga. I GRUPPI O RADICALI ALCHINICI sono gruppi atomici aventi un atomo di idrogeno in meno rispetto all’alcano corrispondente. I nomi dei GA derivano dal nome corrispondente per sostituzione del suffisso –ANO, con il suffisso –ILE. Gli ALOGENI sono atomi di fluoro, cloro, bromo e iodio rappresentati dai rispettivi simboli (F, Cl, Br, I) e indicati con il loro nome, sono quindi elementi del VII gruppo che reagendo con i metalli, formano i sali. Per quanto riguarda la nomenclatura degli isomeri di catena si: -individua la catena carboniosa più lunga e si assegna il numero più basso possibile all’atomo di carbonio legato al sostituente, la numerazione può essere fatta da destra a sinistra o da sinistra a destra, i nomi dei sostituenti hanno il suffisso ILE, se all’interno di una molecola sono legati radicali diversi, devono essere numerati in ordine alfabetico, indicandone la quantità con i prefissi di, tetra e tri. Quando nella catena carboniosa lo stesso sostituente è presente più volte, i numeri che ne indicano la posizione vanno separati da una virgola e il nome del sostituente deve essere preceduto dai prefissi di-, tri-, tetra-; se il sostituente è nella stessa posizione il numero deve essere ripetuto e separato da una virgola. Per rappresentare la formula razionale: scrivere la catena carboniosa con un numero di atomi di carbonio corrispondente al prefisso, aggiungere i sostituenti nelle posizioni precisate dal nome e completare la formula aggiungendo l’esatto numero di atomi di idrogeno per ogni atomo di carbonio. Per quanto riguarda le proprietà fisiche:i loro punti di ebollizione sono molto bassi poiché presentano legami intermolecolari molto deboli, hanno legami semplici SIGMA, ma presentano un alta stabilità, sono apolari e insolubili in acqua. I punti di ebollizione negli alcani a catena lineare aumentano con l’aumentare della massa molecolare, mentre in quelli a catena ramificata con lo stesso numero di atomi di carbonio diminuiscono perché le molecole assumono una forma più compatta e quindi formano un minore numero di legami intermolecolari. I primi 4 termini degli alcani li troviamo allo stato gassoso, dal 5 al 15 allo stato liquido, dal 16 in poi allo stato solido. Data la loro bassa reattività danno origine a due sole reazioni: COMBUSTIONE: Reazione di ossido-riduzione che porta alla formazione di C02 e H20, se avviene in mancanza di ossigeno. Quando la reazione di combustione è condotta in difetto di ossigeno, l’alcano si ossida parzialmente producendo monossido di carbonio che si può legarsi all’emoglobina al posto dell’ossigeno e può causare la morte per anossia. ALOGENAZIONE: avviene in presenza di luce oppure fornendo calore e forma un alogenuro alchilico (alcano sostituito) oppure un acido alogenidrico. Avviene per sostituzione, (sostituzione radicalica), ossia un atomo di idrogeno viene sostituito da un alogeno.  la presenza di un legame PI GRECO che rende la molecola maggiormente instabile ma molto più reattiva. Agli alcheni corrisponde la formula molecolare CnH2N. IL NOME DEGLI ALCHENI è costituito dal prefisso corrispondente alla radice dell’alcano più il suffisso -ENE O -ILENE, il gruppo alchenilico più noto degli Alcheni è il vinile, ovvero un gruppo atomico con un atomo di idrogeno in meno rispetto all’etilene. Negli alcheni si hanno tre isomerie: di posizione, geometrica, di catena e geometrica.  Gli isomeri di posizione : A partire dal terzo termine della serie si verifica l’isomeria si posizione in questo caso il nome dell’alchene deve essere preceduto da un numero che indica la posizione del doppio legame.  Gli isomeri di catena : Quando nella catena si hanno pù sostituenti si verifica l’isomeria di catena, in questo caso si identifica la catena carboniosa più lunga contenente il doppio legame e si deve numerare la catena partendo dall’estremità che permette di utilizzare numeri pù piccoli per gli atomi di carbonio del doppio legame.  Gli isomeri geometrici : Quando entrambi gli atomi di carbonio del doppio legame sono uniti a due atomi o gruppi atomici diversi si ha l’isomeria geometrica, in questo caso si avranno i due prefissi CIS e TRANS a seconda ce i sostituenti si trovano nella stessa parte o nella parte opposta del doppio legame. PROPRIETA’ FISICHE I primi tre termini della serie degli alcheni si trovano allo stato gassoso, dal quarto al sedicesimo si trovano allo stato liquido mentre i termini superiori si trovano alo stato solido; i punti di ebollizione sono molto bassi perché i legami intermolecolari sono molto deboli( forze di London). La reattività degli alcheni dipende dal doppio legame carbonio carbonio, i due elettroni del legame PI GRECO reagendo con gli elettrofili danno origine a reazioni di addizione , in queste reazioni si rompe il legame PI GRECO dell’alchene e il legame SIGMA del reagente dando origine a un doppio legame SIGMA molto più forte che darà un prodotto maggiormente stabile. La reazioni di addizione degli alcheni sono quella di alogenazione, addizione elettrofila e polimerizzazione. REAZIONE DI IDROGENAZIONE: può avvenire tra alogenuri (alogenazione) o in presenza di idrogeno molecolare e un catalizzatore metallico che porta alla formazione del corrispondente alcano quindi in poche parole una reazione di riduzione avviene quando gli atomi di carbonio formano altri legami con atomi di idrogeno. In una reazione di riduzione aumenta il numero di atomi di idrogeno nella molecola ad esempio l’idrogenazione del propene fornisce propano. REAZIONE DI ADDIZIONE ELETTROFILA: La reazione di addizione elettrofila può avvenire in presenza di alogenuri X2(alogenazione) o in presenza di acidi alogenidrici e acqua (idratazione) Se la reazione di addizione avviene tra un alchene asimmetrico e un reagente asimmetrico si avranno due prodotti, ad esempio in una reazione di addizione elettetrofila tra il propene e il cloruro di idrogeno si avrà: 1-cloropropano e 2-cloropropano; osservando questi esperimenti. Il chimico russo Markonivkov affermò che in una reazone di addizione elettrofila tra un alchene asimettrico e un reagente asimmetrico l’atomo dinidrogeno del reagente si lega all’atomo di carbonio del doppio legame a sua vlta legato ad un certo numero di idrogeno. La regola di Markonivkov si giustifica osservando il meccanismo della reazione che avviene per stadi: 1. il primo stadio in cui l’elettrofilo H+ si lega al doppio legame e forma un carbocatione e può avvenire in due modi generando cationi con diversa stabilità, 2. nel secondo stadio invece invece lo ione cloruro si legherà al carbonio secondario dando origine al 2-cloropropano. Quindi la regola di Markovnikon può essere espressa anche così: la reazione di addizione tra un agente elettrofilo e il doppio legame dell’alchene asimmetrico porta alla formazione del carbocatione più stabile. REAZIONE DI ALOGENAZIONE: consiste nell’aggiungere ad un alchene la soluzione di un alogeno in un solvente inerte, la reazione darà origine ad un alogenuro alchilico chiamato anche di alogenuro vicinale. LA REAZIONE DI ACIDI ALOGENIDRICI, avviene rispettando la regola di Markonivkov e porta alla formazione di un alogenuro alchilico. LA REAZIONE DI IDRATAZIONE avviene in presenza di catalizzatore acido H+ che si comporta da elettrofilo e porta alla formazione di un alcol e avviene in due stadi, 1. Nel primo stadio si ha l’addizione dello io H+ al carbonio del doppio legame e si ha la formazione di un carbocatione, 2. mentre nel secondo stadio : si addiziona l’acqua con formazione di un alcol protonato da cui si libera un atomo di idrogeno H+ sottoforma di uno ione H+ con ricostruzione del catalizzatore acido e formazione dell’alcol. REAZIONE DI POLIMERIZZAZIONE :decorre con un meccanismo di addizione radicalica ovvero in presenza di un perossido organico e consiste nell’unione di piccole molecole (monomeri) per formare macromolecole (polimeri). Una reazione di polimerizzazione importante è quella che partendo dall’etilene si forma il polietilene. ALCHINI Gli Alchini sono idrocarburi alifatici a catena aperta insaturi poiché presentano un triplo legame carbonio carbonio. Negli alchini gli atomi di carbonio del triplo legame sono ibridati sp, l’atomo di carbonio che allo stato eccitato ha configurazione elettronica esterna 2s12p3 al momento della combinazione con altri due atomi, trasferisce una copia di elettroni dall’orbitale S all’orbitale P formando due orbitali atomici ibridi sp, contenenti ciascuno un elettrone; i due orbitali sp si dispongono nello stesso piano assumendo una conformazione lineare. Quando due atomi di carbonio si uniscono, di ha una sovrapposizione frontale tra i due orbitali ibridi sp e si genera un legame SIGMA, mentre i due orbitali non ibridi si sovrappongono lateralmente formando un doppio legame PI GRECO in questo caso la molecola sembra essere sostituita da tre legami carbonio carbonio (un legame SIGMA e due legami PI GRECO);ma la presenza del triplo legame porta ad avere delle conseguenze:  la lunghezza del triplo legame carbonio-carbonio è minore rispetto a quella del doppio legame poiche i sei elettroni avvicinano i due nuclei sempre di più,  l’energia di legame risulta maggiore di quella di un doppio legame  infine la presenza di due legami PI GRECO essendo più deboli dl legame SIGMA, rende maggiormente instabile la molecola ma di conseguenza più reattiva. formazione di un aldeide mentre l’idratazione di un alchino segue le regole di Markonivkove diventando un CHETONE. Il BENZENE gli idrocarburi aromatici, sono una classe di composti organici costituiti da almeno un anello a sei ATOMI DI CARBONIO. Negli idrocarburi aromatici, gli atomi di carbonio ibridati SP2 sono legati da legami covalenti omopolari e da un legame a elettroni delocalizzati. Il termine più semplice di questa serie è il BENZENE, la formula strutturale si presenta come un esagono dove all’interno dell’anello di trovano gli elettroni delocalizzati; a seconda della loro massa molecolare gli idrocarburi sono elevati perché l’alta simmetria delle molecole rende più forti i legami intermolecolari. Gli idrocarburi aromatici MONOCICLICI sono costituiti da un anello benzenico e da uno o più gruppi atomici legati all’anello. Il NOME per quando riguarda la nomenclatura IUPAC per i:  DERIVATI MONOSOSTITUITI ovvero composti formati da un anello benzenico e da un atomo o gruppo atomico legato all’anello, il nome secondo le regole IUPAC è costituito dal nome del sostituente a cui fa seguire il termine benzene in modo da formare una parola sola.  DERIVANTI BISOSTITUITI formati da due gruppi atomici o atomi legati all’anello si deve tener conto che si verifica l’isomeria di posizione per cui occorre indicare la posizione dei due sostituenti. La posizione del primo sostituente si indica con il simbolo X, mentre la posizione del secondo sostituente si indica con il prefisso orto- meta- para- rappresentanti rispettivamente con i simboli o,-m-,p-.  DERIVATI POLISOSTITUITI (composti formati da un anello benzenico e da più di due atomi o gruppi atomici legati all’anello). Le posizioni dei sostituenti sono indicate numerando gli atomi di carbonio dell’anello in modo da utilizzare i numeri più piccoli possibile. I GRUPPI ARILICI o radicali arilici sono gruppi atomici che presentano un atomo di idrogeno in meno rispetto alla molecola dell’idrocarburo aromatico da cui derivano. I gruppi arilici più noti hanno nomi comuni e sono il radicale fenile e il radicale benzile. IL BENZENE è NOTEVOLMENTE STABILE E NON PRESENTA NESSUNA REAZIONE DI ADDIZIONE CON GLI IDROGENI O ALOGENI. Secondo il chimico KEKULE il benzene esisteva sotto forma di un anello esatomico rappresentato da due strutture in equilibrio tra loro. In tali strutture gli atomi di carbonio erano legati da legami semplici doppi alternati: i dati sperimentali dimostrarono che tutti i legami carbonio-carbonio hanno la stessa lunghezza, quindi la vera formula di struttura del benzene è un IBRIDO DI RISONANZA, poiché nel benzene gli atomi di carbonio sono ibridati SP2, gli orbitali ibridi assumono una disposizione planare. I tre orbitali ibridi sp2 di ciascun atomo di carbonio formano tre legami covalenti SIGMA, due con atomi di carbonio adiacenti e uno con atomo di idrogeno. I sei orbitali P si sovrappongono lateralmente formando un’unica nube elettronica che sta sopra e sotto il piano della molecola a costituire un legame a elettroni delocalizzati che si rappresenta con un anello all’interno della molecola. IL BENZENE DA’ REAZIONE DI SOSTITUZIONE ELETTROFILA Dato che l’anello benzenico è ricco di elettroni PIGRECO la reazione comune è quella della SOSTITUZIONE ELTTROFILA, ovvero uno o più atomi di idrogeno dell’anello vengono sostituiti con altri gruppi atomici o atomi; avviene con un meccanismo a due stadi.; 1. NEL PRIMO STADIO: un atomo o un gruppo atomico che si comporta da agente elettrofilo, in presenza di un catalizzatore, si lega a un atomo di carbonio dell’anello aromatico utilizzando due dei sei elettroni delocalizzati, in tal modo il carbonio assume ibridazione sp3, si forma un carbocatione (ione arenio) con la carica positiva delocalizzata in posizione orto- e para- con perdita dell’aromaticità. 2. NEL SECONDO STADIO: si ha che l’atomo di idrogeno legato al carbonio ibridato sp3 viene allontanato sotto forma di ione H+; i due elettroni rientrano nell’anello ricostituendo l’aromaticità e si ha la formazione di un derivato del benzene. Le principali reazioni di sostituzione elettrofila sono:  LA REAZIONE DI NITRAZIONE: consiste nel trattare il benzene con una soluzione di acido solforico e acido nitrico, che porta alla formazione del nitro-benzene; il meccanismo prevede che l’acido solforico si comporti da acido di BRONSTED E LOWRY cedendo un protone H+ all’acido nitrico che invece si comporta da base.( si forma lo ione nitronio NO+2).  LA REAZIONE DI ALOGENAZIONE :avviene trattando il benzene con un alogeno in presenza o in corrispondenza di un alogenuro FeCl3 o FeBr3 (CATALIZZATORE), porta alla formazione di un derivato aromatico.  LA REAZIONE DI SOLFONAZONIONE: avviene trattando il benzene con acido solforico fumante. Il triossido di zolfo si comporta da elettrofilo e attaccando il benzene forma BENZENSOLFONICO.