1 La chimica del Carbonio Le sostanze organiche Composti binari o idrocarburi: contengono solo C e...

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1 La chimica del Carbonio Le sostanze organiche Composti binari o idrocarburi: contengono solo C e H: alcani, alcheni, alchini e idrocarburi aromatici; Composti ternari: contengono tre elementi che possono variare
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    03-May-2015
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  • 1 La chimica del Carbonio Le sostanze organiche Composti binari o idrocarburi: contengono solo C e H: alcani, alcheni, alchini e idrocarburi aromatici; Composti ternari: contengono tre elementi che possono variare
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  • 3 Il metano ha una struttura tetraedrica. Il tetraedro una figura geometrica (una piramide a base triangolare con tutte le facce uguali). Se si iscrive il metano in un tetraedro, il carbonio sta esattamente al centro ed i 4 H stanno in corrispondenza dei 4 vertici, con angoli di legame tutti uguali che misurano 109.5
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  • 4 Si usa allora la convenzione dei cunei e linee tratteggiate: la linea tratteggiata significa che il legame si allontana da noi questi tre atomi sono sul piano del foglio il cuneo significa che il legame viene verso di noi
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  • 5 ALCANI Gli alcani sono idrocarburi saturi. Essi contengono il numero massimo di idrogeni possibile e quindi non hanno insaturazioni (doppi o tripli legami). Negli alcani tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp3 ed hanno quindi la stessa struttura tetraedrica del metano. Gli alcani possono essere aciclici o ciclici.
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  • 6 Alcani ciclici
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  • 7 Due composti con la stessa formula bruta ma diversa formula di struttura si dicono isomeri strutturali. Due isomeri costituzionali hanno differenti propriet chimiche e fisiche. Per metano, etano e propano possiamo immaginare un solo composto. Esistono per 2 composti con formula bruta C 4 H 10 : n-butano (butano) p.eb.: - 0.5 C iso-butano (2-metilpropano) p.eb.: - 11.6 C Per la formula bruta C 5 H 12 esistono ben 3 isomeri costituzionali: n-pentano (pentano) 2-metilbutano2,2-dimetilpropano
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  • 8 Il numero di isomeri aumenta vertiginosamente al crescere del numero di atomi di carbonio: abbiamo 5 isomeri con 6 C, 75 isomeri con 10 C. Con 30 atomi di carbonio gli isomeri possibili sono addirittura 4 x 10 9
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  • 9 Classificazione degli atomi di carbonio Gli atomi di carbonio sono classificati (primario, secondario, terziario, quaternario) in base al numero di carboni a cui sono legati:
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  • 10 Per gli altri alcani lineari il nome composto da un prefisso (che indica il numero di atomi di C) e dal suffisso -ano (che indica che un alcano):
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  • 11 Quando gli alcani fungono da sostituenti essi vengono denominati sostituendo il suffisso - ano con il suffisso -il. Sono chiamati gruppi alchilici. -CH 3 metil -CH 2 -CH 3 etil -CH 2 -CH 2 -CH 3 n-propil CH 3 -CH-CH 3 isopropil
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  • 12 NOMENCLATURA IUPAC Esempio (1 sostituente) Ricapitolando: Genitore: catena pi lunga Sostituente: gruppo legato al genitore Locante: n di Carbonio al quale legato il sostituente
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  • 13 Esempio (pi sostituenti uguali) Esempio (pi sostituenti diversi)
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  • 14 Nomi usuali di alcuni sostituenti Nomenclatura degli alcani ciclici I genitori sono chiamati come gli alcani aciclici, semplicemente aggiungendo il prefisso ciclo-. Per composti ramificati si usa la nomenclatura sostitutiva, con regole del tutto analoghe a quelle gi viste:
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  • 15 I sistemi ciclici pi stabili (e pertanto pi importanti) sono quelli a 5 e 6 termini: Come si calcola langolo di legame di una molecola planare? [180 * (n-2)]/n (con n = numero di angoli presenti nel ciclo) quindi: [180 * (5-2)]/5 = 108, ossia molto vicino allangolo tetraedrico ideale. Tuttavia il ciclopentano preferisce conformazioni non planari, per evitare l'eclissamento dei legami. Se fosse planare, l'angolo di legame sarebbe = 120 Il cicloesano preferisce conformazioni non planari sia per evitare l'eclissamento, che per avere angoli di legame pari a 109.5. Il cicloesano l'alcano ciclico pi stabile in assoluto. TEORIA DI BAYER : Pi langolo di legame si discosta da 109, maggiore linstabilit del composto. Inoltre, dal ciclo-esano in su aumentando gli atomi di C aumentano i gradi di libert del composto, pertanto la struttura ciclica pu essere distorta con maggiore facilit e minore consumo di energia, per cui pi stabile.
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  • 16 La conformazione ideale quella detta a sedia : tutti gli angoli sono di 109.5 tutti i legami sono sfalsati Esistono due "sedie" in equilibrio. Nel cicloesano sono equivalenti e degeneri: Il Cicloesano
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  • 17 I legami C-C posti di fronte sono coplanari. Il piano medio che abbraccia tutti i legami detto Piano Equatoriale. Dei 12 atomi di idrogeno 6 risultano alternati ad uno ad uno 3 sopra e 3 sotto il piano equatoriale e sono detti H assiali, altri 6 sono posti sul piano equatoriale e sono detti H equatoriali. Nel ciclo-esano ogni C risulta sfalsato rispetto al precedente:
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  • 18 Osserviamo la struttura stabile (a sedia) del cicloesano: Disponendo gli H assiali avremo: H H H H H H Disponendo gli H equatoriali avremo: [gli H equat. li disporr orientandoli tutti verso lesterno e secondo direzioni parallele ai tratti (legami C-C) che li precedono] H H H H H H H H H H H H
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  • 19 PROPRIETA' FISICHE DI ALCANI E CICLOALCANI
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  • 20 REAZIONI DEGLI ALCANI Gli alcani sono specie chimiche molto poco reattive e per tale propriet sono detti paraffine. La reazione pi importante degli alcani la combustione: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O Ma queste sono reazioni facili o difficili? Tutte le volte che scriviamo una reazione, dobbiamo considerare due aspetti: A) L'aspetto termodinamico B) L'aspetto cinetico
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  • 21 Sostituzione radicalica o alogenazione radicalica Consideriamo una reazione qualsiasi di sostituzione: CH 4 + X CH 3 X + H Perch avvenga questa generica reazione bisogna rompere prima il legame C-H il che richiede molta energia, la reazione infatti endotermica e difficilmente si realizza. In condizioni opportune e secondo un particolare tipo di reazione per gli alcani possono reagire. Pi esattamente si osservato che: a) CH 4 + Cl 2 (in condizioni di buio) nessuna reazione b) CH 4 + Cl 2 (alla luce) CH 3 Cl + HCl + H Si formato lalcano clorurato, nel caso specifico il Clorometano. La stessa reazione si avr trattando qualsiasi alcano con un alogeno che sia Cl, F e Br.
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  • 22 Legame C - H = 96 Kcalorie/mole Legame Cl - Cl = 58 Kcalorie/mole La radiazione nel caso della nostra reazione romper prima il legame ad energia minore: Cl Cl + h 2 Cl (1) Si ha quindi la rottura del legame C-H ad opera del Cl : H 3 C-H + Cl HCl + CH 3 + 20 Kcalorie(2) Il radicale CH 3 possiede intorno a s 7 elettroni, per cui ne richiede 1 per completare lottetto. Sono questi i cosiddetti gruppi elettrofili. Anche il Cl tende a completare lottetto acquisendo 1 elettrone. Il gruppo radicale CH 3 non pu prendere lelettrone da unaltra molecola di metano in quanto un radicale scomparirebbe, ma se ne formerebbe uno nuovo. E il secondo stadio della reazione: CH 3 + Cl Cl CH 3 Cl + Cl(3)
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  • 23 Facendo la somma delle due reazioni parziali si ottiene: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl + xKcal La reazione globale dunque formata da due reazioni parziali inscindibili: La reazione (1) Cl Cl + h 2 Cl Reazione di Iniziazione(1) le due fasi successive (2) e (3) H 3 C-H + Cl HCl + CH 3 + 20 Kcalorie(2) CH 3 + Cl Cl CH 3 Cl + ClReazioni di Propagazione(3) cio sia latomo di Cl che il metile vengono continuamente rimessi in circolo. La reazione (2) esotermica in quanto 96 Kcal vengono utilizzate per rompere in legame C-H, ma 116 Kcal vengono prodotte per la formazione del legame H-Cl. Anche la reazione (3) leggermente esotermica, per cui in totale la reazione fortemente esotermica.
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  • 24 E evidente che latomo di Cl pu riunirsi ad un altro atomo di Cl a dare Cl 2, oppure si possono avere reazioni del tipo: a) Cl + Cl Cl 2 b) CH 3 + Cl CH 3 - Cl c) CH 3 + CH 3 CH 3 CH 3 Tali reazioni non sono produttive per la reazione di partenza perch consumano i prodotti intermedi e quindi la bloccano. Per tale motivo vengono chiamate Reazioni di terminazione. In realt la reazione non viene bloccata in quanto le quantit di radicali CH 3 e Cl sono molto piccole rispetto a quelle di CH 4 e Cl 2. Ovviamente, man mano che la reazione di clorurazione va avanti e le quantit di CH 4 e Cl 2 diminuiscono, le tre reazioni di arresto diventano pi probabili. Gli stessi sottoprodotti della reazione, ad es. la quantit di etano (CH 3 -CH 3 ), possono essere utilizzati come indici diagnostici dei meccanismi di reazione.
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  • 25 CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl + xKcal h Cosa succede se al posto del Cl c il F? CH 4 + F 2 CH 3 F + HF + >> xKcal h Se la reazione si ha con il F ancora pi esotermica, infatti le fluorurazioni si realizzano controllando in modo opportuno la temperatura. Cosa succede se c il Br? CH 4 + Br 2 CH 3 Br + HBr + < xKcal h Se la reazione si ha con il Br meno esotermica. Cosa succede se c lo I? Lenergia di formazione dei nuovi legami < dellenergia di rottura dei legami vecchi, per cui il processo endotermico e non avviene spontaneamente. CH 4 + I 2 CH 3 I + HI h fluorometano bromometano
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  • 26 La velocit di estrazione di un H terziario maggiore perch il radicale terziario si rivela pi stabile di un radicale secondario, e questo di un primario: CH 3 C CH 3 CH 3 CH CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 Il radicale terziario viene a trovarsi immerso in una nuvola di carica pi densa, data dai legami intorno al C, rispetto al radicale secondario ed a quello primario. E come se ciascun C che circonda il C radicalico prendesse su di s una frazione dellelettrone di tale C. Per tale motivo, chiaro allora che se i C ad assorbire la carica dellelettrone spaiato sono tre, pi velocemente tale carica viene delocalizzata ed il composto risultante pi stabile radicale III ario radicale II ario radicale I ario