CHIMICA ORGANICA I - laboratorio AA 2009/10 Esperienza 1 ... · La conoscenza della struttura...
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CHIMICA ORGANICA I - laboratorio AA 2009/10 1 Esperienza 1 C C C o o o s s s t t t r r r u u u z z z i i i o o o n n n e e e d d d i i i M M M O O O D D D E E E L L L L L L I I I M M M O O O L L L E E E C C C O O O L L L A A A R R R I I I La conoscenza della struttura tridimensionale delle molecole è un elemento chiave per la comprensione delle proprietà chimico-fisiche che le caratterizzano e della loro reattività. Tecniche di diffrazione ai raggi X hanno permesso di determinare con esattezza la struttura allo stato solido di molecole semplici ma anche complesse, contenenti centinaia e nel campo della biologia molecolare, anche migliaia di atomi. In questo modo è stato possibile analizzare la disposizione spaziale degli atomi in composti di diversa natura e raccogliere una numerosa serie di dati riguardanti parametri geometrici quali lunghezza e angoli che caratterizzano i legami chimici esistenti nelle molecole. Lo scopo della costruzione dei modelli molecolari è di riprodurre la struttura tridimensionale delle molecole utilizzando elementi standardizzati che permettano quindi di visualizzare in modo facile e diretto la disposizione spaziale degli atomi e dei legami che li uniscono. Esistono tre tipi di modelli molecolari che possono essere utilizzati al fine descritto sopra: • i modelli "ball-and-stick" si compongono di sferette di plastica o di legno che rappresentano gli atomi e di bastoncini di legno o di cannucce di plastica cave, che vengono utilizzate per visualizzare i legami chimici tra le diverse sferette o atomi; • i modelli di "Dreiding" non visualizzano gli atomi come tali, danno solo la rappresentazione dello scheletro molecolare. Questi modelli permettono di costruire con esattezza l'architettura molecolare tale che distanze interatomiche e angoli di legame risultano molto vicini alla realtà (in scala) e sono quindi utili per misurare distanze fra atomi presenti nella molecola e non legati direttamente. • i modelli "space filling" (a spazio pieno) danno una immagine più realistica delle dimensioni e della forma della molecola. Tali modelli utilizzano sfere di dimensioni opportune per rappresentare il volume reale occupato da un particolare atomo, e bastoncini corti le cui dimensioni rappresentano in scala le distanze intenucleari corrette. In questo modo è possibile valutare l'ingombro sterico della molecola in esame mentre è difficile visualizzare le distanze interatomiche. Appartengono a questa classe i modelli di Cory-Pauling-Kolton ovvero i modelli detti C-P-K. Per l'esperienza descritta di seguito vengono utilizzati i modelli del primo tipo ovvero "ball- and-stick" che sebbene non permettano di valutare con precisione distanze interatomiche e volumi molecolari, sono molto utili per visualizzare la molecola in tre dimensioni, per determinare e manipolare le formule di proiezione, e valutare il numero dei possibili stereoisomeri.
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Esperienza 1 CCCooossstttrrruuuzzziiiooonnneee dddiii MMMOOODDDEEELLLLLLIII MMMOOOLLLEEECCCOOOLLLAAARRRIII
La conoscenza della struttura tridimensionale delle molecole è un elemento chiave per
la comprensione delle proprietà chimico-fisiche che le caratterizzano e della loro reattività. Tecniche di diffrazione ai raggi X hanno permesso di determinare con esattezza la struttura allo stato solido di molecole semplici ma anche complesse, contenenti centinaia e nel campo della biologia molecolare, anche migliaia di atomi. In questo modo è stato possibile analizzare la disposizione spaziale degli atomi in composti di diversa natura e raccogliere una numerosa serie di dati riguardanti parametri geometrici quali lunghezza e angoli che caratterizzano i legami chimici esistenti nelle molecole. Lo scopo della costruzione dei modelli molecolari è di riprodurre la struttura tridimensionale delle molecole utilizzando elementi standardizzati che permettano quindi di visualizzare in modo facile e diretto la disposizione spaziale degli atomi e dei legami che li uniscono. Esistono tre tipi di modelli molecolari che possono essere utilizzati al fine descritto sopra:
• i modelli "ball-and-stick" si compongono di sferette di plastica o di legno che rappresentano gli atomi e di bastoncini di legno o di cannucce di plastica cave, che vengono utilizzate per visualizzare i legami chimici tra le diverse sferette o atomi;
• i modelli di "Dreiding" non visualizzano gli atomi come tali, danno solo la rappresentazione dello scheletro molecolare. Questi modelli permettono di costruire con esattezza l'architettura molecolare tale che distanze interatomiche e angoli di legame risultano molto vicini alla realtà (in scala) e sono quindi utili per misurare distanze fra atomi presenti nella molecola e non legati direttamente.
• i modelli "space filling" (a spazio pieno) danno una immagine più realistica delle dimensioni e della forma della molecola. Tali modelli utilizzano sfere di dimensioni opportune per rappresentare il volume reale occupato da un particolare atomo, e bastoncini corti le cui dimensioni rappresentano in scala le distanze intenucleari corrette. In questo modo è possibile valutare l'ingombro sterico della molecola in esame mentre è difficile visualizzare le distanze interatomiche. Appartengono a questa classe i modelli di Cory-Pauling-Kolton ovvero i modelli detti C-P-K. Per l'esperienza descritta di seguito vengono utilizzati i modelli del primo tipo ovvero "ball-and-stick" che sebbene non permettano di valutare con precisione distanze interatomiche e volumi molecolari, sono molto utili per visualizzare la molecola in tre dimensioni, per determinare e manipolare le formule di proiezione, e valutare il numero dei possibili stereoisomeri.
ESPERIENZA 1 modelli molecolari
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MATERIALE e PROCEDIMENTO I modelli molecolari in dotazione al laboratorio sono stati disegnati dalla Cochranes of Oxford e fanno parte del più completo Orbit Molecular Building System la cui composizione è descritta di seguito: - i centri atomici sono costituiti da sfere o anelli di plastica con estensioni sulla superficie
(in numero da 1 a 12) che rappresentano le sedi di attacco del legame (Figura 1) sedi di attacco
del legame
sedi di attacco del legame
Figura 1. Centro atomico tetraedrico con le sedi dei legami disposte a 110°
- nel sistema completo sono presenti centri atomici di 15 forme, che differiscono per la disposizione delle sedi di attacco dei legami, e sono indicate con le lettere "a-q "come mostrato in Figura 2.
- i centri atomici che si riferiscono a diversi elementi seguono un codice di colori che è indicato in Tabella 1. Nella stessa tabella sono indicati i vari tipi di centri atomici con sedi di legame e quindi angoli di legame opportuni per ogni elemento ed inoltre il valore del raggio di legame covalente, espresso in angstrom (Å) che viene utilizzato per il calcolo della lunghezza di legame.
a b c d e f
g h i j k
l m p q
Figura 2. Centri atomici presenti nell’Orbit Molecular Building System
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Per l'atomo di idrogeno si utilizzerà quindi un centro atomico di colore bianco e di tipo "a" mentre per il carbonio tetraedrico (impegnato in quattro legami singoli) si utilizzerà un centro atomico di colore nero e di tipo "k". La lunghezza del legame singolo C-H (carbonio tetraedrico) calcolata secondo i dati di Tabella 1 viene ad essere pari a 1.07 Å.
- i legami fra i centri atomici sono realizzati utilizzando cannucce di plastica cave di colore verde, che vanno collegate alle sedi di legame presenti sulla superficie del centro atomico.
- le cannucce verdi devono essere di dimensioni opportune per rappresentare i diversi tipi di legame chimico esistente tra gli atomi di una molecola. È possibile quindi stabilire una scala per convertire angstroms in centimetri. L'equazione matematica che esprime la convenzione stabilita dall’Orbit Molecular Building System e riportata di seguito X (cm) = S (r1 + r2) -1cm (eq.1) dove : X = lunghezza in cm della cannuccia verde dei modelli S = scala adottata cioè 1Å = S cm (r1 + r2) = distanza di legame espressa in angstrom Quest’ultima può essere calcolata, dai dati di Tabella 1, come somma dei raggi di legame covalente degli atomi coinvolti, oppure può essere ricavata da dati cristallografici riportati in letteratura (Tabella 2). Il valore di 1 cm è sempre sottratto qualunque sia la scala S stabilita per tenere conto del volume occupato dai centri atomici dei modelli (sferette o anelli).
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Tabella 1. Parametri utilizzati dall’Orbit Molecular Building System
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Tabella 2. Lunghezze di legame tra l'atomo di carbonio ed altri elementi ricavate da dati cristallografici
(Handbook of Chemistry and Physics, 55th edition, 1974-75)
ESPERIENZA 1 modelli molecolari
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Esperienza:
Costruire i modelli molecolari di tutti gli alcani che corrispondono alla formula C5H12, riportare quindi nella relazione le formule di struttura e i nomi IUPAC dei diversi isomeri. Riportare nella relazione le rappresentazioni a cavalletto e le proiezioni di Newman e di Fischer di tutti i conformeri ottenuti ruotando il legame C2-C3 del 2-metilbutano.
CH3
H H
CH2CH3
HH
CH2CH3
HH
CH3
HH
CH3
H H
CH2CH3
HH
CH2CH3
HH
HH
H3C
CH2CH3
HHCH3
H H
a cavallettoo prospettica
di Fischerdi Newman
PROIEZIONI
Figura 3. Rappresentazione della molecola di n-pentano mediante i tre diversi tipi di proiezione
Costruire il modello molecolare del 2-bromo-3-clorobutano. Riportare nella relazione la proiezione di Newman del conformero indicato e la proiezione di Fisher del conformero in cui i gruppi –CH3 puntano verso il basso. materiale: 5 centri atomici Ck
12 centri atomici Ha
1 centro atomico Bra
1 centro atomico Cla
4 cannucce verdi lunghe 5 cm
12 cannucce verdi lunghe 3.5 cm
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precauzioni: Nell'operazione di assemblaggio e manipolazione dei modelli le cannucce verdi devono essere inserite saldamente alle sedi dei legami e ruotate in modo da assicurare la stabilità del modello. Tuttavia, si raccomanda di non operare con forza eccessiva per non danneggiare i modelli. procedimento: Per la costruzione di modelli molecolari di alcani le cannucce verdi devono rappresentare legami singoli carbonio-carbonio e carbonio-idrogeno. Utilizziamo per questo scopo cannucce pretagliate rispettivamente di lunghezza 5 cm e 3.5 cm; tali dimensioni corrispondono ad assumere un fattore di scala S di circa 4 cm. Infatti secondo la relazione riportata in eq. 1, per una lunghezza di legame pari a 1.07 Å (legame CH, vedi Tabelle 1 e 2), il valore X risulta = 3.3 cm, mentre per una lunghezza di legame pari a 1.54 Å (legame C-C, vedi Tabelle 1 e 2) si trova X= 5.2 cm. Si consiglia di disegnare le formule di struttura dei diversi isomeri, e di procedere quindi alla costruzione dei modelli molecolari come descritto nel testo. Calcolare le lunghezze delle cannucce che rappresentano i legami C-Br e C-Cl.
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Relazione 1
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da consegnare ai docenti di laboratorio, compilata, al termine dell’esperienza
Cognome e Nome ...................................................................................................
Laurea in CHIMICA ............................... Matricola.. ................ gruppo ..............
Data ..............................
Isomeri del pentano (formule di struttura e nomi IUPAC):
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Aiutandosi con i modellini molecolari, disegnare le rappresentazioni a cavalletto, le
proiezioni di Newman e di Fischer di tutti i conformeri del 2-metilbutano ottenuti ruotando il
legame C2−C3.
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Aiutandosi con i modellini molecolari, disegnare la proiezione di Newman lungo il legame C2−C3 del 2-bromo-3-clorobutano dalle seguenti rappresentazioni a cavalletto. Nel caso delle proiezioni di Newman rappresentare il conformero relativo alla rappresentazione a cavalletto, nel caso della proiezione di Fischer disegnare il conformero in cui i gruppi –CH3 puntano verso il basso:
HBr
CH3
CH3
H Cl
BrH
CH3
CH3
Cl H
Si tratta della stessa molecola? Quali sono le lunghezze delle cannucce che rappresentano i legami C−Br e C−Cl?
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