Chimica organica, riassunto composti del carbonio dagli alcani agli alchini, quinto anno liceo scientifico PDF

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Riassunto del quinto anno di liceo scientifico sulla chimica organica e sui composti del carbonio. Si tratta di riassunto su alcani alcheni e alchini e le rispettive reazioni...

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I COMPOSTI DEL CARBONIO, COMPOSTI ORGANICI La chimica organica si occupa delle caratteristiche chimiche e fisiche delle molecole organiche. Si definiscono convenzionalmente composti organici i composti del carbonio

Il carbonio tende a formare legami principalmente con l’idrogeno. Oltre che con esso, meno frequentemente si lega anche ad altri quattro elementi: ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. Questi elementi hanno elettronegatività simile e raggio atomico ridotto = formano legami covalent molto fort. I composti organici si suddividono in 3 grandi categorie: - idrocarburi: distinti in alifatici e aromatici. Saturi/insaturi e monocliclici/policiclici. -derivat dagli idrocarburi: distinti in alogenati, azotati e ossigenati. Che sono costituiti dagli altri 4 elementi. -biomolecole: distinte in lipidi, carboidrati, proteine e acidi nucleici. Tranne i lipidi sono polimeri (macromolecole costituite da monomeri legati da legami covalenti). Sono principalmente composti da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Le caratteristiche che rendono l’atomo di carbonio molto versatile sono •Presenza nel livello energetco esterno di 4 elettroni spaiat con i quali formerà 4 legami covalenti. Nell’ibridazione accade che: - nello stato fondamentale la configurazione esterna risulta s2 p2 - al momento di legarsi con altri atomi il carbonio assorbe energia passando un elettrone dall’orbitale s all’orbitale p. in questo modo gli elettroni singoli saranno di più e la configurazione risulta 2s1 2p3, nonché lo stato eccitato. -in seguito uno o più orbitali p si combineranno con l’orbitale s formando le ibridazioni: 1) sp3= formerà legami semplici(sigma), è tpica degli alcani ed ha un angolo di 109,5 gradi. 2) sp2= formerà legami doppi(legame sigma e legame pigreco), è tpica degli alcheni ed ha angolo di 120 gradi 3) sp= formerà triplo legame( un sigma e due pigreco), tpica degli alchini ed ha angolo di 180 gradi. NELLE CATENE CARBONIOSE IL CARBONIO Può ESSERE PRIMARIO SECONDARIO O TERZIARIO IN BASE AL NUMERO DI CARBONI CON CUI SI LEGA L’ISOMERIA Essa è un fenomeno che accade quando due o più compost presentano stessa formula molecolare con diversa struttura. Si divide in isomeria di struttura( dove gli atomi di due o più composti con stessa formula molecolare sono legati in sequenze different) ed stereoisomeria( dove atomi o gruppi funzionali sono legati in una stessa sequenza con diversa disposizione spaziale) L’isomeria di struttura a sua volta di suddivide in: -isomeria di catena: trattasi di composti che differiscono per il modo in cui gli atomi di carbonio sono legat nella catena carboniosa. (es normalbutano e isobutano, nel primo si lega il radicale

metlico nel secondo quello etlico) -isomeria di posizione: composti che differiscono per la posizine di legami multripli, atomi o gruppi atomici (es. butene C4H8, può presentare doppio legame in posizione 2 o 3) -isomeria di gruppo funzionale: differiscono per il gruppo funzionale presente nella catena (es. etanolo e ditemiletere C6H6O,nell’etanolo che è un alcol vi è il gruppo OH nell’etere vi è O gruppo etereo) La stereoisomeria si suddivide in: -conformazionale: differiscono per diverso orientamento dello spazio di atomi o gruppi funzionali che si possono interconvertre per rotazione attorno ad un legame seplice C-C. Hanno stesse proprietà fisiche e chimiche, due delle posizioni più comuni sono sfalsata ed eclissata. -configurazionale: differiscono per orientazione di un atomo o un gruppo atomico che non può interconvertrsi per rotazione e si divide in: 1) isomeri geometrici: differiscono per disposizione spaziale di atomi o gruppi atomici legat a due atomi di carbonio unit da legali semplici(ciclo alcani) o doppio legame(alcheni). Quando i gruppi o gli atomi con massa maggiore si dispongno dallo stesso lato della catena l’isomero è detto cis, viceversa vi è il trans 2) isomeri ottici (enantomeri): differiscono per disposizione nello spazio e sono speculari non sovrapponibili. Una molecola presenta 2 enantiomeri quando ha un atomo di carbonio legato a 4 gruppi o elementi differenti. Il carbonio centrale si chiamerà stereo centro. Una molecola del genere è detta chirale. Quando essa presenta più stereo centri il numero di stereoisomeri che potranno formarsi includerà molecole non speculari dette diastereoisomeri. Essi hanno proprietà chimico-fisiche differenti. L’attività ottica è la proprietà per cui due enantomeri fanno ruotare il piano della luce polarizzat in angoli uguali con direzioni diverse. La luce polarizzata è detta tale in quanto essa è costituita da ombre che vibrano su un solo piano. Se il piano della luce polarizzata viene ruotato vestro destra la sostanza otticamente attiva è dett destrogira, viceversa levogira. La miscela equimolare di due enantomeri è detta racemo e non è otticamente attiva. L’effetto induttivo avviene attraverso la polarizzazione della catena carboniosa. Es. il cloro propano Il cloro tende ad attrarre più elettroni assumendo carica negativa ed il difetto di elettroni sull’atomo di carbonio direttamente legato al cloro verrà compensato dai carboni adiacenti. La rottura dei legami covalent può avvenire mediante due modalità: •omolita: quando in un legame omopolare ciascun atomo trattiene l’elettrone condiviso e si ha la formazione di radicali liberi. Può essere scatenata da calore(termolisi) oppure radiazione ultravioletta (fotolisi). I radicali liberi sono molto instabili e reattivi. essi possono essere:

-CH3∙ = radicale metlico -C2H5∙= radicale etlico -CH3-CH2-CH2∙ = radicale normalpropilico -CH3-CH∙-CH3 = radicale isopropilico, sec propilico -CH∙= radicale vinilico (proviene da H2C) -CH∙= radicale allilico (proviene da CH3-HC) •eterolitca riguarda i legami covalent polari, può avvenire a temperatura ambiente. Gli intermedi più importanti sono i carboanioni e i carbocatoni. Essi sono reattivi, i carbocationi si distinguono in primari, secondari e terziari in base al numero di gruppi alchilici che si legano al carbonio.

ALCANI CnH2n+2 Sono idrocarburi alifatci saturi( cioè dotati di legame semplice) a catena aperta. Contengono solo legame sigma e carboni ibridat sp3. Quando due carboni ibridati sp3 si legano vi sarà la sovrapposizione degli orbitali ibridati che formeranno il legame sigma omopolare. Come si assegna la nomenclatura: -si individua la catena carboniosa più lunga dalla quale deriverà il nome con prefisso met-, prop-, but, pent-, ed il suffiso –ano -si numerano i carboni in base alla possibilità di utilizzare i numeri più piccoli per i sostituenti, -quando vi è un solo sosttuente il nome si dà con il numero della posizione di esso+il nome del sosttuente+nome della catena -quando lo stesso sosttuente è presente più volte si indicano le posizioni di essi,i prefissi di-,tri-,tetra-+nome sosttuente+nome catena -quando i sosttuent sono diversi, si procede con la nomenclatura in ordine alfabetco -quando le catene hanno uguale lunghezza si adopera quella che presenta il maggior numero di sosttuent. Essi formano isomeri conformazionali rappresentabili mediante le proiezioni di Newman. I carboni sono apprestati mediante una circonferenza mentre i legami sono dei segmenti. La conformazione più stabile è quella sfalsata ed è preferibile per tutti gli alcani. Gli alcani sono in genere composti apolari ed insolubili in acqua, sono solubili solo in solventi apolari. Ciò accade poiché le molecole sono poco polarizzate data la poca differenza di elettronegatività. Le forze intramolecolari sono deboli perciò i punt di ebollizione saranno bassi. I composti a catena ramificata essendo più compatti formeranno meno legami dunque il loro punto di ebollizione sarà ancor più basso. Le reazioni che formano sono due: -COMBUSTIONE: CnH2n+2 + 3n+1 / 2 O2 = Nco2+(2n+2)H2O è una reazione di ossido riduzione fortemente esotermica.

-ALOGENAZIONE R-H+X2 = (mediante luce o calore) R-H+HX avviene in presenza di luce uv o fornendo calore. i prodotti sono alogenuri alchilici o acido alogenidrico. essa segue la sosttuzione radicalica: un atomo di idrogeno dell’alcano è sosttuito da un aogeno dopo una rottura omolitca. La reazione si suddivide in più fasi 1)primo stadio: iniziazione. avvine la rottura della molecola di alogeno in due radicale, la rottura avviene mediante somministrazione di luce(i fotoni) 2) secondo stato: propagazione. Il radicale alogeno strappa un atomo di idrogeno all’alcano che rimane con un elettrone spaiato sotto forma di radicale alchinico R•. a sua volta il radicale strapp un atomo all’alogeno con formazione di un alogenuro alchilico RX ed un radicale X•. dunque avremo che durante la propagazione scompare un radicale e se ne riformerà un altro, questo ciclo contnuerà a tempo indeterminato fino a quando non vi si esauriscono i radicali liberi. 3) terzo stato: terminazione. Essa avviene quando vi rimarranno due specie radicaliche che si uniranno tra di esse. I prodotti di tale reazione possono essere variamente alogenat es: la clorurazione del metano (CH4+Cl2) produrrà: clorulo di metano(CH3 -Cl) diclorometano(CH2Cl2) cloroformio(CHCl3) tetracloruro di carbonio(CCl4)

CICLOALCANI CnH2n Presentano duetipi di isomerie -isomeria di posizione: si ha quando il ciclo alcano presenta più sosttuent. 1) se essi sono tutti uguali c’è il prefisso di-,tri-,tetra2) se sono diversi si numera in ordine alfabetico in base al sostituente -isomeria geometric: si avrà l’isomero cis- quando i 2 sostituenti sono posti dalla medesima parte dell’anello carbonioso, viceversa il trans-. I due isomeri non sono interconvertibili per rotazione dunque hanno prorietà differenti.

ALCHENI CnH2n Sono idrocarburi alifatci a catena aperta insaturi, presentano il doppio legame (sigma prigreco) all’interno del quale i carboni sono ibridat sp2 Nell’ibridazione i 3orbitali sp2 si dispongono sullo stesso piano ai vertici di un triangolo e l’orbitale non ibridato p si dispone perpendicolarmente ad essi. Quando si legano due atomi ibridati sp2 i due orbitali non ibridi p si sovrappongono creando il legame pigreco mentre un orbitale sp2 si sovrappone all’altro creando il legame sigma. Il legame pigreco è debole e molto reattivo. Le conseguenze del doppio legame sono 3 -la molecola non potrà ruotare su se stessa poiche si avrà la rottura del legame pigreco

-il legame doppio è più corto poiché i 4 elettroni condivisi tendono ad avvicinare i nuclei -la molecola sarà più reattiva La desinenza degli alcheni è –ene, la nomenclatura risulta uguale a quella degli alcani. A temperatura ambiente fino al butene gli elementi si trovano allo stato gassoso, fino al 16esimo elemento liquidi ed a salire solidi. anch’essi sono composti apolari, insolubili in acqua e con bassi punti di ebolizione che aumentano in base alla massa del composto. Presentano : -isomeria di posizione:dal butene in poi formano isomeria di posizione in base alla posizione del doppio legame. Nella nomenclatura il nome della catena sarà preceduto dalla posizione di esso -isomeria di catena: si presenta quando alla catena carboniosa vi si legano più sostituenti -isomeria geometrica: quando entrambi i carboni del doppio legame sono legati a sostituenti diversi da H. L’isomeria cis si ha quando entrambi sono posti nella medesima parte della catena, viceversa il trans. Reazioni di addizione al doppio legame: Sono le reazione in cui si rompe il legame pigreco dei carboni ed il legame sigma dei reagent(X2 o HX) con la formazione di due legami sigma più stabili -IDROGENAZIONE: In presenza di un catalizzatore metallico( platno, nichel, palladio) al composto si aggiunge una molecola di H2 che trasforma l’alchene in alcano. -ADDIZIONE ELETTROFILA: Con alogeni X2, acidi alogenidrici HX o acqua. Tra un alchene asimmetrico ed un reagente asimmetrico l’idrogeno del reagente si lega al carbonio del doppio legame che è legato a più idrogeni. L’addizione di un elettrofilo al doppio legame di un alchene avviene in modo da formare il carbocatone più stabile Il meccanismo di reazione avviene in de stadi 1)addizione di un elettrofilo H+ al doppio legame che formerà un carbocatone in due modalità con diverse reattività es CH2=CH-CH3+H2 -> se l’idrogeno si lega al C1: CH3-CH-CH3 (carbocatione secondario, più stabile). Se l’idrogeno si lega al C2: CH2-CH2-CH3 (carbocatione primario, meno stabile) 2) lo ione clorulo Cl- si legherà al carbocatone più stabile L’alogenazione avviene aggiungendo una molecola di alogeno all’alchene inserito all’interno di un solvente inerte(nonché il tetraclorometano). Si ottiene un alogenuro alchilico. L’idratazione avviene quando si aggiunge una molecola di H2O in presenza di un catalizzatore acido H+ che fa da elettrofilo Essa porta alla formazione di acol Avviene in due stadi: 1) nel primo stadio uno ione H+ si lega ad un carbonio del doppio legame con formazione di un

carbocatone 2) nel secondo stadio si addiziona l’acqua con formazione di un intermedio instabile, nonché un alcol protonato, dal composto si libera un atomo di idrogeno sotto forma di ione H+ con ricosttuzione del catalizzatore acido e formazione dell’alcol.

ALCHINI CnH2n-2 Sono idrocarburi alifatci non saturi caratterizzat dalla presenza di triplo legame, uno sigma e due pigreco e con ibridazione sp. I due orbitali ibridi sp si dispongono sullo stesso piano lungo una retta, i due non ibridi invece si dispongono perpendicolarmente tra di loro e sono perpendicolari agli orbitali ibridi. Al momento di legarsi ad un altro atomo avverrà la sovrapposizione degli orbitali ibridat che formerà legame sigma e la sovrapposizione degli orbitali non ibridat che formerà due legami pigreco. Il triplo legame avrà tre conseguenze: -lunghezza minore del legame a causa delle forze attrattive dei 6 elettroni che avvicinano i nuclei -energia di legame maggiore -a causa dei due legami pigreco la molecola sarà fortemente istabile La nomenclatura è uguale ai precedenti con la desinenza –ino Essi presentano isomeria di posizione, in base alla posizione del triplo legame, ed isomeria di catena quando alla catena carboniosa vengono a legarsi diversi sosttuent Non si verifica l’isomeria geometrica poiché gli atomi di carbonio del triplo legame sono legati ad un solo sostituente. Hanno proprietà chimico-fisiche simili agli alcheni. Gli alchini, tuttavia, presentano un comportamento acido, ciò accade in quanto l’ibridazione sp fa sì che il carbonio mostri maggiore elettronegatvità. Per cio quando il triplo lehame è posto in posizione terminale accade che il legame carbonio-idrogeno ridult leggermente polarizzato. In presenza di una base forte si ha la rottura etero litca del legame C-H con formazione di un acetluro. Le reazioni formate dagli alchini sono legate al triplo legame che presentando una forte densità elettronica rappresenta un’ottima punto di attacco per gli agent elettrofili La reazione avviene in due stadi: 1)nel primo stadio avviene la rotttura di un legame pigreco con formazione di legame doppio carbonio-carbonio 2)nel secondo stadio verrà a rompersi il legame pigreco, più debole, con formazione di quattro legami semplici attorno ai carboni rendendo il prodotto saturo dunque più stabile. REAZIONE DI IDROGENAZIONE: o riduzione catalitica Avviene generalmente con l’addizione di un idrogeno molecolare H2

1)con la presenza di un catalizzatore metallico(platno, palladio, nichel) si ha l’idrogenazione completa dell’alchino con formazione nel corrispondente alcano 2) con la presenza di un catalizzatore di lindlar (realizzato con palladio e carbonato di calcio) si ha l’aggiunzione di una sola mole di idrogeno dunque la formazione di un cis-alchene ALOGENAZIONE: è una reazione di adizione eltroffila. Essa può avvenire solo in presenza di un solvente inerte. NEL CASO DI ALOGENO: se sommiamo un’unica mole di alogeno, quind l’alogeno e l’alchino si trovano nella medesima quantità ed avverrà la formazione di tpo ant: la molecolà si formerà in modalità trans. quello che avverrà sarà che in seguito alla rottura del legame pigreco i due alogeni si sosttuiscono agli idrogeni. se invece si unisce una quanttà maggiore di alogeno rispetto all’alchino, avverrà la reazione detta precedentemente + un secondo stadio nel quale si aggiungerà un’altra molecola di alogeno e la reazione creerà un alcano. CON ACIDI ALOGENIDRICI: il percorso è analogo con una sola mole di acido alogenidrico, quando verrà a rompersi il triplo legame si formerà un doppio legame e da una parte si legherà l’alogeno mentre dall’altra l’idrogeno. avverrà la formazione di un alchene in eccesso di acido alogenidrico avremo la formazione di un alcano

GRUPPI FUNZIONALI OH= OSSIDRILE, tipico di alcol e fenoli -O- = ETEREO, tipico degli eteri CO =CARBONILE, tipico di aldeidi e chetoni COOH= CARBOSSILE, tipico di acidi carbossilici COO= ESTERE,tipico di esteri CON= AMMIDICO, tipico degli ammidi NH2= AMMINICO, tipico delle ammine La formula di LEWIS mette in evidenza tuttii legami chimici tra gli atomi della molecola La formula RAZIONALE mette in evidenza solo i legami carbonio-carbonio La formula CONSENDATA mette in evidenza solo gli atomi e i gruppi atmici La formula TOPOLOGICA mette in evidenza solo la catena carboniosa metante segmenti....