ChimicaOrganicaAlcheniAlchini

Report
Chimica organica e laboratorio
Alcheni, alchini
Classi terze
Docente: Luciano Canu
Anno Scolastico 2002/2003
Prerequisi
ti
Idrocarburi
Alcani e saturazione
Isomeria di posizione e cis-trans
Nomenclatura degli alcani
Forze intermolecolari
Catalizzatori
2
Obiettivi
Caratteristiche generali degli alcheni e degli
alchini
Nomenclatura degli alcheni e degli alchini
Concetti di:
Isomero e isomeria cis-trans
Reagente elettrofilo e nucleofilo
Carbocationi e stabilità
Proprietà fisiche
Proprietà chimiche:
Addizioni elettrofile e regola di Markovnikov
Ossido-riduzioni
3
Obiettivi
operativi
Riconoscimento di alcheni e alchini con il
saggio del bromo (Br)
4
Una panoramica
I più semplici composti organici sono gli
idrocarburi formati da carbonio e idrogeno
Idrocarbur Saturi Insatu Aperti Ciclic
i
ri
i
Alcani
X
X
Cicloalcan
X
X
Alcheni
i
Alchini
Alcheni
X
X
Alchini
X
X
Aromatici
X
X
5
Esercizio
Cerca di riconoscere e classificare i
diversi tipi di idrocarburi
Idrocarburo
Alcano
CH3
H3C
H
C
CH
Idrocarburo
Alchene
H
CH3
C
H
C
CH3
CH3
Non è un idrocarburo
Idrocarburo
Cicloalcadiene
Br
CH3
OH H
H
C
H
CH3
CH3
CH3
CH3
C
H
CH3
Non è un idrocarburo
Idrocarburo:
Alchino
H
C
C
CH
CH3
6
Alcheni
La formula generale degli alcheni (con un solo
doppio legame) è
CnH2n
Ci sono 2 atomi di idrogeno in meno poiché 2
elettroni di altrettanti atomi di carbonio sono
impegnati in un legame di tipo 
H
H
H
C
C
H
H
H
Questi atomi di carbonio sono ibridati sp2
7
H
Struttura
H
C
C
H
H2C
H
CH2
Tutti gli altri atomi di carbonio hanno
ibridazione sp3
La geometria di tutti gli atomi di carbonio è
trigonale planare (angoli di 120°)
La molecola è formata da legami di tipo  e
da un legame 
L’alchene più semplice ha 2 atomi di carbonio
e 4 atomi di idrogeno (C2H4)
Il suo nome è etene
8
Strutture di
Lewis
CnH2n
C 4H 8
C 3H 6
(butene)
(propene)
C 4H 8
Formula condensata
C 4H 8
CH2= CH –
(1-butene)
(2-butene)
CH3
Formula condensata
Formula condensata
H H
CH2 = CH CH2 CH3 CH3 – CH = CH - CH2
H
H H
H
C C C H
H H H
H
H
H C C C C HH C C C C H
H
H
H
H
H
H
Isomeria della posizione del doppio legame
9
Alchini
La formula generale degli alchini (con un solo triplo
legame) è
CnH2n-2
Ci sono 4 atomi di idrogeno in meno poiché 4
elettroni di 2 atomi di carbonio sono impegnati in 2
legami di tipo 
H
H
H
C
C
H
H
H
Questi atomi di carbonio sono ibridati sp
10
Struttura
H
C
HC
C
H
CH
Tutti gli altri atomi di carbonio hanno
ibridazione sp3
La geometria di tutti gli atomi di carbonio è
lineare (angoli di 180°)
La molecola è formata da legami di tipo  e
da 2 legami 
L’alchene più semplice ha 2 atomi di carbonio
e 2 atomi di idrogeno (C2H2)
Il suo nome è etino o acetilene
11
Strutture di
Lewis
CnH2n-2
C 4H 6
C 3H 4
(butino)
(propino)
Formula condensata
HC
C
CH3
H
H
C
C
C
C 4H 8
C 4H 8
(1-butino)
(2-butino)
Formula condensata
Formula condensata
H
H
C
C
H
H
C
C
H2
C CH3
H
H
C
C
H
H
H3C
C
C
H
H H
C
CH3
H
C
C
H
C
H
Isomeria della posizione del triplo legame
12
H
L’isomeria di catena
L’isomeria di catena è complicata dalla
possibilità di trovare i legami multipli in posizioni
diverse
Due isomeri possono differire solamente per la
posizione del legame multiplo
H
H3C C CH2
1-propene
H
H2C C CH3
H H2
H H
H2C C C CH3 H3C C C CH3
CH3
1-butene
2-butene
2-metil-propene
H2 H
H H2
H H2
H3C C C CH2 H2C C C CH3 H2C C C CH3
1-butene
non sono
isomeri diversi
H3C C CH2
non sono
isomeri diversi
sono
isomeri diversi
1-butene
sono
isomeri diversi
13
Esercizi
Disegna i … isomeri del pentene ed
assegna loro il nome
H H2 H2
H2C C C C CH3
H H H2
H3C C C C CH3
H H
H3C C C CH2
CH3
1-pentene
2-pentene
H
H3C C C CH3
H2
H2C C C CH3
CH3
CH3
2-metil-2-butene
2-metil-1-butene
3-metil-1-butene
CH3
H2C C CH3
CH3
non esiste
14
Isomeria cis-trans
Il doppio legame costituisce una porzione rigida della
molecola
La rotazione attorno al doppio legame è impedita (verifica
con i modellini)
Alcuni composti con almeno un doppio legame
possono presentarsi in due forme isomere
Le due forme possono avere differente polarità, punto di
fusione e di ebollizione
Possono essere separate con metodi classici di separazione
Gli isomeri cis-trans sono formate dallo stesso tipo di
legami e dagli stessi gruppi ma disposti diversamente
nello spazio (verifica con i modellini)
15
C2Cl2H2
Un esempio
Per avere questo tipo di isomeria i due
atomi di carbonio ibridati sp2 devono
Essere legati con due atomi o gruppi
diversi
Il baricentro delle due
polarizzazioni coincide = la
molecola non è polare
pf = -50 °C
pe = +48 °C
Cl
H
Il baricentro delle due
polarizzazioni non coincide =
la molecola è polare
Cl
Cl
trans
Cl
C C
C C
H
-
H
1,2-dicloroetilene
+
cis
pf = -80 °C
pe = +60 °C
H
16
Esercizio
Individua i composti per cui esiste l’isomeria
cis-trans
H
Br
H
C C
H
CH3
H
C C
H
C2H5
non ha isomeri
H
CH3
C C
H2
H
H2C C CH3
non ha isomeri
CH3
C C
H
C2H5
ha isomeri
CH3
non ha isomeri
H
H
C C
H2
C3H7
H2C C CH3
ha isomeri
17
Nomenclatura
18
Gruppi alchenilici
Le ramificazioni che presentano il doppio
legame sono denominati alchen-ilici
I 2 più importanti gruppi hanno anche nomi
d’uso caratteristici
eten-ile (vinile)
2-propen-ile (allile)
H
H2C C
vinile
H H2
H2C C C
allile
19
Alcheni e alchini semplici
Il nome degli alcheni prende la desinenza –ene
Etene, propene, butene, pentene, esene, ecc.
Il nome degli alchini prende la desinenza –ino
Etino, propino, butino, pentino, esino, ecc.
Le regole di nomenclatura sono identiche a
quelle per gli alcani ma con alcune regola
aggiuntive
20
1
Regola aggiuntive
Dal butene in poi si deve precisare la
posizione del doppio o del triplo legame
H H2 H2
H2C C C C CH3
1-pentene
H H H2 H2
H3C C C C C CH3
2-esene
Si deve dare la priorità al doppio o al triplo
legame e numerare di conseguenza
H H H2 H
H3C C C C C CH3
CH3
 5-metil-2-esene
 2-metil-4-esene
 3-etil-2-metil-4-eptino
 5-etil-6-metil-3-eptino
C2H5
H
H2C C C C C CH3
CH3
H CH3
21
Regole aggiuntive
2
Se ci sono più doppi o tripli legami ci si
comporta come con i sostituenti multipli (2,3dimetil oppure 5,5,3-trietil)
H H H H
H2
HC C C C C CH3
1,3-esandiino
H
H2C C C CH2
CH3
H3C C C C C CH3
2,4-esandiene
2-metil-1,3-butandiene
La catena da scegliere deve essere sempre quella
più lunga ma che contiene il maggior numero di
legami multipli, privilegiando quelli doppi per la
numerazione
C3H7
H
H
H2C C C C C CH2
C3H7
 4,5-divinil-4-ottene
 3,4-dipropil-1,3,5-esantriene
22
Regole aggiuntive
3
Con la presenza contemporanea di doppi e
tripli legami per la numerazione si privilegiano
i doppi legami ma il nome finale spetta al
triplo legame
C2H5
H
HC C C C C CH2
C3H7
H2
H H2 H
H3C C C C C C C CH2
 4-etil-3-propil-1,3-esadien-5-ino
 3-etil-4-propil-3,5-esadien-1-ino
 4-vinil-1-otten-5-ino
HC CH2
H H H
H2C C C C CH2
C CH
 3-etinil-1,4-pentadiene
 3-vinil-1-penten-4-ino
23
Esercizi
Disegna la formula dei seguenti composti
insaturi
2,2-dimetil-3-eptene
CH3
H2 H2 H H
H3C C C C C C CH3
CH3
ciclopentino
CH3
H2 H2 H
H
H3C C C C C C CH2
CH3
CH3
CH3
1-ciclobutil-2,3-dimetil-3-eptene
1,2-dimetilcicloesene
24
Esercizi
Scrivi il nome delle seguenti strutture
H2
H H
H3C C C C C CH3
CH3
4-etil-2-metil-3-esene
CH2CH3
H3CH2C
CH2CH2CH3
3-etil-4-propil-3-eptene
C C
H3CH2C
CH2CH2CH3
CH3
H
H3C C C C C C CH
CH2CH3
CH CH
2
3,8-dimetil-4,6-decandiino
3
25
Comportamento chimico
26
Reattività chimica
C C
Gli alcheni e gli alchini hanno una reattività
molto diversa dagli alcani
E
Sono molto più reattivi e reagiscono con modalità
diverse
Perché?
È il legame  responsabile della maggiore
reattività
Più debole del legame 
Più lontano dallo scheletro della molecola
Rappresenta una concentrazione elettronica che
attira certi tipi di reagenti
27
Gli elettrofili



 F B F

F

Gli alcheni sono facilmente aggredibili
da alcune specie chimiche che hanno
affinità con le cariche elettriche
Queste specie chimiche, cariche e no,
sono chiamate elettrofile
• H+, Cl+, I+, NO2+, BF3
Sono specie povere di elettroni che
cercano di colmare la loro carenza di
elettroni
+
H
28
Addizione elettrofila
Alcheni ed alchini hanno la capacità di
incamerare, catturare diverse sostanze e
addizionarle alla propria struttura
Acqua
Alogeni
Acidi alogenidrici ed altri acidi
Sono denominate elettrofile poiché la fase
iniziale è sempre caratterizzata dall’attacco di
un reagente con tale tendenza
29
Addizione di acidi
Gli acidi alogenidrici (H-X) attaccano gli
alcheni fornendo un alogeno alcano
(alogenuro alchilico)
H
H
H3C C CH2
C C
H+
+
H
H3C C CH2
H Cl
Cl
H
H
+
C C
C C
Cl-
Cl
Le reazioni di addizione elettrofila avvengono
in posizione trans
30
H
I carbocationi
H
H3C C CH2
Cl
2-cloropropano
L’addizione di acido cloridrico porta
alla formazione quasi esclusiva del 2cloropropano e non dell’1cloropropano; perché?
Si deve cercare la spiegazione nella
formazione della seguente specie:
H
+
C C
Questa specie chimica è
denominata carbocatione
31
Stabilità dei carbocationi
Il protone (H+) attacca l’atomo di carbonio
formando il carbocatione che ha l’atomo di
carbonio più sostituito
H3C
H3C
CH3
H H
CH3
CH3
H3C
C+
H
CH3
C C
H
C C+
CH3
C
carbonio
terziario
carbonio
secondario
(non si
forma)
H CH3
I carbocationi sono stabilizzati (aiutati) dalla presenza
di altri atomi di carbonio legati direttamente ad esso
32
Stabilità relativa
Questo è l’ordine di stabilità dei carbocationi
R indica un qualsiasi gruppo alchilico uguale o
diverso
R
R
H
+
+
H
+
+
R C > H C > H C > H C >
R
R
R
terziario
secondario
primario
H
metilico
Queste sono le motivazioni che hanno
portato a formulare la regola di Markovnikov
33
Regola di Markovnikov
Nell’addizione di elettrofili asimmetrici agli
alcheni:
Si forma sempre l’isomero che deriva dal catione
intermedio più stabile, cioè quello più sostituito
In pratica l’anione si lega al carbonio più
sostituito
Anche l’alchene deve essere asimmetrico
H3C H
CH3
C C+
H3C
CH3
H3C
CH3
C C
H3C
CH3
H3C
C+
H3C
CH3
C
H CH3
34
Altre reazioni degli
alcheni
Addizione elettrofila di
Acqua in presenza di un catalizzatore acido che fornisce la
specie elettrofila (H+)
Segue la regola di Markovnikov
meccanismo
CH3
H
H3C C C CH3
H2SO4
H2O
CH3
H
H3C C C CH3
OH H
Alogeni (Cl2, I2, Br2)
Non segue la regola di Markovnikov
CH3
H
+ X X
H3C C C CH3
CH3
H
H3C C C CH3
X X
35
Esercizi
Completa le seguenti reazioni elettrofile
2-butene con acqua in acido solforico
H
H H
H3C C C CH3
H2SO4
H2O
H
H3C C CH CH3
OH
meccanismo
propene con bromo in CCl4
H
CCl4
H2C C CH3 Br
2
Br
H2C CH CH3
Br
36
Esercizi
Completa le seguenti reazioni elettrofile
3-metil-2-esene con HCl
H2 H2
H
H3C C C C C CH3
CH3
H Cl
HCl
H2 H2
H3C CH C C C CH3
CH3
37
Riduzione
Alcheni e alchini possono essere ridotti ad
alcani con idrogeno in presenza di un
catalizzatore
La reazione avviene in posizione cis (stesso
lato)
Alcuni catalizzatori più importanti sono
Palladio finemente suddiviso e disperso su
carbone
Platino in forma di ossido
Nichel in polvere
H
H3C C C CH3
CH3
Pd/C
H2
CH3
H
H3C C C CH3
H H
38
Fine
Alcheni e alchini
Addizione di acqua (meccanismo)
L’acqua non è un elettrofilo sufficientemente
forte da attaccare il doppio legame in tempi
brevi (anzi è un nucleofilo)
È necessario utilizzare un catalizzatore acido
(H+)
CH3
H
H
H3C C C CH3 H3C C C CH3
H+
1a fase: attacco del
protone al
doppietto 
+
H CH3
2a fase:
formazione del
carbocatione più
stabile (terziario)
H
H
O
H +
H3C C C CH3
H CH3
3a fase: entra il
nucleofilo 40
Addizione di acqua (meccanismo)
L’acqua non è un elettrofilo sufficientemente
forte da attaccare il doppio legame in tempi
brevi (anzi è un nucleofilo)
È necessario utilizzare un catalizzatore acido
(H+)
H
H
O+
H
H3C C C CH3
H CH3
4a fase: si forma una
specie molto instabile
con l’ossigeno carico
positivamente
H
H
O+
H
H3C C C CH3
H CH3
5a fase: l’ossigeno
carico positivamente
espelle il protone
H
O
H+
H
H3C C C CH3
H CH3
6a fase: l’ossigeno
ripristina i due doppietti
e libera il protone
(catalizzatore)41
I carbocationi
Un carbocatione è una specie chimica
organica in cui una carica positiva si
trova su un atomo di carbonio
La struttura del carbocatione è questa:
Atomo di
carbonio
ibridato sp2
+
R C
R
Orbitale
p vuoto
R
42

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