Utente:ZZNicole/Sandbox
Denominazione degli alcani
[modifica | modifica sorgente]Gli idrocarburi che non hanno gruppi funzionali a doppio o triplo legame sono classificati come alcani o cicloalcani, a seconda di come sono disposti gli atomi di carbonio della molecola (in catene o anelli). Sebbene questi idrocarburi non abbiano gruppi funzionali, costituiscono il quadro su cui i gruppi funzionali si trovano in altre classi di composti e forniscono un punto di partenza ideale per studiare e nominare i composti organici. Gli alcani e i cicloalcani sono anche membri di una classe più ampia di composti denominati alifatici. In parole povere, i composti alifatici sono composti che non incorporano alcun anello aromatico nella loro struttura molecolare.
La tabella seguente elenca i nomi IUPAC assegnati ai composti alcani a catena continua semplice da C-1 a C-10. Un suffisso "ano" comune identifica questi composti come alcani. Gli alcani a catena più lunga sono ben noti e i loro nomi si possono trovare in molti libri di testo e di consultazione. I nomi da metano a decano dovrebbero essere memorizzati, poiché costituiscono la radice di molti nomi IUPAC. Fortunatamente, per denominare catene di cinque o più atomi di carbonio si utilizzano prefissi numerici comuni.
| Nome | Formula molecolare | Isomeri |
|---|---|---|
| metano | CH4 | 1 |
| etano | C2H6 | 1 |
| propano | C3H8 | 1 |
| butano | C4H10 | 2 |
| pentano | C5H12 | 3 |
| esano | C6H14 | 5 |
| eptano | C7H16 | 9 |
| optano | C8H18 | 18 |
| nonano | C9H20 | 35 |
| decano | C10H22 | 75 |
Alcune importanti tendenze comportamentali e terminologie
[modifica | modifica sorgente]- Le formule e le strutture di questi alcani aumentano uniformemente con un incremento di CH2 .
- Una variazione uniforme di questo tipo in una serie di composti è detta omologa .
- Tutte queste formule rispettano la regola C(n)H(2n + 2). Questo è anche il rapporto H/C più alto possibile per un idrocarburo stabile.
- Poiché il rapporto H/C in questi composti è massimo, li chiamiamo saturi (di idrogeno).
A partire dal butano (C4H10 ), e diventando più numerosi con alcani maggiori, notiamo l'esistenza degli alcani isomeri. Ad esempio, ci sono cinque isomeri C6H14, mostrati di seguito come formule di linea abbreviate (da A a E):
Sebbene questi composti distinti abbiano tutti la stessa formula molecolare, solo uno ( A ) può essere chiamato esano. Come possiamo quindi chiamare gli altri?
Il sistema IUPAC richiede innanzitutto che si disponga di nomi per catene semplici non ramificate, come indicato sopra, e in secondo luogo che si disponga di nomi per gruppi alchilici semplici che possono essere legati alle catene. Esempi di alcuni gruppi alchilici comuni sono riportati nella tabella seguente. Si noti che il suffisso "ano" è sostituito da "ile" nella denominazione dei gruppi. Il simbolo R viene utilizzato per designare un generico (non specificato) gruppo alchilico.
| Gruppo | Nome |
|---|---|
| CH3- | metile |
| C2H5- | etile |
| CH3CH2CH2- | propile |
| (CH3)2CH- | isopropile |
| CH3CH2CH2CH2– | butile |
| (CH3)2CHCH2– | isobutile |
| R- | alchile |
Regole IUPAC per la nomenclatura degli alcani in generale
[modifica | modifica sorgente]- Trova e dai un nome alla catena di carbonio continua più lunga.
- Identificare e dare un nome ai gruppi collegati a questa catena.
- Numerare la catena consecutivamente, iniziando dall'estremità più vicina a un gruppo sostituente.
- Designare la posizione di ciascun gruppo sostituente mediante un numero e un nome appropriati.
- Assembla il nome elencando i gruppi in ordine alfabetico.
- I prefissi di, tri, tetra ecc., usati per denominare più gruppi dello stesso tipo, non vengono considerati nell'ordinamento alfabetico.
es. I nomi IUPAC degli isomeri dell'esano sono: A esano B 2-metilpentano C 3-metilpentano D 2,2-dimetilbutano E 2,3-dimetilbutano (fare riferimento all'immagine five possible isomers of hexane)
Gruppi alogeni
[modifica | modifica sorgente]I sostituenti alogeni sono facilmente adattabili, utilizzando i nomi: fluoro (F-), cloro (Cl-), bromo (Br-) e iodio (I-).
es. Ad esempio, (CH3)2CHCH2CH2Br verrebbe chiamato 1-bromo-3-metilbutano. Se l'alogeno è legato a un semplice gruppo alchilico un nome "alogenuro alchilico" alternativo. Pertanto, C2H5Cl può essere denominato cloroetano (non è necessario alcun numero di localizzazione per una catena a due atomi di carbonio) o cloruro di etile.
Gruppi alchilici
[modifica | modifica sorgente]Gli alcani possono essere descritti dalla formula generale C(n)H(2n + 2). Un gruppo alchilico si forma rimuovendo un idrogeno dalla catena alcanica ed è descritto dalla formula C(n)H(2n + 1). La rimozione di questo idrogeno provoca una trasformazione del suffisso da -ano a -ile. Si considerino i seguenti esempi.
Tre regole per dare un nome agli alcani
[modifica | modifica sorgente]- Scegli la catena di carbonio più lunga e sostituita contenente un gruppo funzionale.
- Un carbonio legato a un gruppo funzionale deve avere il numero più basso possibile di atomi di carbonio. Se non ci sono gruppi funzionali, allora qualsiasi sostituente presente deve avere il numero più basso possibile.
- Prendi in considerazione l'ordine alfabetico, ovvero, dopo aver applicato le prime due regole sopra indicate, assicurati che i tuoi sostituenti e/o gruppi funzionali sono scritti in ordine alfabetico.
es. Come si chiama la molecola sottostante?
Regola n. 1: Scegliere la catena di carbonio più lunga e più sostituita contenente un gruppo funzionale. Questo esempio non contiene alcun gruppo funzionale, quindi dobbiamo solo preoccuparci di scegliere la catena di carbonio più lunga e più sostituita. La catena di carbonio più lunga è stata evidenziata in blu ed è composta da otto atomi di carbonio.
Regola n. 2: I carboni legati a un gruppo funzionale devono avere il numero più basso possibile di atomi di carbonio. Se non ci sono gruppi funzionali, allora qualsiasi sostituto presente deve avere il numero più basso possibile. Poiché questo esempio non contiene alcun gruppo funzionale, dobbiamo concentrarci solo sui due sostituti presenti, ovvero i due gruppi metilici. Se iniziamo a numerare la catena da sinistra, ai gruppi metilici verranno assegnati rispettivamente i numeri 4 e 7. Se iniziamo a numerare la catena da destra, ai gruppi metilici verranno assegnati i numeri 2 e 5. Pertanto, per soddisfare la seconda regola, la numerazione inizia dal lato destro della catena carboniosa, come mostrato di seguito. Questo conferisce ai gruppi metilici la numerazione più bassa possibile.
Regola n. 3: In questo esempio, non è necessario utilizzare la terza regola. Poiché i due sostituti sono identici, nessuno dei due ha la precedenza alfabetica per quanto riguarda la numerazione dei carboni. Questo concetto diventerà più chiaro negli esempi seguenti. Il nome di questo molecola è 2,5-dimetilottano.
es. Come si chiama la molecola sottostante?
Regola #1: Scegli la catena di carbonio più lunga e più sostituita contenente un gruppo funzionale. Questo esempio contiene due gruppi funzionali, bromo e cloro. La catena di carbonio più lunga è stata evidenziata in blu ed è composta da sette atomi di carbonio.
Regola #2: I carboni legati a un gruppo funzionale devono avere il numero di atomi di carbonio più basso possibile. Se non ci sono gruppi funzionali, allora ogni sostituente presente deve avere il numero più basso possibile. In questo esempio, numerare la catena da sinistra o da destra soddisferebbe questa regola. Se contiamo la catena da sinistra, al bromo e al cloro verrebbero assegnate rispettivamente la seconda e la sesta posizione del carbonio. Se numeriamo la catena da destra, al cloro verrebbe assegnata la seconda posizione e al bromo verrebbe assegnata la sesta posizione. In altre parole, sia che scegliamo di numerare da sinistra o da destra, i gruppi funzionali occupano la seconda e la sesta posizione nella catena. Per selezionare lo schema di numerazione corretto, è necessario utilizzare la terza regola.
Regola #3: Dopo aver applicato le prime due regole, prendi in considerazione l'ordine alfabetico. In ordine alfabetico, il bromo viene prima del cloro. Pertanto, al bromo viene assegnata la seconda posizione del carbonio e al cloro viene assegnata la sesta posizione del carbonio. Il nome di questa molecola è: 2-bromo-6-cloroeptano.
Proprietà degli alcani
[modifica | modifica sorgente]Gli alcani sono poco reattivi e hanno poca attività biologica; tutti gli alcani sono composti non polari incolori e inodori. Le forze di dispersione di Londra relativamente deboli degli alcani si traducono in sostanze gassose per catene di carbonio corte, liquidi volatili con densità intorno a 0,7 g/mL per catene di carbonio moderate e solidi per catene di carbonio lunghe. Per le molecole con gli stessi gruppi funzionali, esiste una relazione diretta tra la dimensione e la forma delle molecole e la forza delle forze intermolecolari che causano le differenze negli stati fisici.
Punti di ebollizione
[modifica | modifica sorgente]La tabella sottostante descrive delle proprietà di alcuni alcani a catena lineare. Non c'è una differenza significativa di elettronegatività tra carbonio e idrogeno, quindi non c'è alcuna polarità di legame significativa. Anche le molecole stesse hanno una polarità molto bassa. Una molecola totalmente simmetrica come il metano è completamente apolare, il che significa che le uniche attrazioni tra una molecola e le sue vicine saranno le forze di dispersione di Van der Waals. Queste forze saranno molto piccole per una molecola come il metano, ma aumenteranno man mano che le molecole diventano più grandi. Pertanto, i punti di ebollizione degli alcani aumentano con le dimensioni molecolari.
Per gli isomeri, più ramificata è la catena, più basso tende ad essere il punto di ebollizione. Le forze di dispersione di Van der Waals sono minori per le molecole più corte e operano solo su distanze molto brevi tra una molecola e le sue vicine. È più difficile che le molecole corte e grasse (con molte ramificazioni) si trovino vicine tra loro come le molecole lunghe e sottili.
I punti di ebollizione indicati sono per gli isomeri "a catena lineare" dei quali ne esistono più di uno. I primi quattro alcani sono gas a temperatura ambiente e i solidi non iniziano ad apparire fino a circa C17H36, ma questo è impreciso perché isomeri diversi hanno tipicamente punti di fusione e di ebollizione diversi.
| Nome molecolare | Formula | Punto di fusione (°C) | Punto di ebollizione (°C) | Densità (20°C)* | Stato fisico (a 20°C) |
|---|---|---|---|---|---|
| metano | CH4 | –182 | –164 | 0,668 g/L | gas |
| etano | C2H6 | –183 | –89 | 1.265 g/L | gas |
| propano | C3H8 | –190 | –42 | 1.867 g/L | gas |
| butano | C4H10 | –138 | –1 | 2.493 g/L | gas |
| pentano | C5H12 | –130 | 36 | 0,626 g/mL | liquido |
| esano | C6H14 | –95 | 69 | 0,659 g/mL | liquido |
| ottano | C8H18 | –57 | 125 | 0,703 g/mL | liquido |
| decano | C10H22 | –30 | 174 | 0,730 g ml | liquido |
| *Si noti il cambiamento nelle unità che passano da gas (grammi per litro) a liquidi (grammi per millilitro). Le densità del gas sono a una pressione di 1 atm. | |||||
I punti di ebollizione per gli isomeri "a catena lineare" e gli isoalcani hanno dimostrato che la ramificazione diminuisce l'area delle superfici, indebolisce la forza delle forze molecolari e abbassa il punto di ebollizione.
Ad esempio, i punti di ebollizione dei tre isomeri C5H12 sono:
- pentano: 309,2 K
- 2-metilbutano: 301,0 K
- 2,2-dimetilpropano: 282,6 K
I punti di ebollizione leggermente più alti dei cicloalcani sono presumibilmente dovuti al fatto che le molecole possono avvicinarsi tra loro perché la struttura ad anello le rende più capaci!
Solubilità
[modifica | modifica sorgente]Sono praticamente insolubili in acqua, ma si dissolvono nei solventi organici. Tuttavia, i liquidi alcani sono buoni solventi per molti altri composti organici non ionici.
Solubilità in acqua
[modifica | modifica sorgente]Quando una sostanza molecolare si dissolve in acqua, deve verificarsi quanto segue:
- rompere le forze intermolecolari all'interno della sostanza. Nel caso del alcani, queste sono le forze di dispersione di Van Der Waals;
- rompere le forze intermolecolari nell'acqua in modo che la sostanza possa inserirsi tra le molecole d'acqua. Nell'acqua, le principali attrazioni intermolecolari sono legami a idrogeno.
Per rompere una di queste attrazioni è necessaria energia, anche se la quantità di energia necessaria per rompere le forze di dispersione di Van Der Waals in qualcosa come il metano è relativamente trascurabile; questo non è vero per i legami a idrogeno nell'acqua.
Per semplificare, una sostanza si dissolve se viene rilasciata abbastanza energia quando si formano nuovi legami tra la sostanza e l'acqua da compensare quella utilizzata per rompere le attrazioni originali. Le uniche nuove attrazioni tra l'alcano e le molecole d'acqua sono forze di Van der Waals. Queste forze non rilasciano una quantità di energia sufficiente a compensare l'energia necessaria per rompere i legami a idrogeno nell'acqua. L'alcano non si dissolve.
Si tratta di una semplificazione perché gli effetti entropici sono importanti quando le cose si dissolvono.
Solubilità in solventi organici
[modifica | modifica sorgente]Nella maggior parte dei solventi organici, le principali forze di attrazione tra le molecole del solvente sono forze di Van der Waals . Pertanto, quando un alcano si dissolve in un solvente organico, le forze di Van der Waals sono rotte e vengono sostituite da nuove forze di Van der Waals. I due processi si annullano più o meno a vicenda a livello energetico; quindi non vi è alcuna barriera alla solubilità.
Reazioni di alcani
[modifica | modifica sorgente]Gli alcani subiscono pochissime reazioni. Ci sono due reazioni importanti che sono ancora possibili, la combustione e l'alogenazione. L'alogenazione è molto importante in chimica organica perché apre la strada ad ulteriori reazioni chimiche.
Combustione
[modifica | modifica sorgente]La combustione completa (con sufficiente ossigeno) di qualsiasi idrocarburo produce anidride carbonica, acqua e una quantità significativa di calore. A causa della natura esotermica di queste reazioni di combustione, gli alcani sono comunemente utilizzati come fonte di combustibile (ad esempio: propano per le griglie all'aperto, butano per gli accendini). Gli idrocarburi diventano più difficili da accendere man mano che le molecole diventano più grandi. Questo perché le molecole più grandi non vaporizzano facilmente. Se il liquido non è molto volatile, solo le molecole in superficie possono reagire con l'ossigeno. Le molecole più grandi hanno maggiori attrazioni di Van der Waals, il che rende più difficile per loro separarsi dalle molecole vicine e trasformarsi in gas. Un esempio di reazione di combustione è mostrato per il propano: C3H8 + O2 --> 3CO2 + 4H20 + 2044 kJ/mol.
Alogenazione
[modifica | modifica sorgente]L'alogenazione è la sostituzione di uno o più atomi di idrogeno in un composto organico con un alogeno (fluoro, cloro, bromo o iodio). A differenza delle complesse trasformazioni della combustione, la alogenazione di un alcano sembra essere una semplice reazione di sostituzione in cui un legame CH viene rotto e si forma un nuovo legame CX.
Poiché vengono rotti solo due legami covalenti (CH e Cl-Cl) e si formano due legami covalenti (C-Cl e H-Cl), questa reazione sembra essere un caso ideale per indagini e speculazioni meccanicistiche. Tuttavia, una complicazione è che tutti gli atomi di idrogeno di un alcano possono subire una sostituzione, dando luogo a una miscela di prodotti, come mostrato nella seguente equazione non bilanciata. Le quantità relative dei vari prodotti dipendono dalla proporzione dei due reagenti utilizzati. Nel caso del metano, un forte eccesso dell'idrocarburo favorisce la formazione di cloruro di metile come prodotto principale; mentre un eccesso di cloro favorisce la formazione di cloroformio e tetracloruro di carbonio. Es.: CH4 + Cl2 --> CH3Cl + CH2Cl + CHCl3 + CCl4 + HCl.
Una comprensione delle proprietà fisiche di alcani è importante poiché il petrolio e gas naturale e i numerosi prodotti da essi derivati – benzina, gas in bombole, solventi, plastica e altro – sono composti principalmente da alcani. Questa comprensione è fondamentale anche perché costituisce la base per descrivere le proprietà di altre famiglie di composti organici e biologici. Ad esempio, gran parte delle strutture di lipidi sono costituiti da gruppi alchilici non polari. I lipidi includono i grassi della dieta e composti simili al grasso chiamati fosfolipidi e sfingolipidi che fungono da componenti strutturali dei tessuti viventi. Questi composti presentano gruppi sia polari che apolari, consentendo loro di colmare il divario tra fasi idrosolubili e insolubili in acqua. Questa caratteristica è essenziale per la permeabilità selettiva delle membrane cellulari.
Conformazioni dell'etano
[modifica | modifica sorgente]L'isomeria conformazionale implica la rotazione attorno ai legami sigma e non comporta alcuna differenza nella connettività degli atomi o nella geometria dei legami. Due o più strutture classificate come isomeri conformazionali, o conformatori, sono in realtà solo due molecole esattamente uguali che differiscono solo nella rotazione di uno o più legami sigma.
Conformazioni dell'etano
[modifica | modifica sorgente]Sebbene ci siano sette legami sigma nell'etano molecola, la rotazione attorno ai sei legami carbonio-idrogeno non determina alcun cambiamento nella forma della molecola poiché gli atomi di idrogeno sono essenzialmente sferici. La rotazione attorno al legame carbonio-carbonio, tuttavia, determina molte diverse possibili configurazioni molecolari.
Per visualizzare meglio queste diverse conformazioni, è conveniente utilizzare una convenzione di disegno chiamata Proiezione di Newman. In una Proiezione di Newman, osserviamo longitudinalmente un legame specifico di interesse – in questo caso, il legame carbonio-carbonio nell'etano. Rappresentiamo l'atomo "anteriore" come un punto e quello "posteriore" come un cerchio più grande.
I sei legami carbonio-idrogeno sono rappresentati da linee continue che sporgono dai due atomi di carbonio formando angoli di 120°, che è l'aspetto reale della geometria tetraedrica quando viene osservata da questa prospettiva e appiattita in due dimensioni.
La conformazione a più bassa energia dell'etano, mostrata nella figura sopra, è chiamata conformazione "sfalsata". Nella conformazione sfalsata, tutti i legami CH sul carbonio anteriore sono posizionati a un angolo di 60° rispetto ai legami CH sul carbonio posteriore. Questo angolo tra un legame sigma sul carbonio anteriore e un legame sigma sul carbonio posteriore è chiamato angolo diedro. In questa conformazione, la distanza tra i legami (e gli elettroni in essi contenuti) è massimizzata. Massimizzare la distanza tra gli elettroni diminuisce la repulsione elettrostatica tra gli elettroni e si traduce in una struttura più stabile. Se ora ruotiamo il gruppo CH 3 anteriore di 60° in senso orario, la molecola si trova nella conformazione 'eclissata' ad altissima energia, e gli idrogeni sul carbonio anteriore sono il più vicino possibile agli idrogeni sul carbonio posteriore.
Questa è la conformazione a più alta energia a causa della sfavorevole repulsione elettrostatica tra gli elettroni nei legami CH anteriori e posteriori. L'energia della conformazione eclissata è circa 3 kcal/mol (12 kJ/mol) superiore a quello del conformazione sfalsata. Lo sforzo torsionale (o tensione eclissante) è il nome dato alla differenza di energia causata dall'aumentata repulsione elettrostatica dei legami eclissanti. Un'altra rotazione di 60° restituisce alla molecola una seconda conformazione sfalsata. Questo processo può essere continuato lungo tutto il cerchio di 360°, con tre possibili conformazioni eclissate e tre conformazioni sfalsate, oltre a un numero infinito di variazioni intermedie. Ci concentreremo sulle variazioni sfalsate ed eclissate poiché sono, rispettivamente, i conformatori con l'energia più bassa e quella più alta.
Rotazioni libere (senza ostacoli) non esistono nell'etano
[modifica | modifica sorgente]Il legame carbonio-carbonio non è completamente libero di ruotare – 3 kcal/mol sforzo torsionale nell'etano crea una barriera alla rotazione che deve essere superata affinché il legame ruoti da una conformazione sfalsata all'altro. Questa barriera rotazionale non è abbastanza grande da impedire la rotazione se non a temperature estremamente basse. Quindi, a temperature normali, il legame carbonio-carbonio ruota costantemente. Tuttavia, in qualsiasi momento è più probabile che la molecola sia in una conformazione sfalsata - una delle "valli energetiche" rotazionali - più grande di qualsiasi altro conformatore. L'energia potenziale associata alle varie conformazioni dell'etano varia con l'angolo diedrale dei legami, come mostrato nell'immagine.
Sebbene i conformatori di etano sono in rapido equilibrio tra loro, la differenza di energia di 3 kcal/mol porta ad una sostanziale preponderanza di conformatori sfalsati (> 99,9%) in qualsiasi momento. L'animazione seguente illustra la relazione tra l'energia potenziale dell'etano e il suo angolo diedro.
