Teoria degli orbitali. Lo spazio intorno al nucleo in cui è possibile trovare con la massima probabilità gli elettroni viene chiamato orbitale.

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1 Teoria degli orbitali Lo spazio intorno al nucleo in cui è possibile trovare con la massima probabilità gli elettroni viene chiamato orbitale. orbitale nucleo STPA-Chimica Organica 1

2 L orbitale 1s Gli elettroni con il più basso contenuto energetico occupano l orbitale 1s che come tutti gli orbitali s ha una forma sferica. Al centro della zona sferica è contenuto il nucleo dell atomo Orbitale 1s STPA-Chimica Organica 2

3 L orbitale 2s L orbitale 2s, anch esso sferico, siccome si trova ad uno stato energetico superiore rispetto all orbitale 1s, la zona di spazio ad esso corrispondente avrà un raggio maggiore. Orbitale 2s STPA-Chimica Organica 3

4 Gli orbitali 2p I tre orbitali 2p corrispondono a zone di spazio costituite da due lobi uniti per un punto nella zona centrale. In questo punto, dove è nulla la probabilità di trovare gli elettroni 2p, è situato il nucleo dell elemento. Gli assi passanti per ogni orbitale di tipo p saranno diretti lungo i tre assi cartesiani x, y e z. 2p x 2p y 2p z STPA-Chimica Organica 4

5 Livelli energetici degli orbitali negli atomi multielettronici 4 4s 3p 3d 3 3s 2 2s 2p 1 1s Energia STPA-Chimica Organica 5

6 Notazione a punti di Lewis e Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Gli elettroni del livello più esterno vengono rappresentati con dei punti. Generalmente, una molecola stabile si ottiene quando tutti gli atomi che la compongono raggiungono una configurazione elettronica esterna identica a quella di un gas nobile STPA-Chimica Organica 6

7 Il legame covalente Gran parte delle sostanze presenti in natura si trovano allo stato liquido o gassoso, e non hanno quindi le caratteristiche dei solidi ionici. Lewis ipotizzò che gli atomi presenti in molti composti potessero conseguire la configurazione elettronica tipo gas nobile condividendo gli elettroni con altri atomi. Cl Molecola di acido cloridrico O Molecola d acqua STPA-Chimica Organica 7

8 Esempio di struttura di Lewis: Metano C 4 C STPA-Chimica Organica 8

9 Esempio di struttura di Lewis: Metanolo C 3 O C O C O C 3 O O STPA-Chimica Organica 9

10 Metano: qual è la struttura tridimensionale della molecola? C STPA-Chimica Organica 10

11 Orbitali molecolari La forza (lunghezza) di un legame covalente dipende dal grado di sovrapposizione degli orbitali atomici degli atomi coinvolti nel legame. s s buona p s molto buona p p eccellente STPA-Chimica Organica 11

12 Consideriamo il metano C 4 Stato ad alta energia Stato fondamentale 2p 2p 2s 2s 1s carbonio 1s idrogeno STPA-Chimica Organica 12

13 Nella formazione dei legami covalenti tra il carbonio e gli idrogeno nel metano si dovrebbero formare due diversi tipi di orbitali molecolari: uno derivante dalla sovrapposizione degli orbitali atomici 1s-2s e tre dovuti a quella 2p-1s. STPA-Chimica Organica 13

14 Per cui tre legami covalenti nel metano (2p-1s) dovrebbero essere più corti dell altro (2s-1s). La rappresentazione della molecola secondo Kekule dovrebbe essere: C Inoltre l orientazione spaziale dei quattro orbitali molecolari dovrebbe essere diversa: uno a simmetria cilindrica e tre ortogonali tra loro STPA-Chimica Organica 14

15 Geometria tetraedrica L evidenza sperimentale dimostra che i quattro legami covalenti nel metano sono equivalenti: stesso contenuto energetico, stessa forma, ma diversa orientazione spaziale. C STPA-Chimica Organica 15

16 Ibridazione degli orbitali atomici La struttura del metano può essere spiegata mediante il modello dell ibridazione degli orbitali atomici. Combinando matematicamente le funzioni di un orbitale s e tre orbitali p, si generano quattro orbitali ibridi sp 3 di identica energia e forma. 2s + 2p + 2p + 2p 2sp 3 + 2sp 3 + 2sp 3 + 2sp 3 STPA-Chimica Organica 16

17 Ibridazione del carbonio L ibridazione di orbitali rappresenta un modello matematico che aiuta a razionalizzare dati sperimentali, e non un fenomeno fisico reale STPA-Chimica Organica 17

18 Il modello di ibridazione degli orbitali atomici è in grado di spiegare numerose evidenze sperimentali La forza di un legame covalente viene determinata dal grado di sovrapposizione degli orbitali atomici Legame Sigma (σ) sp 3 s p s STPA-Chimica Organica 18

19 Idrocarburi alifatici :Alcani Gli alcani presentano la seguente formula generale C n 2n+2 Gli atomi di carbonio hanno ibridazione sp 3 STPA-Chimica Organica 19

20 Alcuni esempi: i primi termini della serie metano C 4 Etano C 2 6 propano C 3 8 butano C 4 10 STPA-Chimica Organica 20

21 Isomeri strutturali Gli alcani con un numero di atomi di carbonio uguale o superiore a quattro possono dare luogo ad isomeria strutturale. Gli isomeri strutturali hanno la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura. STPA-Chimica Organica 21

22 Isomeri strutturali di C 6 14 C 3 C 2 C 2 C 2 C 2 C 3 C 3 C 2 CC 2 C 3 C 3 C 3 C 2 C 2 CC 3 C 3 C 3 C 3 CCC 3 C 3 C 3 C 3 C 2 CC 3 C 3 STPA-Chimica Organica 22

23 Regole IUPAC per gli alcani (1) Identificare e numerare la catena di atomi di carbonio più lunga. Assegnare il numero più basso al primo sostituente. Identificare ed assegnare il numero della posizione gli altri sostituenti. STPA-Chimica Organica 23

24 Regole IUPAC per gli alcani (2) Scrivere il nome del composto Indicando i prefissi in ordine alfabetico Separando i prefissi da trattini Separando i numeri delle posizioni con virgole STPA-Chimica Organica 24

25 Alcuni esempi C 3 C 3 CC 2 C 3 C 3 2,2-dimetilbutano C 3 C 3 CCC 3 C 3 2,3-dimetilbutano STPA-Chimica Organica 25

26 Un esempio più complicato (1) C 3 C 3 C 3 C 2 CC 2 C C 3 CC 2 C C 3 C 3 C 2 C 3 STPA-Chimica Organica 26

27 Un esempio più complicato (2) C 3 C 3 C 3 C 2 CC 2 C C 3 CC 2 C C 3 C 3 C 2 C 3 Catena principale: nonano STPA-Chimica Organica 27

28 Un esempio più complicato (3) C 3 C 3 C 3 C 2 CC 2 C 1 C 3 CC 2 C C 3 C 2 C 3 numerazione C 3 9 STPA-Chimica Organica 28

29 Un esempio più complicato (4) C 3 C 3 C 3 C 2 CC 2 C 1 C 3 CC 2 C C 3 9 C 3 C 2 C 3 4-etil-2,2,6,8-tetrametilnonano STPA-Chimica Organica 29

30 Geometria tetraedrica dell etano La sovrapposizione di due orbitali sp 3 dei due atomi di carbonio porta alla formazione di un legame covalente (noto anche come legame sigma). σ σ STPA-Chimica Organica 30

31 Cicloalcani I cicloalcani sono alcani che presentano nella loro molecola un anello di atomi di carbonio. Presentano la formula generale C n 2n STPA-Chimica Organica 31

32 Esempio: Ciclopropano (C 3 6 ) C 2 2 C C 2 STPA-Chimica Organica 32

33 Cicloesano STPA-Chimica Organica 33

34 Alcheni Gli alcheni sono idrocarburi che contengono almeno un doppio legame carbonio-carbonio. Nel caso della presenza di un solo doppio legame la formula generale degli alcheni è: C n 2n Negli alcheni gli atomi di carbonio impegnati nel doppio legame sono ibridati sp 2. STPA-Chimica Organica 34

35 Doppio legame negli alcheni Gli orbitali ibridi sp 2 si sovrappongono per formare i legami σ C-C e C-. Gli orbitali 2p non ibridati si sovrappongono per formare il legame π C-C. STPA-Chimica Organica 35

36 La forza di un legame viene definita dalla distanza interatomica Å 1.33 Å 88 kcal/mol 152 kcal/mol Maggiore la distanza inferiore sarà la forza. STPA-Chimica Organica 36

37 Rotazione intorno al legame sigma 90 I conformeri rotazionali non alterano il grado di sovrapposizione tra gli orbitali e quindi la forza di legame resta invariata. STPA-Chimica Organica 37

38 Rotazione intorno al legame doppio (σ + π) La rotazione NON è permessa a causa della asimmetria dell orbitale molecolare. Se tale rotazione si verificasse, la sovrapposizione laterale verrebbe distrutta. 90 STPA-Chimica Organica 38

39 Isomeri geometrici Gli alcheni possono dar luogo a isomeri geometrici a causa della mancanza della libera rotazione intorno al doppio legame C-C. Gli isomeri geometrici hanno proprietà fisiche diverse. C 3 C 3 C 3 C 3 trans-2-butene cis-2-butene STPA-Chimica Organica 39

40 Isomeria Legami differenti Isomeri strutturali isomeri Stereoisomeri Stessi legami ma diversa disposizione nello spazio interconvertibili per rotazione di un legame Non interconvertibili per rotazione di un legame Conformeri (rotameri) Isomeri configurazionali Cicloalcani, alcheni, etc. STPA-Chimica Organica 40

41 Nomenclatura IUPAC per gli alcheni Identificare la catena carboniosa più lunga. Numerare da una delle estremità in maniera da assegnare il numero più basso al primo atomo di carbonio impegnato nel doppio legame. Indicare la posizione del doppio legame indicando il numero del primo atomo di carbonio impegnato nel doppio legame. STPA-Chimica Organica 41

42 Nomenclatura IUPAC per gli alcheni Aggiungere i suffissi ene per un solo doppio legame diene per due doppi legami triene per tre doppi legami STPA-Chimica Organica 42

43 Isomeri degli alcheni con formula C butene 2-metil-1-propene Trans -2-butene Cis -2-butene STPA-Chimica Organica 43

44 Isomeri dei dieni con formula C 5 8 coniugato 1,4-pentadiene 2-metil-1,3-butadiene coniugato coniugato Trans-1,3-pentadiene Cis-1,3-pentadiene STPA-Chimica Organica 44

45 Addizione elettrofila agli alcheni E E carbocatione Nu E Nu: - + E Nu: - nucleofilo generico E - elettrofilo generico STPA-Chimica Organica 45

46 Alchini Gli alchini sono idrocarburi che contengono almeno un triplo legame carbonio-carbonio. Nel caso della presenza di un singolo triplo legame la formula generale degli alchini è: C n 2n-2 Negli alchini gli atomi di carbonio impegnati nel triplo legame sono ibridati sp. STPA-Chimica Organica 46

47 Geometria degli orbitali ibridi sp C C STPA-Chimica Organica 47

48 Esempi di nomenclatura 5-metil-1-esino 5-metil-2-esino 2,5-dimetil-3-esino 3,6-dimetil-4-ottino STPA-Chimica Organica 48