29
Functional groups and Alkanes.notebook 1 September 28, 2016 Aug 13:23 PM Functional Groups A group of atoms that has a characteristic chemical behavior in every molecule where it occurs Aug 22:53 PM Functional Groups Alkane (alkane, ending ane) all single bonded carbon Alkene (alkene, ending ene) at least one double bonded carbon Alkyne (alkyne, ending yne) at least one triple bonded carbon Basic carbon backbone

Functional groups and Alkanes.notebook

  • Upload
    others

  • View
    5

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Functional groups and Alkanes.notebook

1

September 28, 2016

Aug 1­3:23 PM

Functional Groups A group of atoms that has a characteristic chemical behavior in every molecule where it occurs

Aug 2­2:53 PM

Functional Groups Alkane (alkane, ending ­ane)­­ all single bonded carbon 

Alkene (alkene, ending ­ene)­­ at least one double bonded carbon

Alkyne (alkyne, ending ­yne)­­ at least one triple bonded carbon

Basic carbon backbone 

Functional groups and Alkanes.notebook

2

September 28, 2016

Aug 2­2:55 PM

Functional Groups Aromatic hydrocarbon (arene)­­ring of carbons with resonating double bonds

alkyl halide (haloalkane, prefix)­­ F, Cl, Br, I bonded to a carbon

Alcohol (alkanol, ending ­ol)­­ HO is single bonded to a carbon

 

Aug 2­2:55 PM

Functional Groups Mercaptan (Thiol, ending ­thiol)­­Sulfur­hydrogen group bonded to a carbon

 

Ether (ether, ending ­yl ether)­­ Oxygen single bonded between two carbons

 

Carboxylic acid (Alkanoic acid, ending ­oic acid)­­ carbon double bonded to one oxygen and single bonded to another oxygen­hydrogen

Functional groups and Alkanes.notebook

3

September 28, 2016

Aug 2­2:55 PM

Functional Groups Ester (ester, ending ­yl ­oate)­­  carbon double bonded to one oxygen and single bonded to another oxygen­carbon

Ketone (alkanone, ending ­one)­­ Double bonded oxygen to a carbon

Aldehyde (alkanal, ending ­al)­­ carbon double bonded to an oxygen and a hydrogen 

Aug 2­2:55 PM

Functional Groups Acid halide (acyl halide, ending ­oyl chloride)­­  Carbon double bonded to oxygen and single bonded to chlorine 

Nitro Compounds (nitro, prefix nitro­)­­ Nitrogen bonded to carbon and two oxygens 

Amine (Amine, ending ­amine)­­Nitrogen bonded to at least one carbon. 

Amide (amide, ending ­amide)­­Nitrogen bonded to a carbon=oxygen

Functional groups and Alkanes.notebook

4

September 28, 2016

Aug 10­11:34 AM

Basic Naming We use the number of carbons in a straight (not really straight) chain to determine the parent name

Aug 4­1:20 PM

Alkane Simplest family of molecules that is comprised of carbons bonded by single bonds only. 

­ General formula: CnH2n+2 

­ Tetrahedral structure 

­ Saturated: all carbons are bonded to the maximum number of hydrogen

Functional groups and Alkanes.notebook

5

September 28, 2016

Aug 4­1:20 PM

Alkane These are nonpolar molecules: > will only dissolve and dissolve in other 

nonpolar substances > Low MP and BP (weak IMFs (LDFs)), 

so commonly gases and liquids at room temp (more branches lowers boiling point)

> Low vapor pressure> Flammable 

Aug 4­1:59 PM

Alkane Isomers­­"Same parts": Compounds with the same number and kinds of atoms but differ in the way the atoms are arranged

Types of Isomers:– Constitutional – Conformational*– Stereoisomers – Configurational 

Functional groups and Alkanes.notebook

6

September 28, 2016

Aug 4­1:59 PM

Alkane Constitutional Isomers­­Same number and types of atoms but connected differently (not limited to alkanes)

­Different compounds, with different   properties, but same formula. 

Types: 

Carbon skeleton is different 

Functional groups are different

Functional groups in a different location

Aug 15­7:53 AM

Warm up:Identify the functional groups in the following compound

Draw the structure for the following: Ethane, Octane, Hexane, and Butane 

Functional groups and Alkanes.notebook

7

September 28, 2016

Aug 10­2:32 PM

Alkane Alkyl group (branches): Alkane groups on a carbon and are named using the number of carbons with the ending ­yl. 

­ These groups can also contain functional groups (such as amine or alcohol). 

Aug 10­3:44 PM

NamingPrefix­Locant­Parent­Suffix

Where and what are the substituents?

Where is the primary functional group?

How many carbons? 

What is the primary functional group?

Functional groups and Alkanes.notebook

8

September 28, 2016

Aug 11­7:10 AM

NamingStep 1: Finding the parent hydrocarbon> Find the longest, continuous chain (not 

always straight) of carbon atoms 

> If there are two different chains of equal length, choose the one with the larger number of branches (less complex subsistent) 

Aug 11­7:10 AM

NamingStep 2: Number the Carbon in the parent chain> Start numbering closest to the first branch

> If two branches are equidistance from the two carbons, then start number at the carbon with the closest second branch 

Functional groups and Alkanes.notebook

9

September 28, 2016

Aug 11­7:10 AM

NamingStep 3: Identify and number the substituents> Assign a number (locant) to each 

substitutuent 

> If two branches are on the same carbon, they both get the same number 

Aug 11­7:10 AM

NamingStep 4: Write the name as a single word> use hyphens to separate the different 

prefixes and commas to separate numbers

> Cite multiple substituents in alphabetical order

> If two or more identical substituents are present, use a numeric prefix (di, tri, tetra, etc.) 

3­ethyl­4,7­dimethylnonane

4­ethyl­2,4­dimethylhexane

Functional groups and Alkanes.notebook

10

September 28, 2016

Aug 11­7:10 AM

NamingStep 5: Name complex substituents as its own compound> This is for complex branches when 

necessary (alkyl branches)

2,3­dimethyl­6­(2­methylpropyl)decane

or

6­isobutyl­2,3­dimethyldecane

Aug 11­7:10 AM

NamingPractice: 

Functional groups and Alkanes.notebook

11

September 28, 2016

Aug 11­7:10 AM

Naming1.  Using skeletal structures, draw out all of the isomers of heptane.  How many are there?  Be sure that each structure is unique.  

2.  Under each structure, write the correct IUPAC name.  Watch your numbers, commas, and hyphens.

3.  What are the formulae for these isomers?

4.  How many isomers are there for octane?

Aug 16­10:51 AM

Functional groups and Alkanes.notebook

12

September 28, 2016

Aug 16­10:51 AM

Aug 11­7:10 AM

NamingAlkyl Halide 

1. Find the parent hydrocarbon

2. Number the atoms

3. Identify  and number the substituents

4. Write name as single word

Fluorine ­­> Fluoro                      Chlorine ­­> Chloro

Bromine ­­> Bromo   Iodine ­­> Iodo

1­chloro­3­ethyl­4fluorohexane

Functional groups and Alkanes.notebook

13

September 28, 2016

Aug 13­9:46 AM

Naming

Aug 13­9:46 AM

NamingDrawing the structure from the name2­methylheptane

4­ethyl­3,4­dimethyloctane

2­chloro­3,3­diethyl­6­methylnonane

4­ethyl­2,2­dimethylhexane

4­isopropyl­3­methylheptane

1,3­difluoro­3­methylpentane

Functional groups and Alkanes.notebook

14

September 28, 2016

Aug 22­7:48 AM

Warm up:

Cl

1. Name the compound to the left

2. Define constitutional isomer

3. Give the line structure and name for a constitutional isomer for the compound on the left

4. Give the proper IUPAC name for the functional group present in the compound on the left

Aug 13­10:40 AM

Conformational IsomersRemember an isomer is when two compounds share the same chemical formula (CxHy...)

Stereochemistry: The branch of chemistry concerned with the 3D aspects of molecules

­Often crucial for determining properties and biological behaviors of organic molecules

Due to the σ bonding of a single bond, rotation can occur in open­change 

Functional groups and Alkanes.notebook

15

September 28, 2016

Aug 13­10:40 AM

Conformational IsomersDue to the σ bonding of a single bond, rotation can occur around the C­C bond in open­chain molecules

Conformational isomers (Conformers): Molecules with different arrangement of atoms due to bond rotation 

­Cannot be isolated due to         rapid interconversions

Conformations: different arrangements of atoms due to bond rotation

Aug 13­10:40 AM

Conformational IsomersRepresentations of conformational isomers

Sawhorse  Newman Projection

Eclipsed

Staggered

Potential energy comparison for each conformation? (this is called a torsional barrier!)

Functional groups and Alkanes.notebook

16

September 28, 2016

Aug 21­3:24 PM

Conformational Isomers

12kJ/mol or 2.9kcal/mol PE difference ­­ 4 kJ/mol per each interaction  

Minimum energy occurs in staggered and maximum occurs in eclipsed, why? 

Conformations of Ethane

Torsional strain: Energy present due to the interaction between C­H orbitals on one carbon with orbitals on the adjacent carbon

Aug 21­3:24 PM

Conformational Isomers14kJ/mol or 2.9kcal/mol PE difference ­­ 4 kJ/mol per Hydrogen­hydrogen interaction, 6 kJ/mol per methyl­hydrogen interaction, why the difference? 

Conformations of propane

Functional groups and Alkanes.notebook

17

September 28, 2016

Aug 21­3:24 PM

Conformational IsomersConformations of Butane ­ things get a bit more complicated!

Anti­conformation  Gauche conformation 

Steric Strain: The repulsive interactions that occurs when atoms are forced closer together than their atomic radii allow (seen in the Gauche conformation! ) 

Aug 21­3:24 PM

Conformational IsomersConformations of Alkanes

Functional groups and Alkanes.notebook

18

September 28, 2016

Aug 21­3:24 PM

Conformational IsomersConformations of AlkanesFor 2­methylpropane (isobutane). Sighting along the C2­C1 bond

­Draw a Newman projection of the most stable conformation 

­Draw a Newman projection of the least stable conformation

­Make a graph of energy versus angle of rotation around                 the C2­C1 bond

­Since an H<­­>H eclipsing interaction costs 4.0 kJ/mol and an                   H<­­>CH3 eclipsing interaction costs 6.0 kJ/mol, assign relative values to the maxima and minima in your graph

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesAlicylic: Closed alkane Rings

Most organic compounds contain rings of carbon atoms (I.E. Proteins, lipids, carbohydrates, and nucleic acids. 

Functional groups and Alkanes.notebook

19

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesProperties­unsaturated

­nonpolar and fairly inert (just like alkanes)

­less flexible than open­chain alkanes

­Less freedom in rotation (conformations)

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesNamingChemical formula: CnH2n

­Why? 

Naming:

Functional groups and Alkanes.notebook

20

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesNamingStep 1: Find the parentThis is still the longest chain of carbons! If the ring is equal or larger than the free chain, then the chain is named as a substituent and the ring is the parent. If the ring is smaller than the chain, than the chain is the parent and the ring is the substituent

Methylcyclopentane 1­cyclopropylbutane

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesNamingStep 2: number the substituents and name Number the chain so that the substituents have the lowest number possible. Start at one of the substituents. If two substituents could receive the same number, start numbering in alphabetical order. 

1,3­dimethylcyclohexane vs 1,5­dimethylcyclohexane

2­ethyl­1,4­dimethylcycloheptane vs. 

1­ethyl­2,6­dimethylcycloheptane 

3­ethyl­1,4­dimetylcycloheptane

1­ethyl­2­methylcyclopentane vs 2­ethyl­1­methylcyclopentane

Functional groups and Alkanes.notebook

21

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesNamingCis­Trans isomerism Cycloalkanes do not have the same rotational freedom as an open chain alkane, therefore they have two faces as viewed edge­on: "top" face and "Bottom" face

­This allows for isomerism 

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesNamingCis­Trans isomerism 

1,2­dimethylcyclopropane  

Stereoisomers (Configurational isomers): Same connection, but different 3D geometry

­Cis­Trans isomers: Subclass of stereoisomers

Functional groups and Alkanes.notebook

22

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesNaming

H

H

CH3

ClH

H3C CH2CH3

H

Sep 6­10:29 AM

Functional groups and Alkanes.notebook

23

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability Torsion Strain: The unfavorable Coulombic interactions between two groups 

Steric Strain (Steric Hindrance: The unfavorable Coulombic interactions between two groups "running into each other" or being closer together than their nuclei allow.

H­H eclipsed ­­> Torsion

H­CH3 eclipsed ­­> Mostly torsion

CH3­CH3 eclipsed ­­> Torsion and Steric

CH3­CH3 gauche ­­> Steric

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability Angle Strain: The strain induced in a molecule when bond angles are forced to deviate from the ideal 109° tetrahedral value. 

Functional groups and Alkanes.notebook

24

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability This strain causes the molecule to have a higher potential energy. This increased potential energy can be measured through the heat of combustion  

Notice cyclopentane is significantly lower than cyclopropane and cyclobutane, and cyclohexane is strain free, why? 

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability 

Angle Strain­ The increased potential energy due to the bond angles differing from the ideal tetrahedral bond angle. 

Puckered 3D conformations­ When a cycloalkanes 3D structure is not flat (on one plane)

Functional groups and Alkanes.notebook

25

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability­Cyclopropane This is the most strained of all rings, primarily due to the 60° bond angles and a considerable amount of torsional strain

Cyclopropane has bent bonds in order to achieve the deviation from the ideal 109.5° bond angles to form 60° bond angles. These bonds are weaker and more reactive than typical alkane bonds

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability­CyclobutaneCyclobutane has less angle strain than cyclopropane, but has more torsional strain due to the larger number of ring hydrogens. This results in both compounds have similar total strain. 

One carbon lies about 25° degrees above the plane (puckered) which increases angle strain, but decreases torsional strain. The two opposing effects achieve a minimum­energy balance

Functional groups and Alkanes.notebook

26

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability­CyclopentaneCyclopentane has a puckered, nonplaner conformation that balances the angle strain and torsional strain. 

One carbon lies out of the plane while the other four are approximately in the same plane. This results in most of the hydrogens being nearly staggered 

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability­CyclohexaneMost common cycloalkane. Found widely in nature and can be found in compound such as steroids, pharmaceuticals, and flavoring agents. 

Chair

Two conformations of cyclohexane: 

Boat

Functional groups and Alkanes.notebook

27

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability­Cyclohexane Chair ConformationThis conformation is strain free due to not having any angle strain or torsional strain

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesStability­Cyclohexane Boat ConformationThis conformation is nearly free of angle strain, but does have steric and torsional strain. This conformation has more potential energy, and is therefore only adopted under special circumstances. 

Functional groups and Alkanes.notebook

28

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesCyclohexane­axial and equatorial bonds­ The chair conformation affects the chemical behavior of many cyclohexane based molecules. 

­ The conformation also has two types of positions for substituents

Axial: Perpendicular to the ring, parallel to the ring axis (6 positions) 

Equatorial: plane to the ring, around the ring equator (6 positions)  

This is NOT the same as cis and trans! any two substituents on the same face of the ring are cis, regardless of axial or equatorial and regardless of whether they are adjacent. Substituents on the opposite faces are always trans. 

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesCyclohexane­axial and equatorial bondsConformationally Mobile: Different chair conformations readily interconvert, exchanging axial and equatorial positions at room temperature.  

Ring­flip: The interconversion between axial and equatorial positions. 

Therefore, axial and equatorial positions do not result in isomeric forms of monosubstituted cyclohexanes

Functional groups and Alkanes.notebook

29

September 28, 2016

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesCyclohexane­monosubstituted ConformationsEven though the chair conformations rapidly flip at room temp, the two conformations are not always equal in stability.  

Methylcyclohexane

1,3­diaxial interaction: Steric strain between substituents/hydrogens in the 1, 3, and 5 position. 

Aug 21­3:42 PM

CycloalkanesCyclohexane­disubstituted ConformationsIn monosubstituted cyclohexane, the equatorial substituent is the most stable chair conformation. 

cis­1,2­dimethylcyclohexane and

 trans­1,2­dimethylcyclohexane