orbitale nucleo - chimica2013.weebly.comchimica2013.weebly.com/uploads/3/3/2/4/3324183/stpa-chimica... · Ibridazione degli orbitali atomici La struttura del metano può essere spiegata

STPA-Chimica Organica 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


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


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


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.

2px 2py 2pz


Livelli energetici degli orbitali negli atomi multielettronici

Energia

1

2

3

∞

1s

2s 2p

3s

3p

3d4 4s


Notazione a punti di Lewis

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

H He

• 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


Il legame covalente

H Cl

H H

O

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.

Molecola di acido cloridrico

Molecola d’acqua


Esempio di struttura di Lewis: Metano CH4

CH

H

H

H


Esempio di struttura di Lewis:Metanolo CH3OH

CH O

H

H

H

CH3OH

C

H

H

H O H

OH


Metano: qual è la struttura tridimensionale della molecola?

C

H

H

H H


Orbitali molecolari

• La forza (lunghezza) di un legame covalente dipende dal grado di sovrapposizione degli orbitali atomici degli atomi coinvolti nel legame.

p s

s s

p p

eccellente

buona

molto buona


Consideriamo il metano CH4

carbonio

Stato ad alta energiaStato ad alta energia

1s2s

2p

idrogeno

Stato fondamentaleStato fondamentale

1s2s

2p


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.


Per cui tre legami covalenti nel metano (2p-1s) dovrebbero essere più corti dell’altro (2s-1s). La rappresentazione della molecola secondo Kekuledovrebbe essere:

CH

H HH

Inoltre l’orientazione spaziale dei quattro orbitali molecolari dovrebbe essere diversa:

uno a simmetria cilindrica e tre ortogonali tra loro


• L’evidenza sperimentale dimostra che i quattro legami covalenti nel metano sono equivalenti: stesso contenuto energetico, stessa forma, ma diversa orientazione spaziale.

C

H

H HH

Geometria tetraedrica


Ibridazione degli orbitali atomiciLa 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 sp3 di identica energia e forma.

2s + 2p + 2p + 2p 2sp3 + 2sp3 + 2sp3 + 2sp3


Ibridazione del carbonio

L’ibridazione di orbitali rappresenta un modello matematico che aiuta a razionalizzare dati

sperimentali, e non un fenomeno fisico reale


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

sp3 s p s

Legame Sigma (σ)


• Gli alcani presentano la seguente formula generale

CnH2n+2

• Gli atomi di carbonio hanno ibridazione sp3

Idrocarburi alifatici :AlcaniIdrocarburi alifatici :Alcani


Alcuni esempi: i primi termini della serie

metano CH4 Etano C2H6

propano C3H8 butano C4H10


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.


Isomeri strutturali di C6H14

CH3

CH3CH2CHCH2CH3

CH3CH2CH2CH2CH2CH3

CH3

CH3CH2CH2CHCH3

CH3

CH3CHCHCH3

CH3

CH3CH2CCH3

CH3

CH3


• 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.

Regole IUPAC per gli alcani (1)


• Scrivere il nome del composto

–Indicando i prefissi in ordine alfabetico

–Separando i prefissi da trattini

–Separando i numeri delle posizioni con virgole

Regole IUPAC per gli alcani (2)


Alcuni esempi

2,2-dimetilbutano

CH3CCH2CH3

CH3

CH3 2,3-dimetilbutano

CH3CHCHCH3

CH3

CH3


Un esempio più complicato (1)

CH3CCH2CH

CH3

CH3 CH2CH3

CH2CHCH2CH

CH3 CH3

CH3


Catena principale: nonano

CH3CCH2CH

CH3

CH3 CH2CH3

CH2CHCH2CH

CH3 CH3

CH3



numerazione

CH3CCH2CH

CH3

CH3 CH2CH3

CH2CHCH2CH

CH3 CH3

CH319



4-etil-2,2,6,8-tetrametilnonano

CH3CCH2CH

CH3

CH3 CH2CH3

CH2CHCH2CH

CH3 CH3

CH31

9



Geometria tetraedrica dell’etano

• La sovrapposizione di due orbitali sp3 dei due atomi di carbonio porta alla formazione di un legame covalente (noto anche come legame sigma).

σσ• •

σσ


CicloalcaniCicloalcani

• I cicloalcani sono alcani che presentano nella loro molecola un anello di atomi di carbonio. Presentano la formula generale

CnH2n


Esempio: Ciclopropano (C3H6)

CH2

H2C CH2


Cicloesano


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:

CnH2n

• Negli alcheni gli atomi di carbonio impegnati nel doppio legame sono ibridati sp2.


• Gli orbitali ibridi sp2 si sovrappongono per formare i legami σ C-C e C-H.

• Gli orbitali 2p non ibridati si sovrappongono per formare il legame π C-C.

H

H

H

H

Doppio legame negli alcheni


La forza di un legame viene definita dalla distanza interatomica.

• Maggiore la distanza inferiore sarà la forza.

88 kcal/mol

1.54 Å

152 kcal/mol

1.33 Å

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H


Rotazione intorno al legame sigma

• •

9090°°

• I conformeri rotazionali non alterano il grado di sovrapposizione tra gli orbitali e quindi la forza di legame resta invariata.

H

H

H

H

H

H


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.

• •

9090°°

H

H

H

H


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.

cis-2-butenetrans-2-butene

CH3

H

H

CH3

CH3

H

CH3

H


Isomeria

Isomeri strutturali

isomeri

Stereoisomeri

Conformeri(rotameri)

Isomeri configurazionali

Cicloalcani, alcheni, etc.

Non interconvertibili per rotazione di un legame

interconvertibili per rotazione di un legame

Legami differentiStessi legami ma diversa disposizione nello spazio


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.


• Aggiungere i suffissi

– ene per un solo doppio legame

– diene per due doppi legami

– triene per tre doppi legami

Nomenclatura IUPAC per gli alcheni


Isomeri degli alcheni con formula C4H8

Trans -2-butene Cis -2-butene

1-butene 2-metil-1-propene


Isomeri dei dieni con formula C5H8

Trans-1,3-pentadiene Cis-1,3-pentadiene

1,4-pentadiene 2-metil-1,3-butadiene

coniugato

coniugato

coniugato


Addizione elettrofila agli alcheni

E+ +E

Nu:

+

E+

-

E

Nu

Nu: - nucleofilo generico E - elettrofilo generico

carbocatione


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:

CnH2n-2

• Negli alchini gli atomi di carbonio impegnati nel triplo legame sono ibridati sp.


Geometria degli orbitali ibridi sp

CHHC


Esempi di nomenclatura

5-metil-1-esino 5-metil-2-esino

2,5-dimetil-3-esino 3,6-dimetil-4-ottino

Documents

orbitale nucleo - chimica2013.weebly.comchimica2013.weebly.com/uploads/3/3/2/4/3324183/stpa-chimica... · Ibridazione degli orbitali atomici La struttura del metano può essere spiegata