Περίληψη Κεφαλαίου 3

Transcript

1 Περίληψη Κεφαλαίου 3 Λειτουργική οµάδα: άτοµο ή σύνολο ατόµων ενός µορίου που προσδίδει χαρακτηριστική χηµική συµπεριφορά στο µόριο Αλκάνια: κατηγορία υδρογονανθράκων µε γενικό µοριακό τύπο C v H 2v+2 Κυκλοαλκάνια: ενώσεις που περιλαµβάνουν δακτυλίους ατόµων άνθρακα µε γενικό µοριακό τύπο C v H 2v Ισοµερή: ενώσεις µε τον ίδιο µοριακό τύπο αλλά διαφορετική δοµή Συντακτικά ισοµερή: ενώσεις που διαφέρουν ως προς τη σύνδεση µεταξύ των ατόµων Στερεοϊσοµερή: ενώσεις µε ίδια σύνδεση των ατόµων αλλά διαφορετική διευθέτηση των υποκαταστατών στο χώρο

2 Οργανική Χηµεία Κεφάλαιο 4: Στερεοχηµεία αλκανίων και κυκλοαλκανίων

3 1. Διατάξεις µορίων στο χώρο Η µορφή των µορίων στο χώρο εξαρτάται από πολλούς παράγοντες Μόριο µπορεί να λάβει διαφορετικές µορφές στο χώρο που ονοµάζονται διαµορφώσεις (conformations) και βρίσκονται σε ισορροπία µεταξύ τους σε θερµοκρασία δωµατίου (κάθε συγκεκριµένη διαµόρφωση ονοµάζεται διαµορφοµερέςconformer) Η στερεοχηµεία είναι ο κλάδος της χηµείας που ασχολείται µε τη διάταξη των µορίων στο χώρο Ο κλάδος της στερεοχηµείας είναι πολύ βασικός στην οργανική χηµεία και περιλαµβάνει πολλά σηµαντικά θέµατα

4 2. Διαµορφώσεις αιθανίου Διαµορφοµερή αλληλοµετατρέπονται πολύ γρήγορα το ένα στο άλλο Η χρησιµοποίηση µοριακών µοντέλων επιτρέπει την αναπαράσταση ατόµων στο χώρο Η αναπαράσταση 3-γών δοµών σε 2 επίπεδα γίνεται χρησιµοποιώντας συγκεκριµένους τρόπους αναπαραστάσης

5 3. Αναπαράσταση διαµορφοµερών Η αναπαράσταση των διαµορφοµερών µπορεί να γίνει µε: πλαγιογωνιακές αναπαραστάσεις (sawhorse representations) προβολές κατά Newman (Newman projections)

6 4. Ενέργεια περιστροφής στο C 2 H 6 Ενεργειακό φράγµα περιστροφής (12 kj/mol) καθιστά κάποιες διαµορφώσεις σταθερότερες από άλλες (τάση στρέψης ή περιστροφής) Διαβαθµισµένη (staggered) διαµόρφωση: Σταθερότερη διαµόρφωση, 6 άτοµα Η απέχουν όσο το δυνατόν περισσότερο Εκλειπτική (eclipsed) διαµόρφωση: Λιγότερο σταθερή διαµόρφωση, 6 άτοµα Η βρίσκονται όσο το δυνατό πλησιέστερα µεταξύ τους

7 5. Διαµορφώσεις του προπανίου (C 3 H 8 ) Ενεργειακό φάσµα γύρω από το δεσµό C-C ( 14 kj/mol) Εκλειπτικό διαµορφοµερές προπανίου ασκούνται 2 απωστικές αλληλεπιδράσεις, µία ανάµεσα στα H και µία ανάµεσα στο δεσµό C H και C C

8 6. Δυναµική ενέργειας περιστροφής στο βουτάνιο C 4 H 10 Διαβαθµισµένες και εκλειπτικές διαµορφώσεις βουτανίου δεν έχουν την ίδια ενέργεια µεταξύ τους Διαµόρφωση µε τη χαµηλότερη ενέργεια =διαµόρφωση αντί (anti conformation) µε 2 µεθυλοµάδες 180 µακριά η µία από την άλλη Διαµόρφωση gauche µε τις µεθυλοµάδες να σχηµατίζουν γωνία 60

9 7. Απωστικές αλληλεπιδράσεις στα διαµορφοµερή αλκανίου Σταθερότερη διαµόρφωση αλκανίου: δεσµοί C-C διαβαθµισµένοι, µεγάλοι υποκαταστάτες σε θέση αντι ο ένας προς τον άλλο

10 8. Σταθερότητα κυκλοαλκανίων-θεωρία τάσης (Baeyer) Baeyer (1885): λόγω sp 3 υβριδισµού (δεσµούς C µε γωνία 109 ) δακτύλιοι µε αριθµό ατόµων διαφορετικό του 5 ή 6 έχουν µεγάλη γωνιακή τάση και δεν µπορεί να υπάρχουν Μέτρηση θερµότητας που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση ενός κυκλοαλκανίου µε το Ο 2 ονοµάζεται θερµότητα καύσης και σχετίζεται µε γωνιακή τάση δακτυλίου

11 9. Χωροδιάταξη δακτυλίων Δακτύλιοι µε περισσότερα από 3 άτοµα δεν είναι επίπεδοι Κυκλικά µόρια υιοθετούν κατάλληλες µη επίπεδες διαµορφώσεις στο χώρο που επιτρέπουν στις γωνίες των δεσµών να είναι σχεδόν τετραεδρικές Οι µεγαλύτεροι δακτύλιοι µπορούν να έχουν περισσότερες διαµορφώσεις από τους µικρότερους

12 10. Είδη τάσεων στα κυκλοαλκάνιακαθορισµός σχήµατος και ενέργειας Γωνιακή τάση (angle strain) όταν οι γωνίες των δεσµών µεγαλώνουν ή συµπιέζονται Τάση στρέψης (torsional strain) λόγω εκλειπτικής διαµόρφωσης των δεσµών σε γειτονικά άτοµα Στερεοχηµική τάση (steric strain)- λόγω απωστικών αλληλεπιδράσεων όταν τα άτοµα προσεγγίζουν το ένα το άλλο

13 11. Κυκλοπροπάνιο: άποψη τροχιακών Δακτύλιος 3 ατόµων θα έπρεπε να έχει επίπεδη διάταξη Λόγω συµµετρίας οι δεσµοί C C C θα ήταν 60 Αυτό συνεπάγεται απόκλιση από τη γωνία δεσµού για sp 3 Το κυκλοπροπάνιο έχει κεκαµµένους δεσµούς Όλοι οι δεσµοί C-H είναι εκλειπτικοί (µεγάλη τάση στρέψης)

14 12. Διαµορφώσεις κυκλοβουτανίου Kυκλοβουτάνιο: µικρότερη γωνία τάσης από κυκλο-προπάνιο, µεγαλύτερη τάση στρέψης λόγω του µεγαλύτερου αριθµού Η στο δακτύλιο Κυλοβουτάνιο: ελαφρά κεκαµµένο ώστε ένα άτοµο C είναι σε γωνία 25 σε σχέση µε το επίπεδο των άλλων 3 C Αυτή η κάµψη έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της γωνιακής τάσης, µείωση της τάσης στρέψης

15 13. Κυκλοπεντάνιο Επίπεδο κυκλοπεντάνιο δεν θα έπρεπε να έχει καθόλου γωνιακή τάση, αλλά υψηλή τάση στρέψης αν όλα τα άτοµα C είναι στο ίδιο επίπεδο Στην πραγµατικότητα, το πεντάνιο υιοθετεί µη επίπεδη, πτυχωτή διαµόρφωση Τέσσερεις C βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο Πέµπτος C βρίσκεται εκτός επιπέδου

16 14. Κυκλοεξάνιο Υποκατεστηµένα κυκλοεξάνια πολύ κοινά στη φύση Δακτύλιος κυκλοεξανίου ελέυθερος από γωνιακή τάση και τάση στρέψης λόγω υιοθέτησης κατάλληλα πτυχωµένης επιφάνειας στο χώρο Η διαµόρφωση αυτή ονοµάζεται διαµόρφωση ανάκλινδρου Το κυκλοεξάνιο δεν είναι επίπεδο

17 15. Αξονικοί και ισηµερινοί δεσµοί Διαµόρφωση ανάκλινδρου έχει δύο διατάξεις για τα άτοµα του Η στο δακτύλιο: αξονικές (a, axial) και ισηµερινές (e, equatorial) Στη διαµόρφωση ανάκλινδρου το κυλοεξάνιο έχει 6 αξονικά και 6 ισηµερινά υδρογόνα

18 16. Αξονικές και ισηµερινές θέσεις Κάθε άτοµο άνθρακα στο κυκλοεξάνιο έχει ένα αξονικό και ένα ισηµερινό υδρογόνο Κάθε πλευρά του δακτυλίου έχει εναλλασσόµενες αξονικές και ισηµερινές θέσεις

19 17. Ευκινησία διαµόρφωσης κυκλοεξανίου Οι αξονικές και ισηµερινές θέσεις στη διαµόρφωση ανάκλινδρου εναλλάσσονται πολύ γρήγορα σε θερµοκρασία δωµατίου. Αυτή η αλληλοµετατροπή αναφέρεται και ως αναστροφή του δακτυλίου (ring-flip)

20 18. Διαµορφώσεις µονουποκατεστηµένων κυκλοεξανίων Τα δύο διαµορφοµερή ενός µονουποκατεστηµένου κυκλοεξανίου δεν είναι εξίσου σταθερά Η ισηµερινή θέση του µεθυλοκυκλοεξανίου είναι πιο σταθερή κατά 7.6 kj/mol