CHEM 212 - Alkanes Review

37
Introductory Organic Chemistry Chem 212 & Chem 211 Dr. Laura Pavelka Department of Chemistry Pulp & Paper 104 [email protected] ORGANIC BITES 2A: BASIC ALKANES

Transcript of CHEM 212 - Alkanes Review

Page 1: CHEM 212 - Alkanes Review

Introductory Organic Chemistry Chem 212 & Chem 211

Dr. Laura PavelkaDepartment of Chemistry

Pulp & Paper [email protected]

ORGANIC BITES 2A: BASIC ALKANES

Page 2: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 2

LET’S REVIEW ALKANE NOMENCLATURE...

Section 2 – Alkanes and CycloalkanesChapter 4 – Nomenclature and Conformations

Simple Alkanes and CycloalkanesNaming Branched AlkanesNaming Branched Cycloalkanes

Page 3: CHEM 212 - Alkanes Review

Overview of Alkanes and Cycloalkanes

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 3

CYCLOALKANES: rings, all σ‐bonds, tetrahedral, sp3

H

H

H

H

H

H

H

H

H H

H

H

H

HH H

ALKANES: “saturated”, all σ bonds, tetrahedral, sp3

H

CH H

H

Page 4: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 4

Alkanes: “saturated”, only σ‐bonds (CnH2n+2) 

CH4 METHANE bp = ‐164 °CCH3CH3 ETHANE C2H6  bp = ‐ 89 °CCH3CH2CH3 PROPANE C3H8  bp = ‐ 42 °C

CC

CH H

HHHH

HH

Page 5: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 5

Alkanes: “saturated”, only σ‐bonds (CnH2n+2) 

CH4 METHANE bp = ‐164 °CCH3CH3 ETHANE C2H6 bp = ‐ 89 °CCH3CH2CH3 PROPANE C3H8  bp = ‐ 42 °CCH3CH2CH2CH3 BUTANE C4H10  bp = 0 °C

Page 6: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 6

Alkanes: “saturated”, only σ‐bonds (CnH2n+2) 

CH4 METHANE bp = ‐164 °CCH3CH3 ETHANE C2H6  bp = ‐ 89 °CCH3CH2CH3 PROPANE C3H8  bp = ‐ 42 °CCH3CH2CH2CH3 BUTANE C4H10  bp = 0 °CCH3CH(CH3)2 ISOBUTANE bp = ‐11 °C

≡STRUCTURAL ISOMERS(same formula, different connectivity)

Page 7: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 7

Alkanes: “saturated”, only σ‐bonds (CnH2n+2) 

CH4 METHANE bp = ‐164 °CCH3CH3 ETHANE C2H6  bp = ‐ 89 °CCH3CH2CH3 PROPANE C3H8  bp = ‐ 42 °CCH3CH2CH2CH3 BUTANE C4H10  bp = 0 °CCH3(CH2)3CH3 PENTANE C5H12  bp = 36 °CCH3CH2CH(CH3)2 ISOPENTANE bp = 28 °CCH3C(CH3)3 NEOPENTANE bp = 10 °C

CC

CH C

HHHH

HH

C

HH

H

HH

≡STRUCTURAL ISOMERS

Page 8: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 8

Alkanes: “saturated”, only σ‐bonds (CnH2n+2) 

CH4 METHANE bp = ‐164 °CCH3CH3 ETHANE C2H6  bp = ‐ 89 °CCH3CH2CH3 PROPANE C3H8  bp = ‐ 42 °CCH3CH2CH2CH3 BUTANE C4H10  bp = 0 °CCH3(CH2)3CH3 PENTANE C5H12  bp = 36 °CCH3(CH2)4CH3 HEXANE C6H14  bp = 69 °CCH3(CH2)2CH(CH3)2   ISOHEXANE bp = 60 °CCH3CH2C(CH3)3 NEOHEXANE bp = 50 °CCH3CH2CH(CH3)CH2CH3 bp = 63 °C(CH3)2CHCH(CH3)2 bp = 58 °C

STRUCTURAL ISOMERS

Page 9: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 9

Alkanes: “saturated”, only σ‐bonds (CnH2n+2) 

CH4 METHANE bp = ‐164 °CCH3CH3 ETHANE C2H6  bp = ‐ 89 °CCH3CH2CH3 PROPANE C3H8  bp = ‐ 42 °CCH3CH2CH2CH3 BUTANE C4H10  bp = 0 °CCH3(CH2)3CH3 PENTANE C5H12  bp = 36 °CCH3(CH2)4CH3 HEXANE C6H14  bp = 69 °CCH3(CH2)5CH3 HEPTANE C7H16  bp = 98 °CCH3(CH2)6CH3 OCTANE C8H18  bp = 125 °CCH3(CH2)7CH3 NONANE C9H20  bp = 151 °CCH3(CH2)18CH3 EICOSANE C20H42 bp = 343 °C

366 319 structural isomers!

Page 10: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 10

Alkanes: “saturated”, only σ‐bonds (CnH2n+2) 

GASES

LIQUIDS

CH4 METHANE bp = ‐164 °CCH3CH3 ETHANE C2H6  bp = ‐ 89 °CCH3CH2CH3 PROPANE C3H8  bp = ‐ 42 °CCH3CH2CH2CH3 BUTANE C4H10  bp = 0 °CCH3(CH2)3CH3 PENTANE C5H12  bp = 36 °CCH3(CH2)4CH3 HEXANE C6H14  bp = 69 °CCH3(CH2)5CH3 HEPTANE C7H16  bp = 98 °CCH3(CH2)6CH3 OCTANE C8H18  bp = 125 °CCH3(CH2)7CH3 NONANE C9H20  bp = 151 °CCH3(CH2)18CH3 EICOSANE C20H42 bp = 343 °C

Page 11: CHEM 212 - Alkanes Review

Cycloalkanes: rings, only σ‐bonds (CnH2n) 

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 11

ALKANES = CnH2n+2 CYCLOALKANES = CnH2n

DIFFERENCE IN # HYDROGENS  = (2n+2) ‐ 2n = 2UNITS OF UNSATURATION = 1 (1 per 2 Hs)

Page 12: CHEM 212 - Alkanes Review

Cycloalkanes: rings, only σ‐bonds (CnH2n) 

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 12

cyclopropaneC3H6

cyclobutaneC4H8

cyclopentaneC5H10

cyclohexaneC6H12

ALKANES = CnH2n+2 CYCLOALKANES = CnH2n

DIFFERENCE IN # HYDROGENS  = (2n+2) ‐ 2n = 2UNITS OF UNSATURATION = 1 (1 per 2 Hs)

cycloheptaneC7H14

cyclooctaneC8H16

cyclononaneC9H18

cyclodecaneC10H20

Page 13: CHEM 212 - Alkanes Review

Alkanes: Boiling/Melting Point Trends

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 13

ALKANE BOILING/MELTING POINT INCREASES WITH # CARBONS

Page 14: CHEM 212 - Alkanes Review

Alkanes: Solubility

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 14

ALKANES ARE HYDROPHOBIC AND DO NOT dissolve in water (uncharged/non‐polar)

Page 15: CHEM 212 - Alkanes Review

Alkanes: Density

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 15

ALKANES ARE THE LEAST DENSE OF ALL ORGANIC COMPOUNDS (weak intermolecular forces)

LIQUID ALKANES ~ 0.6‐0.8 g/mL

Page 16: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 16

5‐10

carbons

“gasoline”

C5H12 to C10H22

Alkanes: Gasoline

Page 17: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 17

C12H26 to C18H38

“kerosene”

12‐18

carbons

Alkanes: Kerosene

Page 18: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 18

ROOFING

20‐50

carbons

“tar” or “wax”

C20H42 to C50H102

Alkanes: Tar and Wax

Page 19: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 19

VASELINE

20‐50

carbons

“tar” or “wax”

C20H42 to C50H102

Alkanes: Petroleum Jelly

Page 20: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 20

10,000

carbons

“polyethylene”PLASTIC BOTTLES

Alkanes: Hydrocarbon Polymers

Page 21: CHEM 212 - Alkanes Review

THOSE ARE THE NAMES AND ISOMERS OF THE SIMPLE ALKANES...

BUT, HOW DO YOU NAME MORE COMPLEX 

OR SUBSTITUTED ALKANES?

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 21

Page 22: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 22

LET’S REVIEW ALKANE NOMENCLATURE...

Section 2 – Alkanes and CycloalkanesChapter 4 – Nomenclature and Conformations

Simple Alkanes and CycloalkanesNaming Branched AlkanesNaming Branched Cycloalkanes

Page 23: CHEM 212 - Alkanes Review

1. Select the longest continuous chain of carbon atoms for the basic name. (not necessarily “linear”)

2. Number the carbons in the chain from the end nearest the first branch/substituent.

3. Identify substituents (e.g. methyl, ethyl, bromo, chloro).  If more than one substituent of the same kind is present, use the prefixes “di,” “tri”or “tetra.”

4. Locate the numbered carbon to which the substituents are attached.

5. Put substituents in alphabetical order (multiplier prefixes do not count).

6. Separate numbers from letters by a dash and write the whole name as one word with the basic name at the end.

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 23

IUPAC System of Naming Alkane Derivatives

Page 24: CHEM 212 - Alkanes Review

Methyl & Primary Alkyl Substituents

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 24

CH3 H

CH3CH2CH2 H

CH3

CH3CH2CH2

Methyl

Ethyl

Propyl

Butyl

Methane

Ethane

Propane

Butane

1° carbon

1° carbon

1° carbon

Page 25: CHEM 212 - Alkanes Review

Naming Practice – Alkanes

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 25

1. Longest continuous chain – basic name2. Number carbons 3. Identify substituents4. Number substituents5. Alphabetize substituents6. Whole name as one word (numbers/letters divided by dashes)

3 2

3

2 2 3

2 2 3

2 3

Page 26: CHEM 212 - Alkanes Review

Naming Practice – Alkanes

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 26

1. Longest continuous chain – basic name2. Number carbons 3. Identify substituents4. Number substituents5. Alphabetize substituents6. Whole name as one word (numbers/letters divided by dashes)

2,2,4,4‐tetramethylpentane

Page 27: CHEM 212 - Alkanes Review

Naming Practice – Alkanes

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 27

1. Longest continuous chain – basic name2. Number carbons – if a tie (two # options), alphabet wins3. Identify substituents4. Number substituents5. Alphabetize substituents6. Whole name as one word (numbers/letters divided by dashes)

Page 28: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 28

Naming Practice – Alkanes1. Longest continuous chain – basic name2. Number carbons – if a tie, most substituted chain wins3. Identify substituents4. Number substituents5. Alphabetize substituents6. Whole name as one word (numbers/letters divided by dashes)

Page 29: CHEM 212 - Alkanes Review

Naming Practice – Alkanes

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 29

1. Longest continuous chain – basic name2. Number carbons – if a tie, lowest total numbering wins3. Identify substituents4. Number substituents5. Alphabetize substituents6. Whole name as one word (numbers/letters divided by dashes)

2,3,5‐trimethylhexane

Page 30: CHEM 212 - Alkanes Review

OK... THAT’S NAMING BRANCHED ALKANES...

... WHAT ABOUT RING SYSTEMS?

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 30

Page 31: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 31

LET’S REVIEW ALKANE NOMENCLATURE...

Section 2 – Alkanes and CycloalkanesChapter 4 – Nomenclature and Conformations

Simple Alkanes and CycloalkanesNaming Branched AlkanesNaming Branched Cycloalkanes

Page 32: CHEM 212 - Alkanes Review

1. Determine the number of carbon atoms in the ring.

2. Add the prefix cyclo‐ to the name of the corresponding alkane.

3. If only one substituent: not necessary to designate number.

4. If two substituents: assign C1 to substituent first in the alphabet and number in the direction that gives next substituent the lowest number.

5. If three substituents or more: begin at the substituent that leads to the lowest overall (total) numbering of the other substituents.

6. If ring is attached to a linear chain with more carbons than the ring system or if more than one ring system is attached to a single chain, name ring(s) as the substituent (cycloalkyl group).

IUPAC System of Naming Cycloalkanes

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 32

Page 33: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 33

Naming Practice – Cycloalkanes1. Determine ring size – basic name with prefix “cyclo”2. 1 sub: no numbers3. 2 sub: alphabet winner/alcohol assigned C14. 3 sub: lowest overall numbering5. Name as cycloalkyl group if longer linear chain present

Page 34: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 34

Naming Practice – Cycloalkanes1. Determine ring size – basic name with prefix “cyclo”2. 1 sub: no numbers3. 2 sub: alphabet winner/alcohol assigned C14. 3 sub: lowest overall numbering5. Name as cycloalkyl group if longer linear chain present

1‐ethyl‐3‐propylcycloheptane

Page 35: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 35

Naming Practice – Cycloalkanes1. Determine ring size – basic name with prefix “cyclo”2. 1 sub: no numbers3. 2 sub: alphabet winner/alcohol assigned C14. 3 sub: lowest overall numbering5. Name as cycloalkyl group if longer linear chain present

2‐ethyl‐1,4‐dipropylcyclohexane

Page 36: CHEM 212 - Alkanes Review

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 36

Naming Practice – Cycloalkanes1. Determine ring size – basic name with prefix “cyclo”2. 1 sub: no numbers3. 2 sub: alphabet winner/alcohol assigned C14. 3 sub: lowest overall numbering5. Name as cycloalkyl group if longer linear chain present

Page 37: CHEM 212 - Alkanes Review

Organic Bites 2A: Main Objectives

CHEM 212/211 Organic Bites 2A ‐ Chapter 4 37

1. Identify/name simple alkanes and cycloalkanes based on structure or condensed formula.

2. Understand the trends in boiling/melting points.3. Rationalize alkane solubility and density.4. Name alkanes/cycloalkanes with simple hydrocarbon 

substituents, given a structure.5. Draw structures for alkanes/cycloalkanes with simple 

hydrocarbon substituents, given a name.