CYKLOALKANY: WŁAŚCIWOŚCI, REAKCJE, ZASTOSOWANIA, PRZYKŁADY - CHEMIA - 2025

W cykloalkany rodzina nasyconych węglowodorów o wzorze ogólnym C _n H _2n pokrywa się z alkenami; z tą różnicą, że pozorne nienasycenie nie jest spowodowane podwójnym wiązaniem, ale pierścieniem lub cyklem. Dlatego są uważane za izomery alkenów.

Powstają one, gdy liniowe alkany łączą końce swoich łańcuchów, tworząc zamkniętą strukturę. Podobnie jak w przypadku alkanów, cykloalkany mogą wykazywać różne rozmiary, masy cząsteczkowe, podstawienia, a nawet układy złożone z więcej niż jednego pierścienia (policykliczne).

Niektóre monocykliczne cykloalkany. Źródło: spa Mephisto za pośrednictwem Wikipedii.

Poza tym pod względem chemicznym i fizycznym są podobne do alkanów. Mają tylko węgle i wodory, są neutralnymi cząsteczkami i dlatego oddziałują za pomocą sił Van der Wallsa. Służą również jako paliwo, uwalniając ciepło, gdy spalają się w obecności tlenu.

Dlaczego cykloalkany są bardziej niestabilne niż ich odpowiedniki z otwartym łańcuchem? Przyczynę można podejrzewać, patrząc na przykłady cykloalkanów przedstawionych na powyższym obrazku: istnieją steryczne (przestrzenne) napięcia i przeszkody.

Zauważ, że im mniej jest węgli (zaznaczonych na niebiesko), tym bardziej zamknięta jest struktura; a odwrotnie dzieje się, gdy rosną, stając się jak naszyjnik.

Małe cykloalkany są gazami, a wraz ze wzrostem ich rozmiarów zwiększają się ich siły międzycząsteczkowe. W związku z tym mogą to być ciecze zdolne do rozpuszczania tłuszczów i niepolarnych cząsteczek, smarów lub ciał stałych, które mają ciemne kolory i właściwości podobne do asfaltu.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Biegunowość

Składające się wyłącznie z atomów węgla i wodorów, które same w sobie nie różnią się zbytnio pod względem elektroujemności, powoduje, że cząsteczki cykloalkanu są niepolarne, a zatem nie mają momentu dipolowego.

Nie mogą oddziaływać za pośrednictwem sił dipol-dipol, ale zależą w szczególności od sił Londynu, które są słabe, ale zwiększają się wraz z masą cząsteczkową. Dlatego małe cykloalkany (zawierające mniej niż pięć atomów węgla) są gazami.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Z drugiej strony, cykloalkany, ponieważ są pierścieniami, mają większą powierzchnię kontaktu, co sprzyja siłom Londynu między ich cząsteczkami. W ten sposób grupują się i oddziałują w lepszy sposób w porównaniu z alkanami; stąd też jego temperatura wrzenia i topnienia jest wyższa.

Ponadto, ponieważ mają o dwa atomy wodoru mniej (C _n H _2n dla cykloalkanów i C _n H _{2n + 2} dla alkanów), są lżejsze; a dodając do tego fakt większej powierzchni kontaktu, zmniejsza się objętość zajmowana przez jego cząsteczki, a zatem są one bardziej gęste.

Nasycenie

Dlaczego cykloalkany zalicza się do węglowodorów nasyconych? Ponieważ nie mają sposobu na włączenie cząsteczki wodoru; chyba że pierścień zostanie otwarty, w którym to przypadku staną się prostymi alkanami. Aby węglowodór można było uznać za nasycony, musi on mieć maksymalną możliwą liczbę wiązań CH.

Stabilność

Pod względem chemicznym są bardzo podobne do alkanów. Oba mają wiązania CC i CH, które nie są tak łatwe do zerwania, aby wyprodukować inne produkty. Jednak ich względne stabilności różnią się, co można zweryfikować eksperymentalnie, mierząc ich ciepło spalania ( _grzebień ΔH ).

Na przykład, porównując _grzebień ΔH dla propanu i cyklopropanu (reprezentowany przez trójkąt na obrazku), masz odpowiednio 527,4 kcal / mol i 498,9 kcal / mol.

Szczegóły, że pierścień cyklopropanowy, na podstawie ciepła spalania alkanów, powinny mieć niższą AH _grzebień (471 kcal / mol), ponieważ są one z trzech grup metylenowych, CH ₂ ; ale w rzeczywistości uwalnia więcej ciepła, odzwierciedlając większą niestabilność niż szacowano. Mówi się, że ta nadwyżka energii jest spowodowana naprężeniami w pierścieniu.

I rzeczywiście, te napięcia rządzą i różnicują reaktywność lub stabilność cykloalkanów w odniesieniu do alkanów w stosunku do określonych reakcji. Dopóki naprężenia nie są bardzo wysokie, cykloalkany wydają się być bardziej stabilne niż odpowiadające im alkany.

Nomenklatura

Kilka przykładów podstawionych cykloalkanów do przetestowania reguł nomenklatury. Źródło: Gabriel Bolívar.

Nomenklatura IUPAC dla cykloalkanów nie różni się zbytnio od tej dla alkanów. Najprostszą zasadą jest przedrostek cyklo- przed nazwą alkanu, z którego utworzony jest cykloalkan.

W ten sposób, na przykład, z n-heksanu, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , otrzymuje się cykloheksan (przedstawiony przez sześciokąt na pierwszym obrazie). To samo dzieje się z cyklopropanem, cyklobutanem itp.

Jednak związki te mogą podlegać substytucji jednego z ich wodorów. Gdy liczba atomów węgla w pierścieniu jest większa niż liczba podstawników alkilowych, pierścień przyjmuje się jako łańcuch główny; tak jest w przypadku a) dla powyższego obrazu.

Należy zauważyć, że w a) cyklobutan (kwadrat) ma więcej atomów węgla niż przyłączona do niego grupa propylowa; wtedy ten związek nazywa się propylocyklobutanem.

Jeśli jest więcej niż jeden podstawnik, należy je nazwać w porządku alfabetycznym i tak, aby miały jak najmniej numerów lokalizatorów. Na przykład b) nazywa się: 1-bromo-4-fluoro-2-butylocykloheptan (a nie 1-bromo-5-fluoro-7-butylocykloheptan, co byłoby niepoprawne).

I wreszcie, gdy podstawnik alkilowy ma więcej atomów węgla niż pierścień, wówczas mówi się, że ten ostatni jest podstawnikiem łańcucha głównego. Tak więc c) nazywa się: 4-cykloheksylnonanem.

Struktura

Pomijając podstawione cykloalkany, wygodnie jest skupić się tylko na ich podstawach strukturalnych: pierścieniach. Zostały one przedstawione na pierwszym obrazku.

Obserwowanie ich może prowadzić do fałszywego przekonania, że ​​takie cząsteczki są płaskie; ale z wyjątkiem cyklopropanu, jego powierzchnie są „zygzakowate”, a węgle wznoszą się lub opadają w stosunku do tej samej płaszczyzny.

Wynika to z faktu, że na początku, wszystkie atomy węgla mają sp ³ hybrydyzacji , a zatem obecny czworościennej geometrii o kątach obligacji 109.5º. Ale jeśli uważnie obserwuje się geometrię pierścieni, niemożliwe jest, aby ich kąty były takie; na przykład kąty wewnątrz trójkąta cyklopropanowego wynoszą 60º.

Nazywa się to naprężeniem kątowym. Im większe pierścienie, tym kąt pomiędzy wiązaniami CC jest bliższy 109,5 °, co powoduje zmniejszenie wspomnianego napięcia i wzrost stabilności cykloalkanu.

Innym przykładem jest cyklobutan, którego kąty wiązania wynoszą 90º. Już w cyklopentanie jego kąty wynoszą 108º, a od cykloheksanu mówi się wtedy, że naprężenie kątowe przestaje wywierać tak wyraźny efekt destabilizujący.

Konformacje

Oprócz naprężenia kątowego istnieją inne czynniki, które przyczyniają się do naprężenia doświadczanego przez cykloalkany.

Wiązania CC nie mogą po prostu się obracać, ponieważ oznaczałoby to, że cała konstrukcja będzie się „trząść”. Zatem cząsteczki te mogą przyjmować bardzo dobrze określone konformacje przestrzenne. Celem tych ruchów jest zmniejszenie naprężeń spowodowanych zaćmieniem atomów wodoru; to znaczy, kiedy stoją naprzeciw siebie.

Na przykład konformacje cyklobutanu przypominają motyla trzepoczącego skrzydłami; te z cyklopentanu, otoczka; te z cykloheksanu, łodzi lub krzesła, a im większy pierścień, tym większa liczba i kształty, które mogą przyjąć w przestrzeni.

Odwrócenie między konformacją krzesełkową a łódkową dla cykloheksanu. Źródło: Keministi.

Górny obraz przedstawia przykład takich konformacji dla cykloheksanu. Zwróć uwagę, że rzekomy płaski sześciokąt w rzeczywistości bardziej przypomina krzesło (po lewej stronie obrazu) lub łódź (po prawej). Jeden wodór jest reprezentowany przez czerwoną literę, a drugi przez niebieską, aby wskazać, jak ich względne pozycje zmieniają się po odwróceniach.

W (1), kiedy wodór jest prostopadły do ​​płaszczyzny pierścienia, mówi się, że znajduje się w położeniu osiowym; a kiedy jest do niego równoległy, mówi się, że znajduje się w pozycji równikowej.

Reakcje

Reakcje, którym mogą ulec cykloalkany, są takie same jak w przypadku alkanów. Oba spalają się w obecności nadmiaru tlenu w typowych reakcjach spalania z wytworzeniem dwutlenku węgla i wody. Podobnie, oba mogą ulegać halogenowaniu, w którym wodór jest zastępowany atomem halogenu (F, Cl, Br, I).

Reakcje cyklopentanu. Źródło: Gabriel Bolívar.

Reakcje spalania i chlorowcowania cyklopentanu przedstawiono na przykładzie powyżej. Jeden jego mol spala się pod wpływem ciepła, a 7,5 mola tlenu cząsteczkowego rozkłada się na CO ₂ i H ₂ O. Z drugiej strony, w obecności promieniowania ultrafioletowego i bromu, zastępuje jeden H za jeden Br, uwalniając cząsteczkę gazową. przez HBr.

Aplikacje

Stosowanie cykloalkanów w dużym stopniu zależy od ich liczby atomów węgla. Najlżejsze, a zatem gazowe, były kiedyś używane do zasilania lamp gazowych w oświetleniu publicznym.

Z drugiej strony ciecze mają zastosowanie jako rozpuszczalniki do olejów, tłuszczów lub produktów handlowych o charakterze niepolarnym. Wśród nich można wymienić cyklopentan, cykloheksan i cykloheptan. Są również bardzo często wykorzystywane w rutynowych operacjach w laboratoriach naftowych lub przy wytwarzaniu paliw.

Jeśli są cięższe, można je stosować jako smary. Z drugiej strony mogą również stanowić materiał wyjściowy do syntezy leków; jak karboplatyna, która zawiera w swojej strukturze pierścień cyklobutanu.

Przykłady cykloalkanów

Na koniec wracamy do początku artykułu: obraz z kilkoma niepodstawionymi cykloalkanami.

Aby zapamiętać cykloalkany, wystarczy pomyśleć o figurach geometrycznych: trójkąt (cyklopropan), kwadrat (cyklobutan), pentagon (cyklopentan), sześciokąt (cykloheksan), heptagon (cykloheptan), dekagon (cyklodekan), pentadekagon (cyklopentadekan) i tak dalej. .

Im większy pierścień, tym mniej przypomina jego odpowiednią figurę geometryczną. Widzieliśmy już, że cykloheksan nie jest sześciokątem; to samo jest bardziej widoczne w przypadku cyklotetradekanu (czternaście węgli).

Nadchodzi moment, w którym będą zachowywać się jak naszyjniki, które można złożyć, aby zminimalizować naprężenia ich ogniw i zaćmień.

Bibliografia

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Chemia organiczna. Wydanie 5. Od redakcji Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Chemia organiczna. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy. (Wydanie 10.). Wiley Plus.
4. Chemistry LibreTexts. (02 czerwca 2019). Nazewnictwo cykloalkanów. Odzyskane z: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cykloalkan. Odzyskane z: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Wprowadzenie alkanów i cykloalkanów. Źródło: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformacje i cykloalkany. Magister chemii organicznej. Źródło: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (sf). Teoria cykloalkanów. Chemia organiczna. Odzyskane z: quimicaorganica.org