CIKLOALKANI: SVOJSTVA, REAKCIJE, UPORABE, PRIMJERI - KEMIJA - 2024

Su cikloalkani su familija zasićenih ugljikovodika s općom formulom C _n H _2n poklapa s alkena; s tom razlikom što prividna nezasićenost nije zbog dvostruke veze, već zbog prstena ili ciklusa. Zbog toga se smatraju izomerama alkena.

Nastaju kada se linearni alkani pridruže krajevima svojih lanaca kako bi stvorili zatvorenu strukturu. Kao i kod alkana, i cikloalkani mogu pokazati različite veličine, molekularne mase, supstitucije ili čak sustave sastavljene od više prstena (policikličkih).

Neki monociklički cikloalkani. Izvor: toplice Mephisto preko Wikipedije.

Inače su kemijski i fizički slični alkanima. Imaju samo ugljik i vodik, neutralne su molekule i zato međusobno djeluju pomoću Van der Wallsovih sila. Oni služe i kao gorivo, oslobađajući toplinu kada sagorijevaju u prisustvu kisika.

Zašto su cikloalkani nestabilniji od svojih kolega otvorenog lanca? Razlog se može posumnjati iz ptičje perspektive na primjerima cikloalkana predstavljenih na gornjoj slici: postoje sterične (prostorne) napetosti i zapreke.

Imajte na umu da što je manje ugljika (plavo su navedeni), to je struktura zatvorenija; a obrnuto se događa kada se povećavaju, postaju poput ogrlice.

Mali cikloalkani su plinoviti, a kako se povećavaju njihove veličine, tako se povećavaju i njihove međumolekulske sile. Prema tome, to mogu biti tekućine sposobne za otapanje masti i apolarnih molekula, maziva ili krutih tvari koje imaju tamne boje i kvalitete poput asfalta.

Fizička i kemijska svojstva

Polaritet

Budući da su sastavljeni samo od ugljika i vodika, atomi koji se sami po sebi ne razlikuju previše u elektronegativnosti, to čini da su molekule cikloalkana apolarne i stoga im nedostaje dipolni trenutak.

Ne mogu djelovati preko dipol-dipolnih sila, već ovise posebno o londonskim silama, koje su slabe, ali se povećavaju s molekularnom masom. Zato su mali cikloalkani (s manje od pet ugljika) plinoviti.

Intermolekularne interakcije

S druge strane, budući da su prstenovi, cikloalkani imaju veće kontaktno područje, što pogoduje londonskim silama između njihovih molekula. Tako se oni grupiraju i djeluju na bolji način u usporedbi s alkanima; a time su i točke vrelišta i taljenja veće.

Također, budući da imaju dva manje atoma vodika (C _n H _2n za cikloalkane i C _n H _{2n + 2} za alkane), oni su lakši; i pridodajući tome činjenicu da je veće područje kontakta, volumen koji zauzimaju njegove molekule opada, i stoga su gušće.

zasićenje

Zašto se cikloalkani klasificiraju kao zasićeni ugljikovodici? Budući da nemaju način da uključe molekulu vodika; osim ako se prsten ne otvori, u tom slučaju bi postali jednostavni alkani. Da bi se ugljikovodik mogao smatrati zasićenim, on mora imati najveći mogući broj CH veza.

Stabilnost

Kemijski su vrlo slični alkanima. Obje imaju CC i CH veze, koje nije lako razbiti da biste proizveli druge proizvode. Međutim, njihove relativne stabilnosti razlikuju se, što se može eksperimentalno potvrditi mjerenjem njihove topline izgaranja (ΔH _češalj).

Na primjer, kad usporedite combH _češalj za propan i ciklopropan (predstavljen trokutom na slici), imate 527,4 kcal / mol i 498,9 kcal / mol, respektivno.

Detalj da je ciklopropan, na temelju toplina izgaranja od alkana, bi trebao imati niži §H _češalj (471 kcal / mol), jer su tri metilenske skupine, CH ₂; ali u stvarnosti oslobađa više topline, odražavajući veću nestabilnost od procijenjene. Kaže se da se ta višak energije događa zbog naprezanja unutar prstena.

U stvari, te napetosti upravljaju i razlikuju reaktivnost ili stabilnost cikloalkana u odnosu na alkane u odnosu na specifične reakcije. Sve dok naponi nisu vrlo visoki, cikloalkani su stabilniji od odgovarajućih alkana.

Nomenklatura

Neki primjeri supstituiranih cikloalkana za testiranje nomenklaturnih pravila. Izvor: Gabriel Bolívar.

IUPAC nomenklatura za cikloalkane ne razlikuje se mnogo od one za alkane. Najjednostavnije pravilo je prefiks ciklo- na ime alkana iz kojeg se formira cikloalkan.

Tako, na primjer, iz n-heksana, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃, cikloheksan dobiven je (predstavljen šesterokuta u prve slike). Isto se događa s ciklopropanom, ciklobutanom itd.

Međutim, ti spojevi mogu biti podvrgnuti zamjeni jednog od njihovih vodika. Kada je broj ugljika u prstenu veći od broja alkilnih supstituenata, prsten se uzima kao glavni lanac; to je slučaj a) za gornju sliku.

Imajte na umu da u a) ciklobutan (kvadrat) ima više ugljika nego propilna skupina vezana za njega; tada je ovaj spoj nazvan propilciklobutanom.

Ako postoji više od jednog supstituenta, treba ih imenovati abecednim redom i na način da imaju što je moguće manje lokatorskih brojeva. Na primjer, b) se naziva: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcikloheptan (a ne 1-bromo-5-fluoro-7-butilcikloheptan, što bi bilo netočno).

I na kraju, kad alkilni supstituent ima više ugljika u odnosu na prsten, za potonji se kaže da je supstituent grupa u glavnom lancu. Stoga se c) naziva: 4-cikloheksilnonan.

Struktura

Ostavljajući po strani supstituirane cikloalkane, prikladno je usredotočiti se samo na njihove strukturne osnove: prstenove. Oni su prikazani na prvoj slici.

Promatranje njih može dovesti do lažne ideje da su takve molekule ravne; ali s izuzetkom ciklopropana, njegove površine su "cikcak", pri čemu se ugljikovi dižu ili padaju u odnosu na istu ravninu.

To je zbog činjenice da je za početak, svi ugljikovi atomi imaju sp ³ hibridizacije, a time i sadašnje tetraedra geometriju s kutovima obveznica 109.5º. Ali, ako se pažljivo promatra geometrija prstenova, nemoguće je da su njihovi kutovi; na primjer, kutovi unutar ciklopropanskog trokuta su 60 °.

To je ono što je poznato kao kutni stres. Što su prstenovi veći, to je kut između CC veza bliži 109,5 °, što uzrokuje smanjenje navedene napetosti i povećanje stabilnosti cikloalkana.

Drugi primjer je opažen u ciklobutanu, čiji su kutovi veze 90 °. Već u ciklopentanu njegovi kutovi su 108 °, a iz cikloheksana se onda kaže da kutni napon prestaje da ima tako izražen destabilizirajući učinak.

konformacije

Pored kutnog stresa, postoje i drugi faktori koji doprinose stresu koji doživljavaju cikloalkani.

CC veze se ne mogu jednostavno okretati, jer bi to podrazumijevalo da bi se cijela struktura "tresla". Dakle, ove molekule mogu usvojiti vrlo dobro definirane prostorne konformacije. Svrha ovih pokreta je smanjiti napona uzrokovana pomračenjem atoma vodika; to jest kad su nasuprot jedni drugima.

Na primjer, obrasci za ciklobutan nalikuju leptiru koji maše krilima; ciklopentan, omotnica; oni od cikloheksana, čamca ili stolice, a što je prsten veći, to je veći broj i oblika koji mogu poprimiti u prostoru.

Inverzije između cikloheksana u obliku stolice i poput čamca. Izvor: Keministi.

Gornja slika prikazuje primjer takvih oblika za cikloheksan. Imajte na umu da pretpostavljeni ravni šesterokut zapravo više sliči stolici (na lijevoj strani slike) ili čamcu (s desne strane). Jedan vodik predstavljen je crvenim slovom, a drugi plavim slovom, kako bi ukazao na to kako se mijenja njihov relativni položaj nakon inverzije.

U (1), kada je vodik okomit na ravninu prstena, kaže se da je u aksijalnom položaju; a kad je paralelno s njom, kaže se da je u ekvatorijalnom položaju.

reakcije

Reakcije kroz koje prolaze cikloalkani su iste kao kod alkana. Oboje sagorijevaju u prisustvu viška kisika u tipičnim reakcijama izgaranja da bi se stvorio ugljični dioksid i voda. Isto tako, oba mogu biti podvrgnuta halogenacijama u kojima je vodik zamijenjen atomom halogena (F, Cl, Br, I).

Reakcije ciklopentana. Izvor: Gabriel Bolívar.

Reakcije izgaranja i halogeniranja za ciklopentan prikazane su gornjim primjerom. Jedan mol izgara u prisustvu topline i 7,5 mola molekularnog kisika da se razgradi u CO ₂ i H ₂ O. S druge strane, u prisustvu ultraljubičastog zračenja i broma, on zamjenjuje jedan H jednim Br, oslobađajući plinovitu molekulu od HBr.

Prijave

Upotreba cikloalkana jako ovisi o njihovom broju ugljika. Najlakši, a samim tim i plinoviti, nekada su korišteni za napajanje plinskih svjetiljki u javnoj rasvjeti.

Tekućine, s druge strane, koriste se kao otapala za ulja, masti ili komercijalne proizvode nepolarne prirode. Među njima se mogu spomenuti ciklopentan, cikloheksan i cikloheptan. Također se vrlo često koriste u rutinskim operacijama u laboratorijima za naftu ili u formulaciji goriva.

Ako su teži, mogu se koristiti kao maziva. S druge strane, oni također mogu predstavljati polazni materijal za sintezu lijekova; poput karboplatina, koji u svoju strukturu uključuje ciklobutanski prsten.

Primjeri cikloalkana

Na kraju se vraćamo na početak članka: slika s nekoliko nesupstituiranih cikloalkana.

Za pamćenje cikloalkana samo razmislite o geometrijskim figurama: trokut (ciklopropan), kvadrat (ciklobutan), pentagon (ciklopentan), šesterokut (cikloheksan), heptagon (cikloheptan), dekagon (ciklodekan), pentadekagon (ciklopentadekan) i sonda., Što je prsten veći, to manje podsjeća na njegov geometrijski lik. Već je vidljivo da je cikloheksan sve samo šesterokut; isto je očitije kod ciklotetradekana (četrnaest ugljika).

Dolazi trenutak kada će se ponašati poput ogrlica koje je moguće saviti kako bi se smanjili naponi njihovih veza i pomračenja.

Reference

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Organska kemija. 5. izdanje Uredništvo Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesto izdanje). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdanje.). Wiley Plus.
4. Kemija LibreTexts. (02. lipnja 2019.). Imenovanje cikloalkanima. Oporavak od: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cikloalkan. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Uvođenje alkana i cikloalkana. Oporavak od: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformacije i cikloalkani. Magistar organske kemije. Oporavak od: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (SF). Cikloalkane-teorija. Organska kemija. Oporavilo sa: quimicaorganica.org