CIKLOALKANI: LASTNOSTI, REAKCIJE, UPORABE, PRIMERI - KEMIJA - 2025

V cikloalkani so družina nasičenih ogljikovodikov s splošno formulo C _n H _2n sovpada z alkenov; s to razliko, da navidezna nenasičenost ni posledica dvojne vezi, temveč obroča ali cikla. Zato veljajo za izomere alkenov.

Te nastanejo, ko se linearni alkani združijo na koncu verig in ustvarijo zaprto strukturo. Tako kot alkani lahko tudi cikloalkani kažejo različne velikosti, molekulske mase, substitucije ali celo sisteme, sestavljene iz več obročev (policikličnih).

Nekaj ​​monocikličnih cikloalkanov. Vir: Mephisto toplice preko Wikipedije.

Sicer so kemično in fizično podobni alkanom. Imajo samo ogljik in vodik, so nevtralne molekule in zato medsebojno delujejo s pomočjo Van der Wallsovih sil. Služijo tudi kot goriva, sproščajo toploto, ko gorijo ob prisotnosti kisika.

Zakaj so cikloalkani bolj nestabilni kot njihovi kolegi z odprto verigo? Razlog lahko sumimo iz ptičje perspektive primerov cikloalkanov, prikazanih na zgornji sliki: obstajajo stericne (prostorske) napetosti in ovire.

Upoštevajte, da manj ko so ogljiki (modro so navedeni), bolj je zaprta struktura; in obratno se zgodi, ko se povečajo, postanejo kot ogrlica.

Majhni cikloalkani so plinasti, s povečanjem njihove velikosti pa se povečujejo tudi njihove medmolekulske sile. Posledično so lahko tekočine, ki lahko raztapljajo maščobe in apolarne molekule, maziva ali trdne snovi, ki imajo temne barve in lastnosti, kot so asfaltni.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Polarnost

Ker so atomi, ki sestavljajo le ogljik in vodik, atomi, ki se sami po sebi ne razlikujejo preveč v elektronegativnosti, zaradi tega molekule cikloalkana postanejo apolarne in jim zato manjka dipolni moment.

Ne morejo medsebojno delovati z dipolno-dipolnimi silami, ampak so posebej odvisne od londonskih sil, ki so šibke, vendar se povečujejo z molekulsko maso. Zato so majhni cikloalkani (z manj kot petimi ogljiki) plinasti.

Medmolekularne interakcije

Po drugi strani imajo cikloalkani večje stično območje, kar daje prednost londonskim silam med njihovimi molekulami. Tako se združujejo in medsebojno delujejo na boljši način v primerjavi z alkani; s tem so tudi točke vrelišča in tališča višje.

Tudi ker imajo dva manj atoma vodika (C _n H _2n za cikloalkane in C _n H _{2n + 2} za alkane), so lažji; Če k temu dodamo dejstvo večjega stičnega območja, se prostornina njegovih molekul zmanjšuje, zato so bolj goste.

Nasičenost

Zakaj se cikloalkani uvrščajo med nasičene ogljikovodike? Ker ne morejo vključiti molekule vodika; razen če se obroč odpre, v tem primeru bi postali preprosti alkani. Da ogljikovodik velja za nasičen, mora imeti največje možno število CH-vezi.

Stabilnost

Kemično so zelo podobni alkanom. Oba imata CC in CH vezi, ki jih ni mogoče tako enostavno razbiti, da bi ustvarili druge izdelke. Vendar se njihove relativne stabilnosti razlikujejo, kar je mogoče eksperimentalno preveriti z merjenjem toplote zgorevanja (ΔH _glavnik ).

Na primer, če primerjate ΔH _glavnik za propan in ciklopropan (na sliki predstavljen s trikotnikom), imate 527,4 kcal / mol oziroma 498,9 kcal / mol.

Detajl je, da mora ciklopropan, ki temelji na toplot zgorevanja izmed alkanov, imajo nižjo ΔH _glavnik (471 kcal / mol), ker so tri metilenske skupine, CH ₂ ; v resnici pa sprošča več toplote, kar odraža večjo nestabilnost, kot je bilo ocenjeno. Takšen presežek energije naj bi bil posledica napetosti znotraj obroča.

In pravzaprav te napetosti uravnavajo in razlikujejo reaktivnost ali stabilnost cikloalkanov glede na alkane proti specifičnim reakcijam. Dokler napetosti niso zelo velike, so cikloalkani bolj stabilni kot njihovi alkani.

Nomenklatura

Nekaj ​​primerov substituiranih cikloalkanov za testiranje nomenklaturnih pravil. Vir: Gabriel Bolívar.

Nomenklatura IUPAC za cikloalkane se ne razlikuje veliko od tiste za alkane. Najenostavnejše pravilo je, da ciklo- na ime alkana, iz katerega nastane cikloalkan, predpiše ciklo.

Tako, na primer, iz n-heksana, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cikloheksan dobimo (zastopnika šesterokotnik v prvi sliki). Enako se zgodi s ciklopropanom, ciklobutanom itd.

Vendar pa se te spojine lahko zamenjajo z enim od njihovih vodikov. Ko je število ogljikov v obroču večje od števila alkilnih substituentov, se obroč vzame kot glavna veriga; to je primer a) za zgornjo sliko.

Upoštevajte, da ima v ciklobutanu (kvadrat) več ogljikov kot propilna skupina; potem je ta spojina imenovana kot propilciklobutan.

Če je več substituentov, jih je treba imenovati po abecednem vrstnem redu in na način, da imajo čim manj lokacijskih številk. Na primer, b) se imenuje: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcikloheptan (in ne 1-bromo-5-fluoro-7-butilcikloheptan, kar bi bilo napačno).

In končno, ko ima alkilni substituent več ogljika kot obroč, se za slednji reče, da je substitucijska skupina glavne verige. Tako se c) imenuje: 4-cikloheksilnonan.

Struktura

Če pustimo ob strani substituirane cikloalkane, se je priročno osredotočiti le na njihove strukturne podlage: obroče. Te so bile upodobljene na prvi sliki.

Njihovo opazovanje lahko privede do napačne predstave, da so takšne molekule ravne; vendar z izjemo ciklopropana so njegove površine "cikcak", pri čemer se ogljiki dvigajo ali padajo v primerjavi z isto ravnino.

To je posledica dejstva, da je za začetek, vsi oglje imajo sp ³ hibridizacijo , in zato prisotne tetraedričnih geometrij s koti obveznic 109.5º. Če pa natančno upoštevamo geometrijo obročev, je nemogoče, da so njihovi koti takšni; na primer so koti znotraj ciklopropanskega trikotnika 60 °.

To je tisto, kar je znano kot kotni stres. Večji kot so obroči, kot med CC vezmi je bližje 109,5 °, kar povzroči zmanjšanje napetosti in povečanje stabilnosti cikloalkana.

Drug primer opazimo pri ciklobutanu, katerega koti vezi so 90 °. Že v ciklopentanu so njegovi koti 108 °, iz cikloheksana pa potem pravijo, da kotna napetost preneha izvajati tako izrazit destabilizirajoč učinek.

Konformacije

Poleg kotnega stresa obstajajo tudi drugi dejavniki, ki prispevajo k stresu, ki ga doživljajo cikloalkani.

CC vezi se ne morejo preprosto vrteti, saj bi to pomenilo, da bi se celotna struktura "pretresla". Tako lahko te molekule sprejmejo zelo dobro definirane prostorske skladnosti. Namen teh gibanj je zmanjšati napetosti, ki jih povzroči mrk vodikovih atomov; torej kadar so drug drugemu.

Na primer, tvorbe ciklobutana spominjajo na metulja, ki maha z njegovimi krili; ciklopentan, ovojnica; tisti iz cikloheksana, čolna ali stola in čim večji je obroč, večje je število in oblike, ki jih lahko sprejmejo v prostoru.

Inverzije med cikloheksanom v obliki stola in čolna v obliki konference. Vir: Keministi.

Zgornja slika prikazuje primer takšnih sprememb za cikloheksan. Upoštevajte, da domnevni ravni šesterokotnik dejansko bolj spominja na stol (na levi strani slike) ali čoln (na desni). En vodik je predstavljen z rdečo črko, drugi pa z modro črko, ki označuje, kako se spreminjajo njihovi relativni položaji po inverzijah.

V (1), ko je vodik pravokoten na ravnino obroča, naj bi bil v osnem položaju; in ko je vzporedno z njo, naj bi bilo v ekvatorialnem položaju.

Reakcije

Reakcije, ki jih lahko prestanejo cikloalkani, so enake kot pri alkanih. Obe gorijo ob prisotnosti presežka kisika v značilnih reakcijah zgorevanja, da nastaneta ogljikov dioksid in voda. Podobno lahko oba potekata halogenacije, pri čemer vodik nadomesti atom halogena (F, Cl, Br, I).

Reakcije ciklopentana. Vir: Gabriel Bolívar.

Reakcije zgorevanja in halogeniranja za ciklopentan so prikazane kot zgornji primer. En mol ga zgoreva v prisotnosti toplote in 7,5 molekul molekularnega kisika, da se razkroji na CO ₂ in H ₂ O. Po drugi strani pa ob prisotnosti ultravijoličnega sevanja in broma en H nadomesti z enim Br, pri čemer se sprosti plinasta molekula avtor HBr.

Prijave

Uporaba cikloalkanov je zelo odvisna od njihovega števila ogljika. Najlažji in zato plinasti so bili nekoč uporabljeni za napajanje plinskih žarnic v javni razsvetljavi.

Tekočine vsebujejo pripomočke kot topila za olja, maščobe ali komercialne izdelke nepolarne narave. Med njimi je mogoče omeniti ciklopentan, cikloheksan in cikloheptan. Zelo pogosto se uporabljajo tudi pri rutinskih operacijah v naftnih laboratorijih ali pri sestavljanju goriv.

Če so težji, jih lahko uporabljamo kot maziva. Po drugi strani pa lahko predstavljajo tudi izhodni material za sintezo drog; kot karboplatin, ki v svoji strukturi vključuje ciklobutanski obroč.

Primeri cikloalkanov

Na koncu se vrnemo na začetek članka: slika z več nesubstituiranimi cikloalkani.

Zapomnite si cikloalkane, pomislite samo na geometrijske figure: trikotnik (ciklopropan), kvadrat (ciklobutan), pentagon (ciklopentan), šesterokotnik (cikloheksan), heptagon (cikloheptan), dekagon (ciklodekan), pentadekagon (ciklopentadekan), in sonda. .

Večji kot je obroč, manj spominja na njegovo geometrijsko figuro. Že smo videli, da je cikloheksan vse prej kot šesterokotnik; enako je bolj očitno pri ciklotetradekanu (štirinajst ogljikov).

Prihaja točka, ko se bodo obnašali kot ogrlice, ki jih je mogoče zložiti, da se zmanjšajo napetosti njihovih povezav in pomračil.

Reference

1. Morrison, RT in Boyd, R, N. (1987). Organska kemija. 5. izdaja Uredništvo Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesta izdaja). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdaja.). Wiley Plus.
4. Kemija LibreTexts. (02. junij 2019). Poimenovanje cikloalkanov. Pridobljeno: chem.libretexts.org
5. Wikipedija. (2019). Cikloalkan. Pridobljeno: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Predstavljamo alkane in cikloalkane. Pridobljeno: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformacije in cikloalkani. Magister organske kemije. Pridobljeno: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (sf). Cikloalkani-teorija. Organska kemija. Pridobljeno: quimicaorganica.org