CYKLOALKÁNY: VLASTNOSTI, REAKCIE, POUŽITIA, PRÍKLADY - CHÉMIA - 2025

Tieto cykloalkány sú rodina nasýtených uhľovodíkov s všeobecným vzorcom C _n H _2n zhoduje s alkény; s tým rozdielom, že zdanlivé nenasýtenie nie je spôsobené dvojitou väzbou, ale kruhom alebo cyklom. Preto sa považujú za izoméry alkénov.

Vznikajú, keď sa lineárne alkány spoja s koncami svojich reťazcov, čím sa vytvorí uzavretá štruktúra. Podobne ako v prípade alkánov môžu cykloalkány vykazovať rôzne veľkosti, molekulové hmotnosti, substitúcie alebo dokonca systémy zložené z viac ako jedného kruhu (polycyklického).

Niektoré monocyklické cykloalkány. Zdroj: Mephisto spa cez Wikipedia.

Inak sú chemicky a fyzikálne podobné alkánom. Majú iba uhlíky a vodíky, sú neutrálnymi molekulami, a preto interagujú prostredníctvom Van der Wallsových síl. Slúžia tiež ako palivo a uvoľňujú teplo, keď horia v prítomnosti kyslíka.

Prečo sú cykloalkány nestabilnejšie ako ich náprotivky s otvoreným reťazcom? Dôvodom je z vtáčej perspektívy príklady cykloalkánov znázornených na obrázku vyššie: existujú stérické (priestorové) napätia a prekážky.

Všimnite si, že čím menej uhlíkov je (uvedených v modrej farbe), tým je štruktúra uzavretejšia; a opak nastane, keď sa zvýšia a stanú sa ako náhrdelník.

Malé cykloalkány sú plynné a so zvyšujúcou sa veľkosťou narastajú aj ich medzimolekulové sily. V dôsledku toho môžu ísť o kvapaliny schopné rozpúšťať tuky a nepolárne molekuly, mazadlá alebo pevné látky, ktoré vykazujú tmavé farby a vlastnosti ako asfalt.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

polarita

Tým, že sú zložené iba z uhlíka a vodíka, atómy, ktoré sa samy osebe príliš nelíšia v elektronegativite, sú cykloalkánové molekuly nepolárne, a preto im chýba dipólový moment.

Nemôžu interagovať prostredníctvom dipól-dipólových síl, ale závisia konkrétne od londýnskych síl, ktoré sú slabé, ale zvyšujú sa s molekulovou hmotnosťou. Preto sú malé cykloalkány (s menej ako piatimi atómami uhlíka) plynné.

Medzimolekulové interakcie

Na druhej strane, pretože ide o kruhy, cykloalkány majú väčšiu kontaktnú plochu, čo uprednostňuje londýnske sily medzi ich molekulami. Preto sa v porovnaní s alkánmi zoskupujú a lepšie interagujú; a preto sú jeho teploty varu a teploty topenia vyššie.

Tiež, pretože majú dva menej vodíkové atómy (C _n H _2n pre cykloalkány a C _n H _{2n + 2} pre alkány), sú ľahšie; a k tomu sa pridáva skutočnosť, že jeho väčšia kontaktná plocha sa zmenšuje, objem obsadený jeho molekulami, a preto sú hustejšie.

nasýtenia

Prečo sú cykloalkány klasifikované ako nasýtené uhľovodíky? Pretože nemajú spôsob, ako zabudovať molekulu vodíka; pokiaľ nie je krúžok otvorený, v tom prípade by sa stali jednoduchými alkánmi. Aby sa uhľovodík považoval za nasýtený, musí mať maximálny možný počet väzieb CH.

stabilita

Chemicky sú veľmi podobné alkanom. Obe majú väzby CC a CH, ktoré nie je také ľahké rozbiť na výrobu ďalších produktov. Ich relatívna stabilita sa však líši, čo sa dá experimentálne overiť meraním ich spaľovacích teplôt (AH _hrebeň ).

Napríklad pri porovnávaní _hrebeňa ΔH pre propán a cyklopropánu (na obrázku predstavovaného trojuholníkom) máte 527,4 kcal / mol a 498,9 kcal / mol.

Detail je, že cyklopropán, na základe spaľovacieho tepla z alkánov, by mal mať nižšiu SH _hrebeň (471 kcal / mol), pretože sú tri metylénovej skupiny, CH ₂ ; ale v skutočnosti uvoľňuje viac tepla, čo odráža väčšiu nestabilitu, ako sa odhadovalo. Táto nadmerná energia je potom spôsobená napätím v kruhu.

V skutočnosti tieto napätia riadia a diferencujú reaktivitu alebo stabilitu cykloalkánov vzhľadom na alkány proti špecifickým reakciám. Pokiaľ stres nie je príliš vysoký, majú cykloalkány tendenciu byť stabilnejšie ako ich príslušné alkány.

názvoslovie

Niektoré príklady substituovaných cykloalkánov na testovanie pravidiel nomenklatúry. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Nomenklatúra IUPAC pre cykloalkány sa príliš nelíši od nomenklatúry pre alkány. Najjednoduchším pravidlom zo všetkých je predpona cykloskupiny na meno alkánu, z ktorého je cykloalkán tvorený.

Tak, napríklad, z n-hexánu, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ sa získa, cyklohexán (zástupcovia šesťuholníka na prvom obrázku). To isté sa deje s cyklopropánom, cyklobutánom atď.

Tieto zlúčeniny však môžu byť substituované jedným zo svojich vodíkov. Pokiaľ je počet atómov uhlíka v kruhu vyšší ako počet alkylových substituentov, potom sa kruh považuje za hlavný reťazec; to je prípad a) vyššie uvedeného obrázka.

Všimnite si, že v a) cyklobutáne (štvorec) má viac uhlíkov ako k nemu pripojená propylová skupina; potom je táto zlúčenina pomenovaná ako propylcyklobután.

Ak existuje viac ako jeden substituent, mali by byť pomenované v abecednom poradí a takým spôsobom, aby mali čo najmenší počet lokátorov. Napríklad, b) sa nazýva: 1-bróm-4-fluór-2-butylcykloheptán (a nie 1-bróm-5-fluór-7-butylcykloheptán, ktorý by bol nesprávny).

A nakoniec, keď má alkylový substituent viac atómov uhlíka ako kruh, potom sa tento kruh považuje za substitučnú skupinu hlavného reťazca. Teda c) sa nazýva: 4-cyklohexylnonán.

štruktúra

Ak necháme bokom substituované cykloalkány, je vhodné zamerať sa iba na ich štruktúrne základy: kruhy. Tie boli zobrazené na prvom obrázku.

Ich pozorovanie môže viesť k nesprávnej myšlienke, že takéto molekuly sú ploché; avšak s výnimkou cyklopropánu sú jeho povrchy „kľukaté“, pričom uhlíky stúpajú alebo klesajú vo vzťahu k rovnakej rovine.

To je spôsobené tým, že na začiatku sa všetky uhlíky majú sp ³ hybridizácii , a preto súčasné štvorboké geometriou s valenčním uhlami 109.5º. Ak sa však pozorne sleduje geometria krúžkov, je nemožné, aby ich uhly boli tieto; napríklad uhly v cyklopropánovom trojuholníku sú 60 °.

Toto sa nazýva uhlové napätie. Čím väčšie sú krúžky, uhol medzi väzbami CC je bližší k 109,5 °, čo spôsobuje zníženie napätia a zvýšenie stability cykloalkánu.

Ďalší príklad je pozorovaný v cyklobutáne, ktorého uhly väzby sú 90 °. V cyklopentáne sú jeho uhly 108 ° a z cyklohexánu sa potom hovorí, že uhlové napätie prestáva vykazovať taký výrazný destabilizačný účinok.

konformácie

Okrem uhlového stresu existujú ďalšie faktory, ktoré prispievajú k stresu, ktorý zažívajú cykloalkány.

Spojenia CC sa nemôžu jednoducho otáčať, pretože by to znamenalo, že by sa celá štruktúra „triasla“. Tieto molekuly teda môžu prijať veľmi dobre definované priestorové konformácie. Účelom týchto pohybov je zníženie napätia spôsobeného zatmením atómov vodíka; to znamená, keď sú proti sebe.

Napríklad konformácie pre cyklobután pripomínajú motýľa mávajúceho krídlami; z cyklopentánu, obálky; z cyklohexánu, člna alebo stoličky a čím väčší prsteň, tým väčší počet a tvar môžu mať v priestore.

Inverzie medzi stoličkou a člnovou konformáciou pre cyklohexán. Zdroj: Keministi.

Horný obrázok ukazuje príklad takýchto konformácií pre cyklohexán. Všimnite si, že domnelý plochý šesťuholník skutočne vyzerá skôr ako stolička (vľavo od obrázka) alebo čln (vpravo). Jeden vodík je reprezentovaný červeným písmenom a druhým modrým písmenom, ktoré označuje, ako sa ich relatívna poloha zmení po inverzii.

V 1), keď je vodík kolmý na rovinu krúžku, hovorí sa, že je v axiálnej polohe; a keď je s ňou rovnobežná, hovorí sa, že je v rovníkovej polohe.

reakcie

Reakcie, ktorým môžu cykloalkány podliehať, sú rovnaké ako v prípade alkánov. Pri typických spaľovacích reakciách horia v prítomnosti nadbytočného kyslíka za vzniku oxidu uhličitého a vody. Podobne môžu obe podstúpiť halogenácie, pri ktorých je vodík nahradený atómom halogénu (F, Cl, Br, I).

Reakcie cyklopentánu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Spaľovacie a halogenačné reakcie pre cyklopentán sú uvedené ako príklad vyššie. Jeden mol horí v prítomnosti tepla a 7,5 molí molekulárneho kyslíka rozkladať na CO ₂ a H ₂ O. Na druhej strane, v prítomnosti ultrafialového žiarenia a bróm, nahradzuje jeden H na jeden Br, uvoľňovať plynné molekuly autor: HBr.

aplikácia

Použitie cykloalkánov je vysoko závislé od ich uhlíkového čísla. Najľahší, a teda plynný plyn, sa kedysi používal na napájanie plynových lámp pri verejnom osvetlení.

Kvapaliny slúžia ako rozpúšťadlá pre oleje, tuky alebo komerčné výrobky nepolárnej povahy. Medzi nimi možno uviesť cyklopentán, cyklohexán a cykloheptán. Používajú sa tiež veľmi často v bežných prevádzkach v ropných laboratóriách alebo pri formulácii palív.

Ak sú ťažšie, môžu sa použiť ako mazadlá. Na druhej strane môžu tiež predstavovať východiskový materiál pre syntézu liekov; ako karboplatina, ktorá vo svojej štruktúre obsahuje cyklobutánový kruh.

Príklady cykloalkánov

Nakoniec sa vraciame na začiatok článku: obrázok s niekoľkými nesubstituovanými cykloalkánmi.

Ak si chcete zapamätať cykloalkány, jednoducho premýšľajte o geometrických údajoch: trojuholník (cyklopropán), štvorec (cyklobután), pentagon (cyklopentán), hexagon (cyklohexán), heptagon (cykloheptán), dekagón (cyklodekán), pentadekán (cyklopentadekán) atď. ,

Čím väčší je prsteň, tým menej pripomína svoj geometrický útvar. Už bolo vidieť, že cyklohexán nie je nič iné ako šesťuholník; to isté je zrejmé pri cyklotetradecane (štrnásť uhlíkov).

Príde bod, v ktorom sa budú správať ako náhrdelníky, ktoré sa dajú zložiť, aby sa minimalizovalo napätie ich spojov a zatmenie.

Referencie

1. Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chémia. 5. vydanie. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organická chémia. (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10. vydanie.). Wiley Plus.
4. Chémia LibreTexts. (2. júna 2019). Pomenovanie cykloalkánov. Obnovené z: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cykloalkány. Obnovené z: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Zavádzanie alkánov a cykloalkánov. Získané z: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformácie a cykloalkány. Majster organickej chémie. Získané z: masterorganchemistry.com
8. Fernández Germán. (SF). Cykloalkány-teórie. Organická chémia. Získané z: quimicaorganica.org