CYCLOALKANER: EGENSKABER, REAKTIONER, ANVENDELSER, EKSEMPLER - KEMI - 2025

De cycloalkaner er en familie af mættede carbonhydrider med en almene formel C _n H _2n sammenfaldende med alkener; med den forskel, at den tilsyneladende umættelse ikke skyldes en dobbeltbinding, men af ​​en ring eller cyklus. Derfor betragtes de som isomerer af alkener.

Disse dannes, når lineære alkaner forbinder enderne af deres kæder for at skabe en lukket struktur. Som med alkaner kan cycloalkaner udvise forskellige størrelser, molekylmasser, substitutioner eller endda systemer, der består af mere end en ring (polycyklisk).

Nogle monocykliske cycloalkaner. Kilde: Mephisto spa via Wikipedia.

Ellers ligner de kemisk og fysisk alkanerne. De har kun kulhydrater og hydrogener, er neutrale molekyler og interagerer derfor ved hjælp af Van der Walls kræfter. De tjener også som brændstof og frigiver varme, når de brænder i nærvær af ilt.

Hvorfor er cykloalkaner mere ustabile end deres modparter med åben kæde? Årsagen kan mistænkes fra et fugleperspektiv af eksemplerne på cycloalkanes repræsenteret på billedet ovenfor: der er steriske (rumlige) spændinger og hindringer.

Bemærk, at jo færre kulhydrater der er (angivet i blåt), jo mere lukket er strukturen; og det modsatte opstår, når de øges og bliver som et halskæde.

Små cycloalkaner er gasformige, og når deres størrelse stiger, gør deres intermolekylære kræfter det også. Som følge heraf kan de være væsker, der er i stand til at opløse fedt og apolære molekyler, smøremidler eller faste stoffer, der sporter mørke farver og egenskaber som dem af asfalt.

Fysiske og kemiske egenskaber

polaritet

Ved kun at være sammensat af kulhydrater og hydrogener, atomer, der i sig selv ikke adskiller sig for meget i elektronegativitet, gør dette at cycloalkanmolekylerne er apolære og derfor mangler dipolmoment.

De kan ikke interagere gennem dipol-dipol-kræfter, men afhænger specifikt af London-kræfter, som er svage, men stiger med molekylmasse. Derfor er små cycloalkaner (med mindre end fem kulhydrater) gasformige.

Intermolekylære interaktioner

På den anden side, da de er ringe, har cycloalkaner et større kontaktområde, der favoriserer Londons styrker mellem deres molekyler. De grupperer og interagerer således på en bedre måde sammenlignet med alkaner; og derfor er dens kogende og smeltepunkter højere.

Eftersom de har to færre hydrogenatomer (C _n H _2n for cycloalkaner og C _n H _{2n + 2} for alkaner), er de lettere; og tilføjelse til dette faktum for dets større kontaktområde, formindskes det volumen, der optages af dets molekyler, og derfor er de mere tætte.

Mætning

Hvorfor klassificeres cycloalkaner som mættede kulbrinter? Fordi de ikke har en måde at inkorporere et brintmolekyle på; medmindre ringen åbnes, i hvilket tilfælde de ville blive enkle alkaner. For at et carbonhydrid kan betragtes som mættet, skal det have det maksimalt mulige antal CH-bindinger.

Stabilitet

Kemisk ligner de meget alkaner. Begge har CC- og CH-obligationer, som ikke er så nemme at bryde at producere andre produkter. Deres relative stabilitet er dog forskellig, hvilket kan verificeres eksperimentelt ved at måle deres forbrændingsvarme (ΔH- _kam).

Når du for eksempel sammenligner ΔH- _kammen for propan og cyclopropan (repræsenteret af en trekant på billedet), har du henholdsvis 527,4 kcal / mol og 498,9 kcal / mol.

Den detalje er, at cyclopropan, baseret på forbrændingsvarme af alkanerne, bør have en lavere AH _kam (471 kcal / mol), fordi de er tre methylengrupper, CH ₂; men i virkeligheden frigiver det mere varme, hvilket afspejler større ustabilitet end estimeret. Det siges så, at denne overskydende energi skyldes spændingerne i ringen.

Og faktisk styrer og differentierer disse spændinger reaktiviteten eller stabiliteten af ​​cycloalkaner med hensyn til alkaner over for specifikke reaktioner. Så længe spændingerne ikke er meget høje, har cycloalkaner en tendens til at være mere stabile end deres respektive alkaner.

nomenklatur

Nogle eksempler på substituerede cycloalkaner til test af nomenklaturreglerne. Kilde: Gabriel Bolívar.

IUPAC-nomenklaturen for cycloalkaner adskiller sig ikke meget fra for alkanerne. Den enkleste regel af alt er at præfikse cyclo- til navnet på den alkan, hvorfra cycloalkanen er dannet.

Således kan for eksempel, fra n-hexan, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ opnås, cyclohexan (ved en sekskant i det første billede). Det samme sker med cyclopropan, cyclobutan osv.

Imidlertid kan disse forbindelser gennemgå substitutioner af en af ​​deres hydrogener. Når antallet af kulhydrater i ringen er større end antallet af alkylsubstituenter, tages ringen som hovedkæden; dette er tilfældet med a) for billedet ovenfor.

Bemærk, at i a) har cyclobutanen (kvadratet) flere carbonatomer end propylgruppen, der er knyttet til den; derefter benævnes denne forbindelse som propylcyclobutan.

Hvis der er mere end en substituent, skal de navngives i alfabetisk rækkefølge og på en sådan måde, at de har det lavest mulige lokaliseringsnummer. For eksempel kaldes b): 1-brom-4-fluor-2-butylcycloheptan (og ikke 1-brom-5-fluor-7-butylcycloheptan, hvilket ville være forkert).

Og til sidst, når alkylsubstituenten har flere carbonatomer end ringen, siges sidstnævnte at være substituentgruppen i hovedkæden. Således kaldes c): 4-cyclohexylnonan.

Struktur

Når man ser bort fra de substituerede cycloalkaner, er det praktisk at fokusere kun på deres strukturelle baser: ringene. Disse blev afbildet i det første billede.

Iagttagelse af dem kan føre til den falske idé om, at sådanne molekyler er flade; men med undtagelse af cyclopropan er dens overflader "zigzagging", hvor kulstof stiger eller falder i forhold til det samme plan.

Dette skyldes det faktum, at alle kulhydrater til at begynde med har sp ^3- hybridisering og derfor præsenterer tetraedriske geometrier med bindingsvinkler på 109,5º. Men hvis ringenes geometri overholdes omhyggeligt, er det umuligt, at deres vinkler er disse; for eksempel er vinklerne i cyclopropan-trekanten 60º.

Dette er hvad der er kendt som vinkelbelastning. Jo større ringene er, er vinklen mellem CC-bindinger tættere på 109,5 °, hvilket bevirker et fald i nævnte spænding og en stigning i stabilitet for cycloalkanen.

Et andet eksempel ses i cyclobutan, hvis bindingsvinkler er 90º. Allerede i cyclopentan er dens vinkler 108º, og fra cyclohexan siges det så, at vinkelpressen ophører med at udøve en så markant destabiliserende virkning.

konformationer

Foruden vinkelstress er der andre faktorer, der bidrager til stress, der opleves af cycloalkaner.

CC-obligationerne kan ikke blot rotere, da dette ville betyde, at hele strukturen ville "ryste". Disse molekyler kan således anvende meget veldefinerede rumlige konformationer. Formålet med disse bevægelser er at reducere de belastninger, der forårsages af formørkelsen af ​​hydrogenatomer; det vil sige, når de er overfor hinanden.

F.eks. Ligner konformationerne for cyclobutan en sommerfugl, der flapper med vingerne; dem af cyclopentan, en kuvert; dem i cyclohexane, en båd eller en stol, og jo større ringen er, jo større er antallet og former de kan tage i rummet.

Inversioner mellem stollignende og bådlignende konformation for cyclohexane. Kilde: Keministi.

Det øverste billede viser et eksempel på sådanne konformationer for cyclohexan. Bemærk, at den formodede flade hexagon faktisk ligner mere en stol (til venstre på billedet) eller en båd (til højre). Ét brint er repræsenteret af et rødt bogstav og et andet med et blåt bogstav for at indikere, hvordan deres relative position ændrer sig efter inversionerne.

I (1), når brint er vinkelret på ringens plan, siges det at være i den aksiale position; og når det er parallelt med det siges det at være i ækvatorposition.

Reaktioner

Reaktionerne, som cycloalkaner kan gennemgå, er de samme som for alkaner. Begge brænder i nærvær af overskydende ilt i typiske forbrændingsreaktioner for at producere kuldioxid og vand. Ligeledes kan begge gennemgå halogeneringer, hvori et hydrogen erstattes af et halogenatom (F, Cl, Br, I).

Reaktioner af cyclopentan. Kilde: Gabriel Bolívar.

Forbrændings- og halogeneringsreaktionerne for cyclopentan er vist som eksemplet ovenfor. Et mol det brænder i nærvær af varme og 7,5 mol molekylært oxygen til nedbrydes til CO ₂ og H ₂ O. På den anden side, i nærværelse af ultraviolet stråling og brom, det erstatter én H for én Br, frigiver en gasformig molekyle af HBr.

Applikationer

Brugen af ​​cycloalkaner er meget afhængig af deres carbonantal. De letteste, og derfor gasformige, blev engang brugt til at tænde gaslamper i offentlig belysning.

Væsker har på den anden side værktøjer som opløsningsmidler til olier, fedtstoffer eller kommercielle produkter af ikke-polær karakter. Blandt disse kan nævnes cyclopentan, cyclohexan og cycloheptan. De bruges også meget ofte til rutinemæssige operationer i olielaboratorier eller til formulering af brændstof.

Hvis de er tungere, kan de bruges som smøremidler. På den anden side kan de også repræsentere udgangsmaterialet til syntese af medikamenter; som carboplatin, der inkluderer en cyclobutanring i dens struktur.

Eksempler på cycloalkaner

Endelig vender vi tilbage til begyndelsen af ​​artiklen: billedet med flere usubstituerede cycloalkaner.

For at huske cycloalkanes, skal du bare tænke på de geometriske figurer: trekant (cyclopropan), firkant (cyclobutan), femkant (cyclopentan), hexagon (cyclohexan), heptagon (cycloheptan), dekagon (cyclodecane), pentadecagon (cyclopentadecane) og så videre..

Jo større ring der er, desto mindre ligner den sin respektive geometriske figur. Man har allerede set, at cyclohexan er alt andet end en hexagon; det samme er mere tydeligt med cyclotetradecan (fjorten kul).

Der kommer et punkt, hvor de vil opføre sig som halskæder, der kan foldes for at minimere belastningen af ​​deres led og formørkelse.

Referencer

1. Morrison, RT og Boyd, R, N. (1987). Organisk kemi. 5. udgave. Redaktionel Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10. udgave.). Wiley Plus.
4. Kemi LibreTexts. (2. juni, 2019). Navngivning Cycloalkanes. Gendannes fra: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cycloalkan. Gendannet fra: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Introduktion af alkaner og cycloalkaner. Gendannes fra: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformationer og cycloalkaner. Master organisk kemi. Gendannes fra: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (Sf). Cycloalkaner-teori. Organisk kemi. Gendannes fra: quimicaorganica.org