CIKLOALKÁNOK: TULAJDONSÁGOK, REAKCIÓK, FELHASZNÁLÁSOK, PÉLDÁK - KÉMIA - 2026

A cikloalkánok egy család telített szénhidrogének egy általános képletű a C _n H _2n egybeesik alkének; azzal a különbséggel, hogy a látszólagos telítetlenség nem kettős kötés, hanem egy gyűrű vagy ciklus következménye. Ezért tekintjük őket az alkének izomerjeinek.

Ezek akkor alakulnak ki, amikor a lineáris alkánok csatlakoznak a láncuk végéhez, hogy zárt struktúrát hozzanak létre. Az alkánokhoz hasonlóan a cikloalkánok különböző méretű, molekulatömegű, szubsztitúciókat vagy akár egynél több gyűrűből (policiklusos) álló rendszereket mutathatnak.

Néhány monociklusos cikloalkán. Forrás: Mephisto spa a Wikipedia segítségével.

Egyébként kémiai és fizikai szempontból hasonlóak az alkánokhoz. Csak szén- és hidrogéntartalmúak, semleges molekulák, ezért a Van der Walls erők révén kölcsönhatásba lépnek. Üzemanyagként is szolgálnak, felszabadítva a hőt, amikor oxigén jelenlétében égnek.

Miért a cikloalkánok instabilabbak, mint a nyílt láncú társaik? Az ok a fenti képen bemutatott cikloalkánok példáinak madártávlatából gyanítható: a sztereikus (térbeli) feszültségek és akadályok vannak.

Vegye figyelembe, hogy minél kevesebb szénatom van (kékben felsorolva), annál zártabb a szerkezete; és éppen ellenkezőleg fordul elő, ha növekszik, mint egy nyaklánc.

A kis cikloalkánok gázneműek, és méretük növekedésével megegyeznek az intermolekuláris erők. Következésképpen ezek lehetnek olyan zsírok és apoláris molekulák, kenőanyagok vagy szilárd anyagok oldására alkalmas folyadékok, amelyek sötét színű és minőségűek, mint az aszfalt.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Polaritás

Ha csak szénből és hidrogénből áll, olyan atomokból áll, amelyek önmagukban nem különböznek túl nagy mértékben az elektronegativitáson, ez a cikloalkán molekulákat apolárisvá teszi, és ezért hiányzik a dipólos pillanat.

Nem tudnak kölcsönhatásba lépni a dipól-dipól erőkön keresztül, hanem kifejezetten a londoni erőktől függnek, amelyek gyengék, de a molekulatömeggel növekednek. Ez az oka annak, hogy a kis cikloalkánok (kevesebb, mint öt szénatommal) gáz-halmazállapotúak.

Intermolekuláris interakciók

Másrészt, mivel ezek gyűrűk, a cikloalkánok nagyobb érintkezési felülettel bírnak, ami elősegíti a molekulák közötti londoni erőket. Így jobban csoportosulnak és kölcsönhatásba lépnek, mint az alkánok; és így magasabb a forráspontja és az olvadáspontja.

Továbbá, mivel két kevesebb hidrogénatom (C _n H _2n a cikloalkánok és C _n H _{2n + 2} az alkánok), ezek könnyebbek; és ehhez hozzáadva a nagyobb érintkezési területét, a molekulák által elfoglalt térfogat csökken, és ennélfogva sűrűbbek.

Telítettség

Miért osztályozzák a cikloalkánokat telített szénhidrogénekké? Mivel nincs módjuk a hidrogénmolekula beépítésére; kivéve, ha a gyűrűt kinyitják, ebben az esetben egyszerű alkánokká válnak. Ahhoz, hogy a szénhidrogént telítettnek lehessen tekinteni, a lehető legtöbb CH-kötéssel kell rendelkeznie.

Stabilitás

Kémiai szempontból nagyon hasonlóak az alkánokhoz. Mindkettőnek van CC és CH kötése, amelyeket nem olyan könnyű megbontani, hogy más termékeket előállítsanak. Relatív stabilitásaik azonban különböznek, amit kísérletileg igazolni lehet az égési hőmérséklet (ΔH _fésű) mérésével.

Például, ha összehasonlítjuk a propán és a ciklopropán ΔH _fésűjét (a képen háromszög képviseli), akkor 527,4 kcal / mol és 498,9 kcal / mol.

A részlet, hogy a ciklopropán, alapuló égéshőjének az alkánok, kell egy alacsonyabb AH _fésű (471 kcal / mol), mert ezek három metiléncsoportok, CH ₂; de a valóságban több hőt bocsát ki, ami a becsültnél nagyobb instabilitást tükröz. Ezt a felesleges energiát ezután a gyűrűn belüli feszültségeknek tudják bevezetni.

Valójában ezek a feszültségek szabályozzák és megkülönböztetik a cikloalkánok reaktivitását vagy stabilitását az alkánok vonatkozásában a specifikus reakcióktól függően. Mindaddig, amíg a feszültségek nem túl nagyok, a cikloalkánok általában stabilabbak, mint a megfelelő alkánok.

Elnevezéstan

Néhány példa a helyettesített cikloalkánokra a nómenklatúra szabályainak tesztelésére. Forrás: Gabriel Bolívar.

A cikloalkánok IUPAC nómenklatúrája nem különbözik nagyban az alkánokétól. A legegyszerűbb szabály az, hogy a ciklo- előtagot az alkán nevéhez csatoljuk, amelyből a cikloalkán képződik.

Így például, a n-hexán, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃, ciklohexánt kapunk (képviseli egy hatszög az első kép). Ugyanez történik a ciklopropánnal, ciklobutánnal stb.

Ezek a vegyületek azonban a hidrogénatomok egyikének szubsztitúcióján mehetnek keresztül. Ha a gyűrűben a szénatomok száma nagyobb, mint az alkil-helyettesítőknél, akkor a gyűrűt vesszük fő láncnak; a fenti kép esetében ez a) eset áll fenn.

Vegye figyelembe, hogy az a) pontban a ciklobutánban (a négyzetben) több szénatom van, mint a hozzá kapcsolt propilcsoportnál; akkor ezt a vegyületet propil-ciklobutánnak nevezik.

Ha egynél több szubsztituens van, akkor azokat ábécé sorrendben kell megnevezni és oly módon, hogy a lehető legkevesebb helymeghatározó számmal rendelkezzenek. Például b) -nek nevezzük: 1-bróm-4-fluor-2-butil-cikloheptánt (és nem 1-bróm-5-fluor-7-butil-cikloheptánt, ami helytelen lenne).

És végül, ha az alkil-szubsztituensen több szénatom van, mint a gyűrűn, akkor utóbbit úgy mondják, hogy a fő lánc szubsztituens csoportja. Tehát a c) -ot 4-ciklohexil -nonánnak nevezzük.

Szerkezet

Ha helyettesítjük a helyettesített cikloalkánokat, kényelmes csak a szerkezeti bázisukra összpontosítani: a gyűrűkre. Ezeket az első képen ábrázolták.

Ezek megfigyelése téves gondolathoz vezethet, hogy az ilyen molekulák laposak; de a ciklopropán kivételével a felülete "cikcakkódik", és a szén megemelkedik vagy esik ugyanabba a síkhoz képest.

Ennek oka az a tény, hogy kezdetben minden szénnek sp ³ hibridizációja van, és ezért tetraéderes geometriákat mutatnak, 109,5º kötési szögekkel. Ha azonban a gyűrűk geometriáját gondosan megfigyeljük, lehetetlen, hogy ezek a szögek ilyenek legyenek; például a ciklopropán háromszög belsejében a szögek 60º.

Ezt nevezik szögfeszültségnek. Minél nagyobb a gyűrű, annál a szög a CC kötések között közelebb áll 109,5 ° -hoz, ami csökkenti az említett feszültséget és növeli a cikloalkán stabilitását.

Egy másik példa a ciklobután esetében, amelynek kötési szöge 90 °. Már a ciklopentánban annak szöge 108º, és a ciklohexánból azt mondják, hogy a szögfeszültség már nem gyakorol ilyen markáns destabilizáló hatást.

konformációk

A szögterhelésen kívül más tényezők is hozzájárulnak a cikloalkánok által tapasztalt stresszhez.

A CC kötvények nem egyszerűen nem forognak, mivel ez azt jelentené, hogy az egész szerkezet „remegni” fog. Így ezek a molekulák nagyon jól meghatározott térbeli konformációkat képesek elfogadni. Ezeknek a mozgásoknak a célja a hidrogénatomok napfogyatkozása által okozott stressz csökkentése; vagyis amikor egymással szemben vannak.

Például a ciklobután konfigurációi olyan pillangóhoz hasonlítanak, amely szárnyát csapkodja le; a ciklopentán borítékai; a ciklohexán, egy csónak vagy széké, és minél nagyobb a gyűrű, annál nagyobb számot és formát tud felvenni az űrben.

A szék- és hajószerű konformációk közötti inverziók a ciklohexán számára Forrás: Keministi.

A felső kép példát mutat a ciklohexán ilyen konformációira. Vegye figyelembe, hogy a feltételezett lapos hatszög valójában inkább székre (a kép bal oldalán) vagy csónakra (jobb oldalon) néz ki. Az egyik hidrogént piros betű, a másik kék betű jelzi, hogy viszonylagos helyzetük hogyan változik az inverziók után.

Az (1) pontban, amikor a hidrogén merőleges a gyűrű síkjára, azt tengelyirányban tartják; és amikor párhuzamos vele, azt mondják, hogy egyenlítői helyzetben van.

reakciók

A cikloalkánok reakciói ugyanazok, mint az alkánok. Mindkettő tipikus égési reakciók során felesleges oxigén jelenlétében ég, szén-dioxidot és vizet termelve. Hasonlóképpen, mindkettő halogénezésen mehet keresztül, amelyben a hidrogént halogénatom helyettesíti (F, Cl, Br, I).

A ciklopentán reakciói. Forrás: Gabriel Bolívar.

A ciklopentán égési és halogénezési reakcióit a fenti példákkal mutatjuk be. Egy mól elégeti jelenlétében hő és 7,5 mol molekuláris oxigént lebomlani CO ₂ és H ₂ O. Másrészt, az ultraibolya sugárzás jelenlétében és a bróm, helyettesít egy H egy Br, felszabadító gáznemű molekulát írta: HBr.

Alkalmazások

A cikloalkanok felhasználása nagymértékben függ azok szénszámától. A legkönnyebb és ennélfogva gáznemű egykor a közvilágításban használt gázlámpákra táplálták.

A folyadékok másrészt oldószerként használhatók olajok, zsírok vagy nem poláros jellegű termékek előállításához. Ezek közül megemlíthetjük a ciklopentánt, a ciklohexánt és a cikloheptánt. Szintén gyakran használják rutin műveletekben olajlaboratóriumokban vagy üzemanyagok készítésében.

Ha nehezebbek, akkor kenőanyagként is felhasználhatók. Másrészt a gyógyszerek szintézisének kiindulási anyagát is képviselik; mint a karboplatin, amelynek szerkezetében ciklobután gyűrű van.

Példák cikloalkánokra

Végül térünk vissza a cikk elejéhez: a kép több helyettesítetlen cikloalkánnal.

A cikloalkánok memorizálásához gondoljon csak a geometriai ábrákra: háromszög (ciklopropán), négyzet (ciklobután), ötszög (ciklopentán), hatszög (ciklohexán), heptagon (cikloheptán), dekagon (ciklodekan), pentadekagon (ciklopentadecan)..

Minél nagyobb a gyűrű, annál kevésbé hasonlít a megfelelő geometriai alakjára. Már láttuk, hogy a ciklohexán nem más, mint egy hatszög; ugyanez nyilvánvalóbb a ciklotetradecán esetében (tizennégy szénatom).

Elérkezik egy olyan pont, ahol úgy viselkednek, mint a nyakláncok, amelyeket össze lehet hajtani, hogy minimalizálják a kapcsolatok és az árnyékolások feszültségét.

Irodalom

1. Morrison, RT és Boyd, R, N. (1987). Szerves kémia. 5. kiadás. Szerkesztői Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Szerves kémia. (Hatodik kiadás). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Szerves kémia. Aminok. (10. kiadás). Wiley Plus.
4. Kémia LibreTexts. (2019. június 2.). Cikloalkánok elnevezése. Helyreállítva: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cikloalkán-. Helyreállítva: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Bemutatjuk az alkánokat és a cikloalkánokat. Helyreállítva: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformációk és cikloalkánok. Szerves Kémia Mester. Helyreállítva: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (Sf). Cikloalkánok-elmélet. Szerves kémia. Helyreállítva: quimicaorganica.org