CYKLOALKANY: VLASTNOSTI, REAKCE, POUŽITÍ, PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Tyto cykloalkany jsou rodina nasycených uhlovodíků s obecným vzorcem C _n H _2n shoduje s alkeny; s tím rozdílem, že zjevné nenasycení není způsobeno dvojnou vazbou, ale kruhem nebo cyklem. Proto jsou považovány za izomery alkenů.

Tito jsou tvořeni když lineární alkanes spojí konce jejich řetězců vytvořit uzavřenou strukturu. Stejně jako u alkanů mohou cykloalkany vykazovat různé velikosti, molekulové hmotnosti, substituce nebo dokonce systémy složené z více než jednoho kruhu (polycyklického).

Některé monocyklické cykloalkany. Zdroj: Mephisto spa prostřednictvím Wikipedie.

Jinak jsou chemicky a fyzicky podobné alkanům. Mají pouze uhlíky a vodíky, jsou neutrální molekuly, a proto interagují pomocí Van der Wallsových sil. Slouží také jako palivo a uvolňují teplo, když hoří v přítomnosti kyslíku.

Proč jsou cykloalkany nestabilnější než jejich protějšky s otevřeným řetězcem? Důvod lze předpokládat z ptačí perspektivy na příklady cykloalkanů znázorněných na obrázku výše: existují sterická (prostorová) napětí a překážky.

Všimněte si, že čím méně uhlíků je (uvedených v modré barvě), tím více je struktura uzavřena; a opak nastane, když se zvýší a stanou se jako náhrdelník.

Malé cykloalkany jsou plynné, a jak se jejich velikost zvětšuje, tak také jejich intermolekulární síly. V důsledku toho to mohou být kapaliny schopné rozpouštět tuky a nepolární molekuly, maziva nebo pevné látky, které sportují tmavé barvy a vlastnosti, jako jsou vlastnosti asfaltu.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Polarita

Tím, že jsou složeny pouze z uhlíku a vodíku, atomů, které se samy o sobě příliš neliší v elektronegativitě, jsou cykloalkanové molekuly nepolární, a proto jim chybí dipólový moment.

Nemohou interagovat prostřednictvím dipól-dipólových sil, ale závisí konkrétně na londýnských silách, které jsou slabé, ale zvyšují se s molekulovou hmotností. Proto jsou malé cykloalkany (s méně než pěti uhlíky) plynné.

Intermolekulární interakce

Na druhé straně, protože jsou to kruhy, cykloalkany mají větší kontaktní plochu, což zvýhodňuje londýnské síly mezi jejich molekulami. Seskupují se a interagují lépe ve srovnání s alkany; a proto jsou jeho teploty varu a teploty tání vyšší.

Také, protože mají dva méně vodíkové atomy (C _n H _2n pro cykloalkany a C _n H _{2n + 2} pro alkany), jsou lehčí; a k tomu přidává skutečnost, že jeho větší kontaktní plocha, objem obsazený jeho molekulami klesá, a proto jsou hustší.

Nasycení

Proč jsou cykloalkany klasifikovány jako nasycené uhlovodíky? Protože nemají způsob, jak začlenit molekulu vodíku; pokud by prsten nebyl otevřen, v tom případě by se z nich staly jednoduché alkany. Aby byl uhlovodík považován za nasycený, musí mít maximální možný počet vazeb CH.

Stabilita

Chemicky jsou velmi podobné alkanům. Oba mají vazby CC a CH, které není tak snadné rozbít na výrobu dalších produktů. Jejich relativní stabilita se však liší, což lze experimentálně ověřit měřením jejich spalovacích teplů (AH _hřeben).

Například při porovnání ΔH _hřebenu pro propan a cyklopropanu (představovaného trojúhelníkem na obrázku) máte 527,4 kcal / mol, respektive 498,9 kcal / mol.

Detail je, že cyklopropan, na základě spalného tepla z alkanů, by měl mít nižší SH _hřeben (471 kcal / mol), protože jsou tři methylenové skupiny, CH ₂; ale ve skutečnosti uvolňuje více tepla, což odráží větší nestabilitu, než se odhadovalo. O této nadbytečné energii se pak říká, že je způsobena napětím uvnitř prstence.

Ve skutečnosti tato napětí řídí a diferencují reaktivitu nebo stabilitu cykloalkanů s ohledem na alkany proti specifickým reakcím. Dokud napětí není příliš vysoké, mají cykloalkany tendenci být stabilnější než jejich příslušné alkany.

Nomenklatura

Některé příklady substituovaných cykloalkanů k testování pravidel nomenklatury. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Nomenklatura IUPAC pro cykloalkany se příliš neliší od nomenklatury pro alkany. Nejjednodušší pravidlo ze všech je předpona cyklo - ke jménu alkanu, ze kterého je cykloalkan tvořen.

Tak, například, z n-hexanu, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ se získá, cyklohexan (zástupci šestiúhelníku na prvním obrázku). Totéž se děje s cyklopropanem, cyklobutanem atd.

Tyto sloučeniny však mohou být substituovány jedním z jejich vodíků. Pokud je počet atomů uhlíku v kruhu větší než počet alkylových substituentů, je kruh považován za hlavní řetězec; to je případ a) výše uvedeného obrázku.

Všimněte si, že v a) cyklobutanu (čtverec) má více uhlíků než k němu připojená propylová skupina; pak je tato sloučenina pojmenována jako propylcyklobutan.

Pokud existuje více než jeden substituent, měly by být pojmenovány v abecedním pořadí a takovým způsobem, aby měly co nejmenší počet lokátorů. Například, b) se nazývá: 1-brom-4-fluor-2-butylcykloheptan (a ne 1-brom-5-fluor-7-butylcykloheptan, což by bylo nesprávné).

A konečně, pokud má alkylový substituent více atomů uhlíku než kruh, potom se tento kruh považuje za substituční skupinu hlavního řetězce. Tedy, c) se nazývá: 4-cyklohexylnonan.

Struktura

Ponecháme-li stranou substituované cykloalkany, je výhodné soustředit se pouze na jejich strukturální základy: kruhy. Ty byly vyobrazeny na prvním obrázku.

Jejich pozorování může vést k falešné představě, že takové molekuly jsou ploché; ale s výjimkou cyklopropanu jsou jeho povrchy „klikaté“, uhlíky stoupají nebo klesají ve vztahu ke stejné rovině.

To je způsobeno tím, že na začátku se všechny uhlíky mají sp ³ hybridizaci, a proto současné čtyřboké geometrií s valenčními úhly 109.5º. Ale pokud je geometrie prstenů pečlivě dodržována, je nemožné, aby jejich úhly byly tyto; například úhly uvnitř cyklopropanového trojúhelníku jsou 60 °.

Toto je známé jako úhlové napětí. Čím větší jsou kroužky, úhel mezi CC vazbami je blíže 109,5 °, což způsobuje snížení uvedeného napětí a zvýšení stability cykloalkanu.

Další příklad je pozorován v cyklobutanu, jehož vazebné úhly jsou 90 °. Již v cyklopentanu jsou jeho úhly 108 ° a z cyklohexanu se pak říká, že úhlové napětí přestává vykazovat takový výrazný destabilizační účinek.

Konformace

Kromě úhlového stresu existují další faktory, které přispívají ke stresu, který zažívají cykloalkany.

CC vazby se nemohou jednoduše otáčet, protože by to znamenalo, že by se celá struktura „otřásla“. Tyto molekuly tak mohou přijmout velmi dobře definované prostorové konformace. Účelem těchto pohybů je snížit napětí způsobená zatměním atomů vodíku; to znamená, když jsou proti sobě.

Například konformace pro cyklobutan připomínají motýla mávající křídly; ty z cyklopentanu, obálka; ty z cyklohexanu, člunu nebo židle a čím větší prsten, tím větší počet a tvary mohou mít v prostoru.

Inverze mezi křeslovým a člunovým tvarem pro cyklohexan. Zdroj: Keministi.

Horní obrázek ukazuje příklad takových konformací pro cyklohexan. Všimněte si, že předpokládaný plochý šestiúhelník vypadá spíše jako židle (vlevo od obrázku) nebo člun (vpravo). Jeden vodík je reprezentován červeným písmenem a druhým modrým písmenem, které označuje, jak se jejich relativní pozice mění po inverzi.

V (1), když je vodík kolmý na rovinu kruhu, je řečeno, že je v axiální poloze; a když je s ní rovnoběžná, říká se, že je v rovníkové poloze.

Reakce

Reakce, kterým mohou cykloalkany procházet, jsou stejné jako u alkanů. Při typických spalovacích reakcích hoří v přítomnosti přebytečného kyslíku za vzniku oxidu uhličitého a vody. Obě skupiny mohou rovněž podstoupit halogenace, ve kterých je vodík nahrazen atomem halogenu (F, Cl, Br, I).

Reakce cyklopentanu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Spalovací a halogenační reakce pro cyklopentan jsou znázorněny na příkladu výše. Jeden mol hoří v přítomnosti tepla a 7,5 molů molekulárního kyslíku rozkládat na CO ₂ a H ₂ O. Na druhé straně, v přítomnosti ultrafialového záření a brom, nahrazuje jeden H na jeden Br, uvolňovat plynné molekuly autorem HBr.

Aplikace

Použití cykloalkanů je vysoce závislé na jejich počtu uhlíku. Nejlehčí, a proto plynné, byly kdysi používány k napájení plynových lamp ve veřejném osvětlení.

Kapaliny mají naproti tomu pomůcky jako rozpouštědla pro oleje, tuky nebo komerční produkty nepolární povahy. Z nich lze zmínit cyklopentan, cyklohexan a cykloheptan. Používají se také velmi často v rutinních provozech v ropných laboratořích nebo při formulaci paliv.

Pokud jsou těžší, mohou být použity jako maziva. Na druhé straně mohou také představovat výchozí materiál pro syntézu léčiv; jako karboplatina, která ve své struktuře obsahuje cyklobutanový kruh.

Příklady cykloalkanů

Nakonec se vracíme na začátek článku: obrázek s několika nesubstituovanými cykloalkany.

Chcete-li si zapamatovat cykloalkany, přemýšlejte jen o geometrických obrazcích: trojúhelník (cyklopropan), čtverec (cyklobutan), pentagon (cyklopentan), hexagon (cyklohexan), heptagon (cykloheptan), dekagon (cyklodecan), pentadekagon (cyklopentadekan) atd..

Čím větší je prsten, tím méně se podobá jeho příslušnému geometrickému útvaru. Už bylo vidět, že cyklohexan je něco jiného než hexagon; totéž je patrnější u cyklotetradekanu (čtrnáct uhlíků).

Přichází místo, kde se budou chovat jako náhrdelníky, které lze složit, aby se minimalizovalo napětí jejich vazeb a zatmění.

Reference

1. Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chemie. 5. vydání. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10. vydání.). Wiley Plus.
4. Chemistry LibreTexts. (2. června 2019). Pojmenování cykloalkanů. Obnoveno z: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cykloalkan. Obnoveno z: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Zavádění alkanů a cykloalkanů. Obnoveno z: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformace a cykloalkany. Master Organic Chemistry. Obnoveno z: masterorganchemistry.com
8. Fernández Germán. (sf). Teorie cykloalkanů. Organická chemie. Obnoveno z: quimicaorganica.org