ЦИКЛОАЛКАНИ: СВОЙСТВА, РЕАКЦИИ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На циклоалкани са семейство от наситени въглеводороди с обща формула на С _п H _2N съвпада с алкени; с тази разлика, че привидното ненасищане не се дължи на двойна връзка, а на пръстен или цикъл. Ето защо те се считат за изомери на алкени.

Те се образуват, когато линейните алкани се присъединят към краищата на техните вериги, за да създадат затворена структура. Както при алканите, циклоалканите могат да проявяват различни размери, молекулни маси, замествания или дори системи, съставени от повече от един пръстен (полицикличен).

Някои моноциклични циклоалкани. Източник: Спа Мефисто чрез Уикипедия.

В противен случай химически и физически те са подобни на алкани. Те имат само въглерод и водород, са неутрални молекули и следователно взаимодействат с помощта на сили на Van der Walls. Те служат и като гориво, като отделят топлина, когато изгарят в присъствието на кислород.

Защо циклоалканите са по-нестабилни от техните колеги с отворена верига? Причината може да се подозира от гледката от птичи поглед на примерите за циклоалкани, представени на изображението по-горе: има стерични (пространствени) напрежения и пречки.

Обърнете внимание, че колкото по-малко са въглеродните газове (изброени в синьо), толкова по-затворена е структурата; и обратното се случва, когато те се увеличават, ставайки като колие.

Малките циклоалкани са газообразни и с увеличаването на размерите им се увеличават и междумолекулните им сили. Следователно, те могат да бъдат течности, способни да разтварят мазнини и неполярни молекули, смазочни материали или твърди вещества, които имат тъмни цветове и качества като тези на асфалта.

Физични и химични свойства

полярност

Тъй като са съставени само от въглеродни и водородни атоми, атомите, които сами по себе си не се различават твърде много по електронегативност, това прави молекулите на циклоалкана аполарни и следователно липсват диполен момент.

Те не могат да си взаимодействат чрез дипол-диполни сили, но зависят конкретно от силите на Лондон, които са слаби, но нарастват с молекулна маса. Ето защо малките циклоалкани (с по-малко от пет въглерода) са газообразни.

Междумолекулни взаимодействия

От друга страна, тъй като са пръстени, циклоалканите имат по-голяма контактна площ, което благоприятства силите на Лондон между техните молекули. По този начин те групират и взаимодействат по-добре в сравнение с алканите; и следователно точките на кипене и топене са по-високи.

Също така, тъй като те имат по-малко два водородни атома (С _п H _2N за циклоалкани и С _п Н _{2n + 2} за алкани), те са по-леки; и добавяйки към това факта на по-голямата си контактна площ, обемът, зает от неговите молекули, намалява и следователно те са по-плътни.

насищане

Защо циклоалканите са класифицирани като наситени въглеводороди? Тъй като те нямат начин да включат водородна молекула; освен ако пръстенът не се отвори, в този случай те биха се превърнали в прости алкани. За да може въглеводородът да се счита за наситен, той трябва да има максимално възможен брой СН връзки.

стабилност

Химически те са много подобни на алкани. И двете имат CC и CH връзки, които не са толкова лесни за разбиване, за да произвеждат други продукти. Относителната им стабилност обаче се различава, което може да се провери експериментално чрез измерване на топлината им на горене (ΔH _гребен).

Например, когато сравнявате ΔH _гребен за пропан и циклопропан (представен с триъгълник на изображението), имате съответно 527,4 kcal / mol и 498,9 kcal / mol.

Детайлът е, че циклопропан, въз основа на топлини на изгаряне на алкани, трябва да има по-ниска АН _гребен (471 ккал / мол), защото те са три метиленови групи, CH ₂; но в действителност той отделя повече топлина, отразявайки по-голяма нестабилност от очакваната. След това се казва, че тази излишна енергия се дължи на напреженията в пръстена.

И всъщност тези напрежения управляват и диференцират реактивността или стабилността на циклоалканите по отношение на алканите спрямо специфични реакции. Докато напреженията не са много високи, циклоалканите са склонни да бъдат по-стабилни от съответните им алкани.

номенклатура

Някои примери за заместени циклоалкани за тестване на правилата за номенклатурата. Източник: Габриел Боливар.

Номенклатурата на IUPAC за циклоалканите не се различава много от тази за алканите. Най-простото правило е да се префиксира цикло- името на алкана, от който се формира циклоалкана.

Така, например, от п-хексан, СН _3, СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₃ се получава, циклохексан (представители шестоъгълник в първия образ). Същото се случва с циклопропан, циклобутан и др.

Тези съединения обаче могат да бъдат подложени на заместване на един от техните хидрогени. Когато броят на въглеродните атоми в пръстена е по-голям от този на алкиловите заместители, пръстенът се приема като основна верига; това е случаят с а) за изображението по-горе.

Обърнете внимание, че в а) циклобутанът (квадратът) има повече въглерод, отколкото пропиловата група, прикрепена към него; тогава това съединение е наименовано като пропилциклобутан.

Ако има повече от един заместител, те трябва да бъдат назовани по азбучен ред и по такъв начин, че да имат възможно най-малко номера на локатор. Например, b) се нарича: 1-бромо-4-флуоро-2-бутилциклохептан (а не 1-бромо-5-флуоро-7-бутилциклохептан, което би било неправилно).

И накрая, когато алкиловият заместител има повече въглеродни атоми от пръстена, последната се казва, че е заместителната група на основната верига. По този начин, с) се нарича: 4-циклохексиленонан.

структура

Оставяйки настрана заместените циклоалкани, е удобно да се съсредоточите само върху техните структурни основи: пръстените. Те са изобразени на първото изображение.

Наблюдаването им може да доведе до фалшивата идея, че такива молекули са плоски; но с изключение на циклопропана, повърхностите му са "зигзагообразни", като въглеродът се издига или пада по отношение на една и съща равнина.

Това се дължи на факта, че за да започне с всички въглеродни атоми са SP ³ хибридизация, и следователно настоящите четиристенните геометрии с ъгли връзка на 109.5º. Но ако внимателно се спазва геометрията на пръстените, невъзможно е ъглите им да са тези; например ъглите в циклопропановия триъгълник са 60 °.

Това е това, което е известно като ъглов стрес. Колкото по-големи са пръстените, ъгълът между СС връзките е по-близо до 109,5 °, което причинява намаляване на споменатото напрежение и увеличаване на стабилността на циклоалкана.

Друг пример се наблюдава при циклобутан, чиито ъгли на свързване са 90 °. Вече в циклопентана ъглите му са 108º, а от циклохексана след това се казва, че ъгловото напрежение престава да упражнява такъв подчертан дестабилизиращ ефект.

конформации

В допълнение към ъгловия стрес има и други фактори, които допринасят за стреса, изпитван от циклоалканите.

CC връзките не могат просто да се въртят, тъй като това означава, че цялата структура ще се „разклати“. По този начин, тези молекули могат да приемат много добре дефинирани пространствени съответствия. Целта на тези движения е да се намалят напреженията, причинени от затъмнението на водородните атоми; т. е. когато са една срещу друга.

Например, съответствията за циклобутан наподобяват пеперуда, размахвайки крилата си; тези от циклопентан, плик; тези на циклохексан, лодка или стол и колкото по-голям е пръстенът, толкова по-голям брой и форми могат да приемат в пространството.

Инверсии между конструкция, наподобяваща стол и лодка за циклохексан. Източник: Keministi.

Горното изображение показва пример за такива конформации за циклохексан. Обърнете внимание, че предполагаемият плосък шестоъгълник всъщност прилича повече на стол (отляво на изображението) или лодка (вдясно). Един водород е представен с червена буква, а друг със синя буква, за да покаже как се променят техните относителни положения след инверсиите.

В (1), когато водородът е перпендикулярен на равнината на пръстена, се казва, че е в аксиално положение; а когато е успореден на него, се казва, че е в екваториална позиция.

реакции

Реакциите, които циклоалканите могат да претърпят, са същите като за алканите. И двете изгарят в присъствието на излишък от кислород при типични реакции на горене, за да се получи въглероден диоксид и вода. По същия начин и двете могат да бъдат подложени на халогенации, при които водородът се замества с халогенен атом (F, Cl, Br, I).

Реакции на циклопентан. Източник: Габриел Боливар.

Реакциите на горене и халогениране на циклопентан са показани като пример по-горе. Един мол от него изгаря в присъствието на топлина и 7,5 мола молекулен кислород, за да се разложи на CO ₂ и H ₂ O. От друга страна, в присъствието на ултравиолетово лъчение и бром, той замества една Н с една Br, освобождавайки газообразна молекула от HBr.

Приложения

Употребата на циклоалкани е силно зависима от въглеродния им брой. Най-леките и следователно газообразни някога са били използвани за захранване на газови лампи в общественото осветление.

Течностите, от друга страна, имат полезни средства като разтворители за масла, мазнини или търговски продукти с неполярно естество. Сред тях може да се спомене циклопентан, циклохексан и циклохептан. Те се използват също много често при рутинни операции в нефтени лаборатории или при формулиране на горива.

Ако са по-тежки, могат да се използват като смазочни материали. От друга страна, те също могат да представляват изходния материал за синтеза на лекарства; като карбоплатин, който включва циклобутанов пръстен в своята структура.

Примери за циклоалкани

Накрая се връщаме към началото на статията: изображението с няколко незаместени циклоалкани.

За да запомните циклоалканите, просто помислете за геометричните фигури: триъгълник (циклопропан), квадрат (циклобутан), пентагон (циклопентан), шестоъгълник (циклохексан), хептагон (циклохептан), декагон (циклодекан), пентадекагон (циклопентадекан) и сондан (циклопентадекан) и др., Колкото по-голям е пръстенът, толкова по-малко прилича на съответната геометрична фигура. Вече се видя, че циклохексанът е всичко друго, но не и шестоъгълник; същото е по-очевидно с циклотетрадекана (четиринадесет въглерода).

Идва момент, в който те ще се държат като колиета, които могат да бъдат сгънати, за да се намалят до минимум напреженията на техните връзки и затъмнения.

Препратки

1. Morrison, RT и Boyd, R, N. (1987). Органична химия. 5-то издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кери Ф. (2008). Органична химия. (Шесто издание). Mc Graw Hill.
3. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10-то издание.) Wiley Plus.
4. Химия LibreTexts. (02 юни 2019 г.). Именуване на циклоалкани. Възстановено от: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Циклоалкан. Възстановено от: en.wikipedia.org
6. Кларк Джим. (2015). Въвеждане на алкани и циклоалкани. Възстановено от: chemguide.co.uk
7. Джеймс Ашенхърст. (2019). Конформации и циклоалкани. Магистър по органична химия. Възстановена от: masterorganicchemistry.com
8. Фернандес Герман. (SF). Циклоалкани-теория. Органична химия. Възстановено от: quimicaorganica.org