CIKLOALKĀNI: ĪPAŠĪBAS, REAKCIJAS, LIETOJUMI, PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

The cikloalkāniem ir ģimenes piesātinātiem ogļūdeņražiem ar vispārīgo formulu C _n H _2n sakrīt ar alkēnus; ar atšķirību, ka acīmredzamā nepiesātinātība nav saistīta ar divkāršu saiti, bet gan ar gredzenu vai ciklu. Tāpēc tos uzskata par alkēnu izomēriem.

Tie veidojas, kad lineārie alkāni pievienojas ķēžu galiem, lai izveidotu slēgtu struktūru. Tāpat kā alkāniem, cikloalkāniem var būt dažāda lieluma, molekulmasas, aizvietotāji vai pat sistēmas, kas sastāv no vairākiem gredzeniem (policikliskiem).

Daži monocikliski cikloalkāni. Avots: Mephisto spa, izmantojot Wikipedia.

Citādi ķīmiski un fizikāli tie ir līdzīgi alkāniem. Viņiem ir tikai ogleklis un ūdeņradis, tie ir neitrālas molekulas un tāpēc mijiedarbojas ar Van der Walls spēkiem. Tās kalpo arī kā degviela, atbrīvojot siltumu, kad tās deg skābekļa klātbūtnē.

Kāpēc cikloalkāni ir nestabilāki nekā viņu atvērtās ķēdes kolēģi? Iemesls var būt aizdomīgs, skatot cikloalkānu piemērus no putna lidojuma, kas attēloti iepriekš redzamajā attēlā: pastāv steriska (telpiska) spriedze un šķēršļi.

Ņemiet vērā: jo mazāk oglekļa ir (uzskaitīti zilā krāsā), jo slēgtāka struktūra; un palielinās, kļūstot par kaklarotu, un pretēji.

Mazie cikloalkāni ir gāzveida, un, palielinoties to lielumam, palielinās arī to starpmolekulārie spēki. Līdz ar to tie var būt šķidrumi, kas spēj izšķīdināt taukus un polārās molekulas, smērvielas vai cietās vielas, kas rada tumšas krāsas un tādas īpašības kā asfalts.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

Polaritāte

Sastāvot tikai no ogļūdeņražiem un ūdeņražiem, atomiem, kas paši par sevi pārāk neatšķiras pēc elektronegativitātes, tas padara cikloalkāna molekulas apolāras un tāpēc tām trūkst dipola momenta.

Tie nevar mijiedarboties caur dipola-dipola spēkiem, bet ir īpaši atkarīgi no Londonas spēkiem, kas ir vāji, bet palielinās līdz ar molekulāro masu. Tāpēc mazie cikloalkāni (ar mazāk nekā pieciem oglekļa atomiem) ir gāzveida.

Starpmolekulārā mijiedarbība

No otras puses, tā kā cikloalkāniem ir gredzeni, tiem ir lielāks kontakta laukums, kas dod priekšroku Londonas spēkiem starp to molekulām. Tādējādi viņi sagrupējas un mijiedarbojas labāk nekā alkāni; un līdz ar to tā viršanas un kušanas temperatūra ir augstāka.

Turklāt, tā kā tie ir divi mazāk ūdeņraža atomi (C _n H _2N par cikloalkāniem un C _n H _{2n + 2} par alkāniem), tie ir šķiltavas; un, pieskaitot to lielāka kontakta laukuma faktam, samazinās to molekulu aizņemtais tilpums, un tāpēc tie ir blīvāki.

Piesātinājums

Kāpēc cikloalkāni tiek klasificēti kā piesātināti ogļūdeņraži? Tā kā viņiem nav iespējas iekļaut ūdeņraža molekulu; ja vien gredzens netiek atvērts, tādā gadījumā tie kļūtu par vienkāršiem alkāniem. Lai ogļūdeņradi varētu uzskatīt par piesātinātu, tam jābūt pēc iespējas lielākam CH saišu skaitam.

Stabilitāte

Ķīmiski tie ir ļoti līdzīgi alkāniem. Abiem ir CC un CH obligācijas, kuras nav tik viegli salauzt, lai ražotu citus produktus. Tomēr to relatīvā stabilitāte atšķiras, ko eksperimentāli var pārbaudīt, izmērot degšanas siltumu (ΔH _ķemme ).

Piemēram, salīdzinot ΔH _ķemmi propānam un ciklopropānam (attēlā attēlots ar trīsstūri), jums ir attiecīgi 527,4 kcal / mol un 498,9 kcal / mol.

Sīkāka informācija, ir tā, ka ciklopropângrupas, pamatojoties uz karsēšanas sadedzināšanu, alkāniem, vajadzētu būt zemāks SH _comb (471 kcal / mol), jo tie ir trīs metilēngrupas, CH ₂ ; bet patiesībā tas izdala vairāk siltuma, atspoguļojot lielāku nestabilitāti, nekā aprēķināts. Pēc tam tiek teikts, ka šī enerģijas pārpalikuma iemesls ir spriegumi gredzenā.

Un faktiski šie spriedzes ietekmē un atšķir cikloalkānu reaģētspēju vai stabilitāti attiecībā pret alkāniem pret specifiskām reakcijām. Kamēr spriegumi nav ļoti lieli, cikloalkāni mēdz būt stabilāki nekā to attiecīgie alkāni.

Nomenklatūra

Daži aizvietotu cikloalkānu piemēri nomenklatūras noteikumu pārbaudei. Avots: Gabriel Bolívar.

IUPAC cikloalkānu nomenklatūra daudz neatšķiras no alkānu nomenklatūras. Visvienkāršākais noteikums ir piestiprināt ciklo- līdz alkāna nosaukumam, no kura veidojas cikloalkāns.

Tā, piemēram, no n-heksāna, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cikloheksāna iegūst (pārstāvis sešstūris pirmajā attēlā). Tas pats notiek ar ciklopropānu, ciklobutānu utt.

Tomēr šie savienojumi var tikt aizstāti ar kādu no to ūdeņražiem. Ja oglekļa atomu skaits gredzenā ir lielāks nekā alkil aizvietotāju skaits, gredzenu ņem par galveno ķēdi; tas attiecas uz a) attēlu iepriekš.

Ņemiet vērā, ka a) ciklobutānā (kvadrātā) ir vairāk oglekļa nekā tajā pievienotā propilgrupa; tad šo savienojumu sauc par propilciklobutānu.

Ja ir vairāk nekā viens aizvietotājs, tie jānosauc alfabēta secībā un tādā veidā, lai tiem būtu mazākais iespējamais lokatora numurs. Piemēram, b) sauc par: 1-brom-4-fluor-2-butilcikloheptānu (un nevis par 1-brom-5-fluor-7-butilcikloheptānu, kas būtu nepareizi).

Visbeidzot, ja alkil-aizvietotājam ir vairāk oglekļa nekā gredzenam, tad pēdējais tiek uzskatīts par galvenās ķēdes aizvietotāju grupu. Tādējādi c) sauc par 4-cikloheksilnonānu.

Uzbūve

Atstājot malā aizvietotos cikloalkānus, ir ērti koncentrēties tikai uz to strukturālajām pamatnēm: gredzeniem. Tie tika attēloti pirmajā attēlā.

To ievērošana var radīt maldīgu domu, ka šādas molekulas ir plakanas; bet, izņemot ciklopropānu, tā virsmas ir "zigzagging", oglekļiem pieaugot vai krītot attiecībā pret to pašu plakni.

Tas ir saistīts ar faktu, ka vispirms visiem oglekļiem ir sp ³ hibridizācija , un tāpēc tiem ir tetraedriskas ģeometrijas ar saites leņķi 109,5 °. Bet, ja tiek rūpīgi novērota gredzenu ģeometrija, nav iespējams, ka to leņķi ir šādi; piemēram, leņķi ciklopropāna trīsstūrī ir 60 °.

Tas ir tas, ko sauc par leņķisko stresu. Jo lielāki gredzeni, jo leņķis starp CC saitēm ir tuvāk 109,5 °, kas izraisa minētā spriedzes samazināšanos un cikloalkāna stabilitātes palielināšanos.

Cits piemērs ir novērojams ciklobutānā, kura saites leņķi ir 90 °. Ciklopentānā tā leņķi ir 108º, un no cikloheksāna tiek teikts, ka leņķiskais spriegums vairs nerada tik izteiktu destabilizējošu efektu.

Pārveidojumi

Papildus leņķiskajam spriegumam ir arī citi faktori, kas veicina stresu, ko izjūt cikloalkāni.

CC obligācijas nevar vienkārši pagriezt, jo tas nozīmētu, ka visa struktūra “satricinātu”. Tādējādi šīs molekulas var pieņemt ļoti precīzi noteiktas telpiskās pārvērtības. Šo kustību mērķis ir samazināt stresu, ko rada ūdeņraža atomu aptumsums; tas ir, kad tie atrodas viens otram pretī.

Piemēram, ciklobutāna pārveidojumi atgādina tauriņu, kas spārno spārnus; ciklopentāna, aploksnes; cikloheksāna, laivu vai krēslu, un, jo lielāks ir gredzens, jo lielāku skaitu un formas tie var uzņemt telpā.

Apgriezieni starp cikloheksāna krēslam un laivai līdzīgu uzbūvi. Avots: Keministi.

Augšējā attēlā parādīts šādu cikloheksāna pārveidojumu piemērs. Ņemiet vērā, ka domājams plakans sešstūris drīzāk izskatās pēc krēsla (attēla kreisajā pusē) vai laivas (labajā pusē). Vienu ūdeņradi apzīmē sarkans burts, bet otru - zils burts, lai norādītu, kā mainās to relatīvās pozīcijas pēc apgriezieniem.

(1) gadījumā, kad ūdeņradis ir perpendikulārs gredzena plaknei, tiek teikts, ka tas atrodas aksiālā stāvoklī; un kad tas atrodas paralēli tam, tiek teikts, ka tas atrodas ekvatoriālajā stāvoklī.

Reakcijas

Reakcijas, kurās var notikt cikloalkāni, ir tādas pašas kā alkāniem. Abas sadedzina skābekļa pārpalikuma klātbūtnē tipiskās degšanas reakcijās, veidojot oglekļa dioksīdu un ūdeni. Tāpat abi var veikt halogenēšanu, kurā ūdeņradi aizvieto ar halogēna atomu (F, Cl, Br, I).

Ciklopentāna reakcijas. Avots: Gabriel Bolívar.

Ciklopentāna sadegšanas un halogenēšanas reakcijas parādītas iepriekš sniegtajā piemērā. Viens mols no tā sadeg siltuma un 7,5 molu molekulārā skābekļa klātbūtnē, lai sadalītos CO ₂ un H ₂ O. No otras puses, ultravioletā starojuma un broma klātbūtnē tas aizvieto vienu H vienam Br, atbrīvojot gāzveida molekulu. autors HBr.

Lietojumprogrammas

Cikloalkānu izmantošana ir ļoti atkarīga no to oglekļa skaita. Visvieglākie un tāpēc gāzveida kādreiz tika izmantoti gāzes lampu darbināšanai publiskajā apgaismojumā.

Šķidrumi, savukārt, ir noderīgi kā šķīdinātāji eļļām, taukiem vai nepolāra rakstura komerciāliem produktiem. Starp tiem var minēt ciklopentānu, cikloheksānu un cikloheptānu. Tos ļoti bieži izmanto arī ikdienas darbībās naftas laboratorijās vai degvielu pagatavošanā.

Ja tie ir smagāki, tos var izmantot kā smērvielas. No otras puses, tie var būt arī izejmateriāls zāļu sintēzei; piemēram, karboplatīns, kura struktūrā ir ciklobutāna gredzens.

Cikloalkānu piemēri

Visbeidzot, mēs atgriežamies pie raksta sākuma: attēls ar vairākiem neaizvietotiem cikloalkāniem.

Cikloalkānu iegaumēšanai, padomājiet tikai par ģeometriskajām figūrām: trīsstūris (ciklopropāns), kvadrāts (ciklobutāns), piecstūris (ciklopentāns), sešstūris (cikloheksāns), sešstūris (cikloheptāns), dekagons (ciklodekāns), pentadekagons (ciklopentadekāns) un sogentokāns. .

Jo lielāks gredzens, jo mazāk tas atgādina tā attiecīgo ģeometrisko figūru. Jau bija redzams, ka cikloheksāns ir nekas cits kā sešstūris; tas pats ir acīmredzamāks ar ciklotetradekānu (četrpadsmit oglekļiem).

Pienāk brīdis, kad viņi izturēsies kā ar kaklarotām, kuras var salocīt, lai mazinātu saišu un aptumšojumu spriegumu.

Atsauces

1. Morisons, RT un Boids, R., N. (1987). Organiskā ķīmija. 5. izdevums. Redakcijas Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organiskā ķīmija. (Sestais izdevums). Mc Graw Hill.
3. Grehems Solomons TW, Kreigs B. Frīls. (2011). Organiskā ķīmija. Amīni. (10. izdevums.). Wiley Plus.
4. Ķīmija LibreTexts. (2019. gada 2. jūnijs). Cikloalkānu nosaukšana. Atgūts no: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019. gads). Cikloalkāns. Atgūts no: en.wikipedia.org
6. Klarks Džims. (2015). Iepazīstinām ar alkāniem un cikloalkāniem. Atgūts no: chemguide.co.uk
7. Džeimss Ašenhursts. (2019. gads). Pārveidojumi un cikloalkāni. Organiskās ķīmijas maģistrs. Atgūts no: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (sf). Cikloalkānu teorija. Organiskā ķīmija. Atgūts no: quimicaorganica.org