SYKLOALKANER: EGENSKAPER, REAKSJONER, BRUK, EKSEMPLER - KJEMI - 2025

De cykloalkaner er en familie av mettede hydrokarboner med en generell formel av C _n H _2n faller sammen med alkener; med den forskjellen at den tilsynelatende umettingen ikke skyldes en dobbeltbinding, men på en ring eller syklus. Det er derfor de regnes som isomerer av alkener.

Disse dannes når lineære alkaner går sammen i endene av kjedene for å skape en lukket struktur. Som med alkaner, kan cykloalkaner ha forskjellige størrelser, molekylmasser, substitusjoner eller til og med systemer som består av mer enn en ring (polysyklisk).

Noen monocykliske sykloalkaner. Kilde: Mephisto spa via Wikipedia.

Ellers ligner de kjemisk og fysisk på alkaner. De har bare karbonatomer og hydrogener, er nøytrale molekyler og samvirker derfor ved hjelp av Van der Walls krefter. De tjener også som drivstoff og frigjør varme når de brenner i nærvær av oksygen.

Hvorfor er sykloalkaner mer ustabile enn kollegene med åpen kjede? Årsaken kan mistenkes fra et fugleperspektiv av eksemplene på cycloalkanes representert på bildet over: det er steriske (romlige) spenninger og hindringer.

Merk at jo færre karbonhydrater det er (oppført i blått), jo mer lukket er strukturen. og det motsatte oppstår når de øker og blir som et kjede.

Små cykloalkaner er gassformige, og når størrelsen øker, gjør også de intermolekylære kreftene. Følgelig kan de være væsker som er i stand til å løse opp fett og apolare molekyler, smøremidler eller faste stoffer som gir mørke farger og egenskaper som asfalt.

Fysiske og kjemiske egenskaper

polaritet

Ved å være sammensatt av karbon og hydrogel, atomer som i seg selv ikke skiller seg for mye i elektronegativitet, gjør dette at cykloalkanmolekylene er apolare og derfor mangler dipolmoment.

De kan ikke samhandle gjennom dipol-dipol-krefter, men er spesielt avhengige av London-kreftene, som er svake, men øker med molekylmasse. Det er grunnen til at små cykloalkaner (med mindre enn fem karbonatomer) er gassformige.

Intermolekylære interaksjoner

På den annen side, siden de er ringer, har cykloalkaner et større kontaktområde, som favoriserer London-styrkene mellom molekylene deres. Dermed grupperer og samhandler de på en bedre måte sammenlignet med alkaner; og dermed er kokepunktet og smeltepunktene høyere.

Siden de har to færre hydrogenatomer (C _n H _2n for cycloalkanes og C _n H _{2n + 2} for alkaner), er de lettere; og legge til dette faktumet med dets større kontaktområde, reduseres volumet som opptas av molekylene, og derfor er de mer tette.

metning

Hvorfor klassifiseres cykloalkaner som mettede hydrokarboner? Fordi de ikke har en måte å innlemme et hydrogenmolekyl; med mindre ringen åpnes, i hvilket tilfelle vil de bli enkle alkaner. For at et hydrokarbon skal regnes som mettet, må det ha et maksimalt antall CH-bindinger.

Stabilitet

Kjemisk ligner de veldig på alkaner. Begge har CC- og CH-obligasjoner, som ikke er så lett å bryte for å produsere andre produkter. Deres relative stabilitet er imidlertid forskjellig, noe som kan verifiseres eksperimentelt ved å måle forbrenningens varme (ΔH- _kam ).

Når du for eksempel sammenligner ΔH- _kammen for propan og syklopropan (representert med en trekant i bildet), har du henholdsvis 527,4 kcal / mol og 498,9 kcal / mol.

Detaljene er som cyklopropan, basert på varmer forbrennings av alkanene, bør ha en lavere AH _kam (471 kcal / mol), fordi de er tre metylengrupper, CH ₂ ; men i virkeligheten frigjør det mer varme, noe som reflekterer større ustabilitet enn anslått. Denne overskytende energien sies da å skyldes spenningene i ringen.

Og faktisk styrer og differensierer disse spenningene reaktiviteten eller stabiliteten til cykloalkaner, med hensyn til alkaner, mot spesifikke reaksjoner. Så lenge spenningene ikke er veldig høye, har cykloalkaner en tendens til å være mer stabile enn deres respektive alkaner.

nomenklatur

Noen eksempler på substituerte cykloalkaner for å teste nomenklaturreglene. Kilde: Gabriel Bolívar.

IUPAC-nomenklaturen for cycloalkanes skiller seg ikke mye fra for alkaner. Den enkleste regelen av alt er å prefiksere cyclo- til navnet på alkanen som cycloalkane er dannet fra.

Således, for eksempel, fra n-heksan, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cykloheksan oppnås (representert ved en sekskant i det første bildet). Det samme skjer med cyklopropan, cyklobutan osv.

Imidlertid kan disse forbindelsene gjennomgå substitusjoner av en av deres hydrogener. Når antallet karbonatomer i ringen er større enn antallet av alkylsubstituenter, blir ringen tatt som hovedkjeden; dette er tilfelle a) for bildet over.

Legg merke til at i a) har cyclobutan (torget) flere karbonatomer enn propylgruppen festet til den; så blir denne forbindelsen benevnt som propylcyklobutan.

Hvis det er mer enn en substituent, bør de navngis i alfabetisk rekkefølge og på en slik måte at de har så få lokalisasjonsnummer som mulig. For eksempel kalles b): 1-brom-4-fluor-2-butylcykloheptan (og ikke 1-brom-5-fluor-7-butylcykloheptan, noe som ville være feil).

Og til slutt, når alkylsubstituenten har flere karbonatomer enn ringen, sies den sistnevnte å være substituentgruppen i hovedkjeden. Dermed kalles c): 4-cykloheksylnonan.

Struktur

Etterlatt de substituerte cykloalkanene, er det praktisk å fokusere bare på deres strukturelle baser: ringene. Disse ble avbildet i det første bildet.

Å observere dem kan føre til den falske ideen om at slike molekyler er flate; men med unntak av syklopropan, er overflatene "sikksagging", med karbon som stiger eller faller i forhold til samme plan.

Dette skyldes det faktum at til å begynne med har alle karbonatomer sp ³ hybridisering , og presenterer derfor tetraedriske geometrier med bindingsvinkler på 109,5º. Men hvis geometrien til ringene overholdes nøye, er det umulig at deres vinkler er disse; for eksempel er vinklene i cyclopropan-trekanten 60º.

Dette er det som kalles kantet stress. Jo større ringene er, er vinkelen mellom CC-bindingene nærmere 109,5 °, noe som forårsaker en reduksjon i nevnte spenning og en økning i stabilitet for syklokalkaan.

Et annet eksempel er observert i cyclobutan, hvis bindingsvinkler er 90º. Allerede i cyclopentan er dens vinkler 108º, og fra cyclohexane sies det da at vinkelspenningen slutter å utøve en så markant destabiliserende effekt.

conformations

I tillegg til kantet stress, er det andre faktorer som bidrar til stress som sykloalkaner opplever.

CC-obligasjonene kan ikke bare rotere, da dette ville innebære at hele strukturen ville "riste". Dermed kan disse molekylene innta meget veldefinerte romlige konformasjoner. Hensikten med disse bevegelsene er å redusere belastningene forårsaket av formørkelsen av hydrogenatomene; det vil si når de er overfor hverandre.

For eksempel ligner konformasjonene for cyklobutan en sommerfugl som klaffer vingene sine; de av cyclopentan, en konvolutt; de av sykloheksan, en båt eller en stol, og jo større ringen er, desto større er antall og former de kan ta i rommet.

Inversjoner mellom stollignende og båtlignende konstruksjon for sykloheksan. Kilde: Keministi.

Det øverste bildet viser et eksempel på slike konformasjoner for cykloheksan. Legg merke til at den antatte flate sekskanten faktisk ser mer ut som en stol (til venstre på bildet) eller en båt (til høyre). Ett hydrogen er representert med en rød bokstav, og en annen med en blå bokstav for å indikere hvordan deres relative posisjoner endres etter inversjonene.

I (1), når hydrogen er vinkelrett på ringets plan, sies det å være i aksial stilling; og når det er parallelt med det, sies det å være i ekvatorialstilling.

reaksjoner

Reaksjonene som cycloalkanes kan gjennomgå er de samme som for alkaner. Begge brenner i nærvær av overflødig oksygen i typiske forbrenningsreaksjoner for å produsere karbondioksid og vann. På samme måte kan begge gjennomgå halogeneringer, der et hydrogen erstattes av et halogenatom (F, Cl, Br, I).

Reaksjoner av cyklopentan. Kilde: Gabriel Bolívar.

Forbrennings- og halogeneringsreaksjoner for cyklopentan er vist som eksempel ovenfor. Et mol av det brenner i nærvær av varme og 7,5 mol molekylært oksygen for å dekomponere til CO ₂ og H ₂ O. På den annen side, i nærvær av ultrafiolett stråling og brom, den erstatter ett H-atom i en Br, frigjøring av en gassformet molekyl av HBr.

applikasjoner

Bruken av cykloalkaner er veldig avhengig av karbonantallet. De letteste, og derfor gassformige, ble en gang brukt til å drive gasslamper i offentlig belysning.

Væsker har derimot verktøy som løsemidler for oljer, fett eller kommersielle produkter av ikke-polar karakter. Blant disse kan nevnes cyklopentan, cykloheksan og cykloheptan. De brukes også veldig ofte i rutinemessige operasjoner i oljelaboratorier, eller i formulering av drivstoff.

Hvis de er tyngre, kan de brukes som smøremidler. På den annen side kan de også representere startmaterialet for syntesen av medisiner; som karboplatin, som inkluderer en cyklobutanring i strukturen.

Eksempler på cykloalkaner

Til slutt kommer vi tilbake til begynnelsen av artikkelen: bildet med flere usubstituerte cykloalkaner.

For å huske sykloalkaner, bare tenk på de geometriske figurene: trekant (syklopropan), firkant (cyklobutan), femkant (syklopentan), heksagon (sykloheksan), heptagon (cykloheptan), dekagon (syklodekan), pentadekagon (cyklopentadekan), og så videre. .

Jo større ring, jo mindre ligner den geometriske figuren. Det har allerede blitt sett at cykloheksan er alt annet enn en sekskant; det samme er tydeligere med syklotetradekan (fjorten karbon).

Det kommer et punkt hvor de vil oppføre seg som kjeder som kan brettes for å minimere belastningen på koblingene og formørkelsen.

referanser

1. Morrison, RT og Boyd, R, N. (1987). Organisk kjemi. 5. utgave. Redaksjonell Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kjemi. (Sjette utgave). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kjemi. Aminer. (10. utgave.). Wiley Plus.
4. Kjemi LibreTexts. (02. juni 2019). Navngivelse av Cycloalkanes. Gjenopprettet fra: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cykloalkan. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Vi presenterer alkaner og cykloalkaner. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformasjoner og sykloalkaner. Master organisk kjemi. Gjenopprettet fra: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (SF). Sykloalkaner-teori. Organisk kjemi. Gjenopprettet fra: quimicaorganica.org