CIKLOALKANAI: SAVYBĖS, REAKCIJOS, PANAUDOJIMAS, PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025

Kad cikloalkanai yra sotieji angliavandeniliai, kurių bendra formulė C šeimos _n H _2n sutampanti su olefinų polimerai; tuo skirtumu, kad akivaizdų neprisotinimą lemia ne dviguba jungtis, o žiedas ar ciklas. Štai kodėl jie laikomi alkenų izomerais.

Jie susidaro, kai linijiniai alkanai prisijungia prie jų grandinių galų ir sukuria uždarą struktūrą. Kaip ir alkanai, cikloalkanai gali turėti skirtingą dydį, molekulinę masę, pakaitalus ar net sistemas, sudarytas iš daugiau nei vieno žiedo (policiklinio).

Kai kurie monocikliniai cikloalkanai. Šaltinis: „Mephisto“ spa per Vikipediją.

Priešingu atveju chemiškai ir fiziškai jie yra panašūs į alkanus. Jie turi tik anglį ir vandenilį, yra neutralios molekulės, todėl sąveikauja Van der Walls jėgų dėka. Jie taip pat tarnauja kaip kuras, išskirdami šilumą degant deguoniui.

Kodėl cikloalkanai yra nestabilesni nei jų atvirosios grandinės kolegos? Priežastį galima įtarti iš aukščiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotų cikloalkanų pavyzdžių iš paukščio skrydžio: ten yra sterinė (erdvinė) įtampa ir kliūtys.

Atminkite, kad kuo mažiau angliavandenilių yra (išvardyta mėlyna spalva), tuo uždaresnė struktūra; o priešingai - kai jų padaugėja, jie tampa tarsi karoliai.

Maži cikloalkanai yra dujiniai, o didėjant jų dydžiams, didėja ir jų tarpmolekulinės jėgos. Taigi tai gali būti skysčiai, galintys ištirpinti riebalus ir apoliarines molekules, tepalai arba kietosios medžiagos, pasižyminčios tamsiomis spalvomis ir tokiomis savybėmis kaip asfaltas.

Fizinės ir cheminės savybės

Poliškumas

Kadangi atomai, kurie patys savaime nesiskiria per daug elektronegatyvumo, sudaryti tik iš anglies ir vandenilio, tai daro cikloalkano molekules apoliarias ir todėl neturi dipolio momento.

Jie negali sąveikauti per dipolio-dipolio jėgas, bet ypač priklauso nuo Londono jėgų, kurios yra silpnos, tačiau didėjant molekulinei masei. Štai kodėl maži cikloalkanai (turintys mažiau nei penkis anglies atomus) yra dujiniai.

Tarpmolekulinės sąveikos

Kita vertus, kadangi jie yra žiedai, cikloalkanai turi didesnį sąlyčio plotą, o tai skatina Londono jėgas tarp jų molekulių. Taigi, jie geriau grupuojasi ir sąveikauja, palyginti su alkanais; taigi jos virimo ir lydymosi temperatūra yra aukštesnė.

Be to, kadangi jie turi du vandenilio atomus, mažiau (C _n H _2N už cikloalkanai ir C _n H _{2n + 2} už alkanai), jie yra lengvesni; ir pridėjus prie jo didesnio sąlyčio ploto, sumažėja jo molekulių užimamas tūris, todėl jie yra tankesni.

Sotumas

Kodėl cikloalkanai klasifikuojami kaip prisotinti angliavandeniliai? Nes jie neturi būdo įtraukti vandenilio molekulę; nebent žiedas būtų atidarytas, tokiu atveju jie taptų paprastais alkanais. Kad angliavandenilis būtų laikomas prisotintu, jame turi būti kuo daugiau CH jungčių.

Stabilumas

Chemiškai jie labai panašūs į alkanus. Jie abu turi CC ir CH obligacijas, kurias nėra taip lengva sulaužyti, norint gaminti kitus produktus. Tačiau santykinis jų stabilumas skiriasi, o tai galima eksperimentiškai patikrinti išmatuojant jų degimo šilumą (ΔH _šukas ).

Pavyzdžiui, lygindami propano ir ciklopropano combH _šukas (paveikslėlyje pavaizduotas trikampis), turite atitinkamai 527,4 kcal / mol ir 498,9 kcal / mol.

Detalus yra tai, kad ciklopropano, remiantis degimo iš alkanų įkaista, turėtų turėti mažesnį ΔH _šukas (471 kcal / mol), nes jie yra tris metileno grupių, CH ₂ ; tačiau iš tikrųjų jis išskiria daugiau šilumos, atspindėdamas didesnį nestabilumą, nei apskaičiuota. Tuomet teigiama, kad ši energijos perteklius atsirado dėl žiedo įtempių.

Ir iš tikrųjų šie įtempimai reguliuoja ir diferencijuoja cikloalkanų reaktyvumą ar stabilumą alkanų atžvilgiu nuo specifinių reakcijų. Kol įtempiai nėra labai dideli, cikloalkanai yra linkę būti stabilesni nei jų atitinkami alkanai.

Nomenklatūra

Keletas pakeistų cikloalkanų pavyzdžių nomenklatūros taisyklėms išbandyti. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

IUPAC cikloalkanų nomenklatūra mažai kuo skiriasi nuo alkanų. Paprasčiausia taisyklė yra prieš ciklą pridėti prie alkano, iš kurio susidaro cikloalkanas, pavadinimą.

Tokiu būdu, pavyzdžiui, iš n-heksano, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cikloheksano yra gaunamas (atstovauja į pirmojo vaizdo šešiakampio). Tas pats atsitinka su ciklopropanu, ciklobutanu ir kt.

Tačiau šie junginiai gali pakeisti vieną iš savo vandenilių. Kai anglies skaičius žiede yra didesnis nei alkilo pakaitalų, žiedas laikomas pagrindine grandine; tai yra aukščiau esančio paveikslėlio a) atvejis.

Atkreipkite dėmesį, kad a) ciklobutanas (kvadratas) turi daugiau anglies nei prie jo prijungta propilo grupė; tada šis junginys pavadintas propilciklobutanu.

Jei yra daugiau nei vienas pakaitalas, jie turėtų būti pavadinti abėcėlės tvarka taip, kad jie turėtų mažiausią įmanomą lokaatoriaus numerį. Pavyzdžiui, b) vadinamas: 1-brom-4-fluor-2-butilcikloheptanu (o ne 1-brom-5-fluor-7-butilcikloheptanu, kuris būtų neteisingas).

Ir galiausiai, kai alkilo pakaitalas turi daugiau anglies nei žiedas, pastarasis tada yra laikomas pagrindinės grandinės pakaitų grupe. Taigi c) yra vadinamas: 4-cikloheksilnonanu.

Struktūra

Palikdami nuošalyje pakeistus cikloalkanus, patogu sutelkti dėmesį tik į jų struktūrinius pagrindus: žiedus. Jie buvo pavaizduoti pirmame paveiksle.

Jų stebėjimas gali sukelti klaidingą mintį, kad tokios molekulės yra plokščios; bet, išskyrus ciklopropaną, jo paviršiai yra „zigzagiški“, o anglai kyla arba krinta tos pačios plokštumos atžvilgiu.

Taip yra dėl to, kad visų angliavandenilių hibridizacija yra sp ³ , todėl juose yra tetraedrinės geometrijos, kurių jungties kampai yra 109,5º. Jei atidžiai stebite žiedų geometriją, neįmanoma, kad jų kampai būtų tokie; pavyzdžiui, ciklopropano trikampio kampai yra 60º.

Tai vadinama kampiniu įtempiu. Kuo didesni žiedai, tuo kampas tarp CC jungčių yra arčiau 109,5 °, dėl ko sumažėja minėta įtampa ir padidėja cikloalkano stabilumas.

Kitas pavyzdys stebimas ciklobutane, kurio jungties kampai yra 90º. Ciklopentane jo kampai yra 108º, o iš cikloheksano tada sakoma, kad kampinis įtempis nustoja daryti tokį ryškų destabilizuojantį poveikį.

Konformacijos

Be kampinio streso, prie cikloalkanų patiriamo streso prisideda ir kiti veiksniai.

CC obligacijos negali tiesiog suktis, nes tai reikštų, kad visa struktūra „sukris“. Taigi šios molekulės gali priimti labai tiksliai apibrėžtas erdvines konformacijas. Šių judesių tikslas yra sumažinti įtempius, kuriuos sukelia vandenilio atomų užtemimas; tai yra, kai jie yra priešais vienas kitą.

Pvz., Ciklobutano pavidalai primena drugelį, siūlantį sparnus; ciklopentano, voko; cikloheksano, valties ar kėdės, ir kuo didesnis žiedas, tuo didesnį skaičių ir formų jie gali įgauti erdvėje.

Cikloheksano konversijos tarp kėdės ir valties tipo. Šaltinis: Keministi.

Viršutinis paveikslėlis rodo tokių cikloheksano konformacijų pavyzdį. Atkreipkite dėmesį, kad tariamas plokščias šešiakampis iš tikrųjų labiau primena kėdę (paveikslo kairėje) arba valtį (dešinėje). Vieną vandenilį žymi raudona, o kitą - mėlyna raidė, rodanti, kaip keičiasi jų santykinė padėtis po apversimo.

(1), kai vandenilis statmenas žiedo plokštumai, sakoma, kad jis yra ašinėje padėtyje; o kai ji lygiagreti, sakoma, kad ji yra pusiaujo padėtyje.

Reakcijos

Cikloalkanų reakcijos yra tokios pačios kaip ir alkanų. Abi dega esant deguonies pertekliui, vykstant tipinėms degimo reakcijoms, susidarant anglies dioksidui ir vandeniui. Panašiai abu gali būti halogeninti, kuriuose vandenilis yra pakeistas halogeno atomu (F, Cl, Br, I).

Ciklopentano reakcijos. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Ciklopentano degimo ir halogeninimo reakcijos parodytos aukščiau pateiktu pavyzdžiu. Vienas jo molis dega esant šilumai ir 7,5 molių molekulinio deguonies suskyla į CO ₂ ir H ₂ O. Kita vertus, esant ultravioletiniams spinduliams ir bromui, jis pakeičia vieną H vienam Br, išleisdamas dujinę molekulę. pateikė HBr.

Programos

Cikloalkanų naudojimas labai priklauso nuo jų anglies skaičiaus. Lengviausi, taigi dujiniai, kadaise buvo naudojami dujinėms lempoms maitinti viešajame apšvietime.

Kita vertus, skysčiai yra naudojami kaip aliejų, riebalų ar nepolinio pobūdžio komercinių produktų tirpikliai. Tarp jų galima paminėti ciklopentaną, cikloheksaną ir cikloheptaną. Jie taip pat labai dažnai naudojami atliekant įprastas operacijas naftos laboratorijose arba kuriant kurą.

Jei jie yra sunkesni, juos galima naudoti kaip tepalus. Kita vertus, jie taip pat gali būti pradinė medžiaga vaistų sintezei; kaip karboplatina, kurios struktūroje yra ciklobutano žiedas.

Cikloalkanų pavyzdžiai

Galiausiai grįžtame prie straipsnio pradžios: vaizdas su keliais nepakeistais cikloalkanais.

Norėdami įsiminti cikloalkanus, pagalvokite apie geometrines figūras: trikampį (ciklopropanas), kvadratą (ciklobutanas), penkiakampį (ciklopentanas), šešiakampį (cikloheksanas), šešiakampį (cikloheptanas), dekagoną (ciklodekaną), pentadekagoną (ciklopentadekanas) ir sogeną. .

Kuo didesnis žiedas, tuo mažiau jis primena atitinkamą geometrinę figūrą. Jau buvo matyti, kad cikloheksanas yra ne kas kita kaip šešiakampis; tą patį labiau akivaizdu su ciklotetradekanu (keturiolika anglies).

Ateina taškas, kai jie elgsis kaip karoliai, kuriuos galima sulankstyti, kad būtų kuo labiau sumažintos jų sąsajos ir užtemimai.

Nuorodos

1. Morrison, RT ir Boyd, R, N. (1987). Organinė chemija. 5-asis leidimas. Redakcija Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organinė chemija. (Šeštas leidimas). Mc Graw Hill.
3. Grahamas Solomonsas TW, Craigas B. Fryhle'as. (2011). Organinė chemija. Aminai. (10-asis leidimas.). „Wiley Plus“.
4. Chemija „LibreTexts“. (2019 m. Birželio 02 d.). Įvardiję cikloalkanus. Atkurta iš: chem.libretexts.org
5. Vikipedija. (2019 m.). Cikloalkanas. Atkurta iš: en.wikipedia.org
6. Klarkas Džimas. (2015). Pristatome alkanus ir cikloalkanus. Atgauta iš: chemguide.co.uk
7. Jamesas Ashenhurstas. (2019 m.). Konformacijos ir cikloalkanai. Meistras organinėje chemijoje. Atkurta iš: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (sf). Cikloalkanų teorija. Organinė chemija. Atkurta iš: quimicaorganica.org