ЦИКЛОАЛКАНЫ: СВОЙСТВА, РЕАКЦИИ, ПРИМЕНЕНИЕ, ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2024

В циклоалкана представляют собой семейство насыщенных углеводородов с общей формулой C _п H _2n , совпадающие с алкенами; с той разницей, что кажущаяся ненасыщенность связана не с двойной связью, а с кольцом или циклом. Вот почему их считают изомерами алкенов.

Они образуются, когда линейные алканы соединяют концы своих цепей, создавая замкнутую структуру. Как и алканы, циклоалканы могут иметь разные размеры, молекулярные массы, замещения или даже системы, состоящие из более чем одного кольца (полициклические).

Некоторые моноциклические циклоалканы. Источник: Mephisto spa через Википедию.

В остальном химически и физически они похожи на алканы. Они содержат только атомы углерода и водорода, являются нейтральными молекулами и поэтому взаимодействуют посредством сил Ван-дер-Валлса. Они также служат топливом, выделяя тепло при горении в присутствии кислорода.

Почему циклоалканы более нестабильны, чем их аналоги с открытой цепью? Причину можно предположить с высоты птичьего полета примеров циклоалканов, представленных на изображении выше: существуют стерические (пространственные) напряжения и препятствия.

Обратите внимание: чем меньше атомов углерода (выделено синим цветом), тем более замкнута структура; и наоборот, когда они увеличиваются, становясь подобны ожерелью.

Маленькие циклоалканы газообразны, и по мере увеличения их размеров увеличиваются и их межмолекулярные силы. Следовательно, это могут быть жидкости, способные растворять жиры и неполярные молекулы, смазочные материалы или твердые вещества темного цвета и качества, как у асфальта.

Физические и химические свойства

полярность

Поскольку они состоят только из атомов углерода и водорода, которые сами по себе не слишком сильно различаются по электроотрицательности, это делает молекулы циклоалкана неполярными и, следовательно, лишенными дипольного момента.

Они не могут взаимодействовать посредством диполь-дипольных сил, но зависят конкретно от сил Лондона, которые слабы, но увеличиваются с увеличением молекулярной массы. Вот почему небольшие циклоалканы (с числом атомов углерода менее пяти) являются газообразными.

Межмолекулярные взаимодействия

С другой стороны, поскольку циклоалканы являются кольцами, они имеют большую площадь контакта, что благоприятствует лондонским силам между их молекулами. Таким образом, они лучше группируются и взаимодействуют по сравнению с алканами; и, следовательно, его температуры кипения и плавления выше.

Кроме того, поскольку они имеют на два атома водорода меньше (C _n H _2n для циклоалканов и C _n H _{2n + 2} для алканов), они легче; а если добавить к этому факт большей площади контакта, то объем, занимаемый его молекулами, уменьшается, и, следовательно, они становятся более плотными.

насыщение

Почему циклоалканы классифицируются как насыщенные углеводороды? Потому что у них нет способа включить молекулу водорода; если кольцо не открывается, в этом случае они превратятся в простые алканы. Чтобы углеводород считался насыщенным, он должен иметь максимально возможное количество связей CH.

стабильность

По химическому составу они очень похожи на алканы. Оба имеют связи CC и CH, которые не так просто разорвать, чтобы произвести другие продукты. Однако их относительная стабильность различается, что можно проверить экспериментально, измерив их теплоту сгорания (ΔH _comb ).

Например, при сравнении _{гребенки} ΔH для пропана и циклопропана (представленной треугольником на изображении) вы получите 527,4 ккал / моль и 498,9 ккал / моль соответственно.

Суть в том, что циклопропан, исходя из теплоты сгорания алканов, должен иметь более низкую ΔH _comb (471 ккал / моль), потому что это три метиленовые группы, CH ₂ ; но на самом деле он выделяет больше тепла, что свидетельствует о большей нестабильности, чем предполагалось. Тогда говорят, что эта избыточная энергия вызвана напряжениями внутри кольца.

Фактически, эти напряжения определяют и различают реакционную способность или стабильность циклоалканов по отношению к алканам в отношении конкретных реакций. Пока напряжения не очень высоки, циклоалканы имеют тенденцию быть более стабильными, чем их соответствующие алканы.

Номенклатура

Некоторые примеры замещенных циклоалканов для проверки правил номенклатуры. Источник: Габриэль Боливар.

Номенклатура циклоалканов IUPAC не сильно отличается от номенклатуры алканов. Самое простое правило - добавлять к названию алкана, из которого образуется циклоалкан, приставку «цикло».

Так, например, из н-гексана, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ получается циклогексан (представлен шестиугольником на первом изображении). То же самое происходит с циклопропаном, циклобутаном и т. Д.

Однако эти соединения могут подвергаться замене одного из своих атомов водорода. Когда количество атомов углерода в кольце больше, чем количество алкильных заместителей, кольцо считается основной цепью; это случай а) для изображения выше.

Обратите внимание, что в а) циклобутан (квадрат) имеет больше атомов углерода, чем присоединенная к нему пропильная группа; тогда это соединение называют пропилциклобутаном.

Если заместителей более одного, они должны быть названы в алфавитном порядке и таким образом, чтобы у них было как можно меньше номеров локаторов. Например, б) называется: 1-бром-4-фтор-2-бутилциклогептан (а не 1-бром-5-фтор-7-бутилциклогептан, что было бы неправильно).

И, наконец, когда у алкильного заместителя больше атомов углерода, чем в кольце, последний считается группой заместителя в основной цепи. Таким образом, в) называется: 4-циклогексилнонан.

Структура

Оставляя в стороне замещенные циклоалканы, удобно сосредоточить внимание только на их структурных основаниях: кольцах. Они были изображены на первом изображении.

Наблюдение за ними может привести к ошибочному представлению о том, что такие молекулы плоские; но, за исключением циклопропана, его поверхности имеют "зигзагообразную форму", причем угли поднимаются или опускаются относительно одной и той же плоскости.

Это связано с тем, что сначала все атомы углерода имеют sp ³ -гибридизацию и, следовательно, имеют тетраэдрическую геометрию с валентными углами 109,5 °. Но, если внимательно соблюдать геометрию колец, невозможно, чтобы их углы были такими; например, углы внутри циклопропанового треугольника составляют 60º.

Это так называемое угловое напряжение. Чем больше кольца, тем угол между связями CC приближается к 109,5 °, что вызывает уменьшение упомянутого натяжения и повышение стабильности циклоалкана.

Другой пример наблюдается в циклобутане, валентный угол которого равен 90 °. Уже в циклопентане его углы составляют 108 °, а в случае циклогексана тогда говорят, что угловое напряжение перестает оказывать столь заметный дестабилизирующий эффект.

конформации

Помимо углового напряжения, существуют и другие факторы, которые способствуют стрессу, испытываемому циклоалканами.

Связи CC не могут просто вращаться, так как это означало бы, что вся конструкция «встряхнется». Таким образом, эти молекулы могут принимать очень четко определенные пространственные конформации. Цель этих движений - уменьшить напряжения, вызванные затмением атомов водорода; то есть когда они находятся друг напротив друга.

Например, конформации циклобутана напоминают взмахи крыльев бабочки; циклопентана - конверт; те из циклогексана, лодки или стула, и чем больше кольцо, тем большее количество и формы они могут принимать в космосе.

Инверсия стула и лодочки для циклогексана. Источник: Кеминисти.

На верхнем изображении показан пример таких конформаций для циклогексана. Обратите внимание, что предполагаемый плоский шестиугольник на самом деле больше похож на стул (слева от изображения) или лодку (справа). Один водород представлен красной буквой, а другой - синей буквой, чтобы указать, как их относительное положение меняется после инверсий.

В (1), когда водород перпендикулярен плоскости кольца, говорят, что он находится в осевом положении; а когда он параллелен ему, говорят, что он находится в экваториальном положении.

Реакции

Реакции, которым могут подвергаться циклоалканы, такие же, как и для алканов. Оба горят в присутствии избытка кислорода в типичных реакциях горения с образованием диоксида углерода и воды. Точно так же оба могут подвергаться галогенированию, в котором водород заменяется атомом галогена (F, Cl, Br, I).

Реакции циклопентана. Источник: Габриэль Боливар.

Реакции горения и галогенирования циклопентана показаны в качестве примера выше. Один его моль сгорает в присутствии тепла и 7,5 моль молекулярного кислорода, чтобы разложиться на CO ₂ и H ₂ O. С другой стороны, в присутствии ультрафиолетового излучения и брома он заменяет один H на один Br, выделяя газообразную молекулу. пользователя HBr.

Приложения

Использование циклоалканов сильно зависит от их углеродного числа. Самые легкие и, следовательно, газообразные, когда-то использовались для питания газовых ламп общественного освещения.

Жидкости, с другой стороны, можно использовать в качестве растворителей для масел, жиров или коммерческих продуктов неполярной природы. Среди них можно упомянуть циклопентан, циклогексан и циклогептан. Они также очень часто используются в рутинных операциях в нефтяных лабораториях или при разработке топлив.

Если они тяжелее, их можно использовать как смазку. С другой стороны, они также могут представлять собой исходный материал для синтеза лекарств; как карбоплатин, который включает в свою структуру циклобутановое кольцо.

Примеры циклоалканов

Наконец, вернемся к началу статьи: изображению с несколькими незамещенными циклоалканами.

Чтобы запомнить циклоалканы, просто представьте себе геометрические фигуры: треугольник (циклопропан), квадрат (циклобутан), пентагон (циклопентан), гексагон (циклогексан), гептагон (циклогептан), декагон (циклодекан), пентадекагон (циклопентадекан) и так далее. ,

Чем больше кольцо, тем меньше оно напоминает соответствующую геометрическую фигуру. Уже было замечено, что циклогексан не является шестиугольником; то же самое более очевидно с циклотетрадеканом (четырнадцать атомов углерода).

Наступает момент, когда они будут вести себя как ожерелья, которые можно сложить, чтобы минимизировать напряжение их звеньев и затмения.

Ссылки

1. Моррисон, Р. Т. и Бойд, Р., Н. (1987). Органическая химия. 5-е издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
3. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10-е изд.). Wiley Plus.
4. Химия LibreTexts. (02 июня 2019 г.). Обозначение циклоалканов. Получено с: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Циклоалкан. Получено с: en.wikipedia.org
6. Кларк Джим. (2015). Представляем алканы и циклоалканы. Получено с: chemguide.co.uk
7. Джеймс Эшенхерст. (2019). Конформации и циклоалканы. Магистр органической химии. Получено с: masterorganicchemistry.com
8. Фернандес Херман. (SF). Циклоалканы-теория. Органическая химия. Получено с: quimicaorganica.org