ЦИКЛОАЛКАНИ: ВЛАСТИВОСТІ, РЕАКЦІЇ, ВИКОРИСТАННЯ, ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

У Циклоалкани представляють собою сімейство насичених вуглеводнів із загальною формулою C _п H _2n , що збігаються з алкенами; з тією різницею, що видима ненасиченість обумовлена ​​не подвійним зв’язком, а кільцем або циклом. Ось чому їх вважають ізомерами алкенів.

Вони утворюються, коли лінійні алкани приєднуються до кінців своїх ланцюгів для створення замкнутої структури. Як і алкани, циклоалкани можуть демонструвати різні розміри, молекулярні маси, заміни або навіть системи, що складаються з більш ніж одного кільця (поліциклічного).

Деякі моноциклічні циклоалкани. Джерело: Спа-центр Мефісто через Вікіпедію.

В іншому випадку хімічно і фізично вони схожі на алкани. Вони мають лише вуглець і водень, є нейтральними молекулами і тому взаємодіють за допомогою сил Ван дер Валлса. Вони також служать паливом, вивільняючи тепло при спалюванні в присутності кисню.

Чому циклоалкани є більш нестабільними, ніж їх аналоги відкритого ланцюга? Причину можна запідозрити з виду пташиного польоту на прикладах циклоалканів, представлених на зображенні вище: існують стеричні (просторові) напруження та перешкоди.

Зауважте, що чим менше вуглецю (переліченого синім кольором), тим більше закрита структура; і навпаки відбувається, коли вони збільшуються, стаючи схожими на намисто.

Невеликі циклоалкани є газоподібними, і в міру збільшення їх розмірів зростають і їх міжмолекулярні сили. Отже, вони можуть бути рідинами, здатними розчиняти жири та неполярні молекули, мастила або тверді речовини, які мають темні кольори та якості, такі як асфальт.

Фізичні та хімічні властивості

Полярність

Складаючись лише з вуглецю та водню, атоми, які самі по собі не сильно відрізняються електронегативністю, це робить молекули циклоалкану аполярними, а тому не вистачає дипольного моменту.

Вони не можуть взаємодіяти через диполь-дипольні сили, але конкретно залежать від сил Лондона, які слабкі, але збільшуються з молекулярною масою. Ось чому дрібні циклоалкани (з меншою кількістю п'яти вуглецю) є газоподібними.

Міжмолекулярні взаємодії

З іншого боку, оскільки вони є кільцями, циклоалкани мають більшу площу контакту, що сприяє силам Лондона між їх молекулами. Таким чином, вони групуються та взаємодіють кращим чином порівняно з алканами; а значить, температура кипіння і плавлення вище.

Крім того, оскільки вони мають два менші атоми водню (C _n H _2n для циклоалканів і C _n H _{2n + 2} для алканів), вони легші; і додаючи до цього факт її більшої площі контакту, об'єм, зайнятий його молекулами, зменшується, а отже, вони більш щільні.

Насичення

Чому циклоалкани класифікуються як насичені вуглеводні? Тому що у них немає способу включити молекулу водню; якщо тільки кільце не буде відкрито, в такому випадку вони стануть простими алканами. Щоб вуглеводень вважався насиченим, він повинен мати максимально можливу кількість зв'язків СН.

Стабільність

Хімічно вони дуже схожі на алкани. У обох є зв'язки CC і CH, які не так просто розірвати для виробництва інших продуктів. Однак їх відносна стійкість відрізняється, що можна перевірити експериментально, вимірявши їх теплову здатність горіння ( _{гребінь} ΔH ).

Наприклад, порівнюючи _{гребінець} ΔH для пропану та циклопропану (представленого трикутником на зображенні), у вас відповідно 527,4 ккал / моль та 498,9 ккал / моль.

Подробиця полягає в тому, що циклопропан, який базується на нагріванні алканів, повинен мати _{гребінець} меншої ΔH (471 ккал / моль), оскільки вони представляють собою три метиленові групи, CH ₂ ; але насправді він виділяє більше тепла, що відображає більшу нестабільність, ніж оцінено. Потім, як вважається, ця надлишкова енергія обумовлена ​​напруженнями в кільці.

Насправді ці напруги регулюють та диференціюють реакційну здатність або стабільність циклоалканів щодо алканів щодо конкретних реакцій. Поки напруження не дуже великі, циклоалкани, як правило, більш стійкі, ніж їхні алкани.

Номенклатура

Деякі приклади заміщених циклоалканів для перевірки норм номенклатури. Джерело: Габріель Болівар.

Номенклатура IUPAC для циклоалканів мало чим відрізняється від алканів. Найпростіше правило - це префікс цикло- до назви алкану, з якого утворюється циклоалкан.

Так, наприклад, з н-гексану, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ отримують циклогексан (представлений шестикутником на першому зображенні). Те саме відбувається з циклопропаном, циклобутаном тощо.

Однак ці сполуки можуть зазнавати заміни одного з їх водень. Коли кількість вуглецю в кільці більше, ніж у алкільних заступників, кільце приймається за основний ланцюг; це випадок а) для зображення вище.

Зауважте, що в а) циклобутані (квадраті) більше вуглецю, ніж пропільна група, приєднана до нього; то ця сполука названа пропілциклобутаном.

Якщо є більше одного заступника, вони повинні бути названі в алфавітному порядку та таким чином, щоб вони мали якомога менше номерів локаторів. Наприклад, b) називається: 1-бромо-4-фтор-2-бутилциклогептан (а не 1-бромо-5-фтор-7-бутилциклогептан, що було б неправильно).

І нарешті, коли алкільний заступник має більше вуглецю, ніж кільце, то останній вважається групою-заступником основного ланцюга. Таким чином, в) називається: 4-циклогексиленонаном.

Будова

Не залишаючи осторонь заміщених циклоалканів, зручно орієнтуватися лише на їх структурні основи: кільця. Вони були зображені на першому зображенні.

Спостереження за ними може призвести до помилкової думки про те, що такі молекули плоскі; але за винятком циклопропану, його поверхні є "зигзагоподібними", причому вуглець піднімається або падає по відношенню до тієї ж площини.

Це пов'язано з тим, що для початку всі вуглеці мають гібридизацію sp ³ , і тому представлені чотиригранні геометрії з кутами зв'язку 109,5º. Але, якщо ретельно дотримуватися геометрію кілець, неможливо, щоб їх кути були такими; наприклад, кути в межах трикутника циклопропану дорівнюють 60º.

Це те, що відомо як кутове напруження. Чим більше кільця, тим кут між СС-зв'язками ближче до 109,5 °, що спричиняє зменшення зазначеного натягу та підвищення стабільності циклоалкану.

Інший приклад спостерігається в циклобутані, кути зв’язку якого 90º. Уже в циклопентані його кути становлять 108º, а від циклогексану потім кажуть, що кутове напруження перестає чинити такий виражений дестабілізуючий ефект.

Конформації

Окрім кутового напруження, існують й інші фактори, що сприяють стресу, який зазнають циклоалкани.

CC-зв'язки не можуть просто обертатися, оскільки це означатиме, що вся структура буде «трястися». Таким чином, ці молекули можуть приймати дуже чітко визначені просторові відповідності. Мета цих рухів - зменшити напруження, спричинені затемненням атомів водню; тобто коли вони знаходяться один проти одного.

Наприклад, форми циклобутану нагадують метелика, що махає крилами; циклопентан, конверт; циклогексан, човен або стілець, і чим більше кільце, тим більша кількість та форми вони можуть приймати у просторі.

Інверсії між циклогексаном, схожим на стілець та човноподібну конструкцію. Джерело: Keministi.

На верхньому зображенні показаний приклад таких конформацій для циклогексану. Зауважте, що передбачуваний плоский шестикутник насправді більше схожий на стілець (зліва від зображення) або човен (праворуч). Один водень представлений червоною літерою, а інший синьою літерою, щоб вказати, як змінюються їх відносні положення після інверсій.

У (1), коли водень перпендикулярний площині кільця, кажуть, він знаходиться в осьовому положенні; а коли вона паралельна йому, кажуть, що вона знаходиться в екваторіальному положенні.

Реакції

Реакції, які можуть зазнати циклоалкани, такі ж, як і для алканів. Обидва спалюють у присутності надлишку кисню в типових реакціях горіння, утворюючи вуглекислий газ і воду. Так само обидва можуть зазнавати галогенації, в яких водень заміщений атомом галогену (F, Cl, Br, I).

Реакції циклопентану. Джерело: Габріель Болівар.

Реакції горіння та галогенізації циклопентану показані на прикладі вище. Один моль його спалює в присутності тепла і 7,5 молей молекулярного кисню, щоб вони розкладалися на CO ₂ та H ₂ O. З іншого боку, за наявності ультрафіолетового випромінювання та брому він заміщає одну Н на одну Br, вивільняючи газоподібну молекулу від HBr.

Програми

Використання циклоалканів сильно залежить від їх кількості вуглецю. Найлегші, а отже і газоподібні, колись використовувались для живлення газових ламп у громадському освітленні.

Рідини, з іншого боку, мають корисні речовини як розчинники для олії, жирів або комерційних продуктів неполярного характеру. Серед них можна згадати циклопентан, циклогексан та циклогептан. Вони також дуже часто використовуються в рутинних операціях в нафтових лабораторіях або при формуванні палив.

Якщо вони важчі, їх можна використовувати як мастильні матеріали. З іншого боку, вони також можуть являти собою вихідний матеріал для синтезу наркотиків; як карбоплатин, який включає в свою структуру циклобутанове кільце.

Приклади циклоалканів

Наостанок повернемося до початку статті: зображення з кількома незаміщеними циклоалканами.

Щоб запам’ятати циклоалкани, просто подумайте про геометричні фігури: трикутник (циклопропан), квадрат (циклобутан), пентагон (циклопентан), шестикутник (циклогексан), гептагон (циклогептан), декагон (циклодекан), пентадекагон (циклопентадекан) і соданок). .

Чим більше кільце, тим менше воно нагадує свою відповідну геометричну фігуру. Вже було видно, що циклогексан - це все, крім шестикутника; те ж саме видно з циклотетрадеканом (чотирнадцять вуглецю).

Настає момент, коли вони будуть вести себе як кольє, які можна скласти, щоб мінімізувати напруження їх зв'язків і затемнення.

Список літератури

1. Моррісон, RT та Бойд, R, N. (1987). Органічна хімія. 5-е видання. Редакція Addison-Wesley Interamericana.
2. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
3. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10-е видання.). Wiley Plus.
4. Хімія LibreTexts. (02 червня 2019 р.). Назви циклоалкани. Відновлено з: chem.libretexts.org
5. Вікіпедія. (2019). Циклоалкан. Відновлено з: en.wikipedia.org
6. Кларк Джим. (2015). Введення алканів і циклоалканів. Відновлено з: chemguide.co.uk
7. Джеймс Ешенхерст. (2019). Конформації та циклоалкани. Магістр органічної хімії. Відновлено з: masterorganicchemistry.com
8. Феррандес Герман. (sf). Циклоалкани-теорія. Органічна хімія. Відновлено з сайту: quimicaorganica.org