CICLOALKANI: PROPRIETĂȚI, REACȚII, UTILIZĂRI, EXEMPLE - CHIMIE - 2025

De cicloalcani sunt o familie de hidrocarburi saturate cu formula generală C _n H _2n care coincide cu alchene; cu diferența că nesaturația aparentă nu se datorează unei duble legături, ci unui inel sau ciclu. De aceea sunt considerați izomeri de alchene.

Acestea se formează atunci când alcani liniari se unesc la capetele lanțurilor lor pentru a crea o structură închisă. La fel ca în cazul alcanilor, cicloalcanii pot prezenta diferite dimensiuni, mase moleculare, substituții sau chiar sisteme compuse din mai multe inele (policiclice).

Unele cicloalcani monociclice. Sursa: spa Mephisto prin Wikipedia.

În caz contrar, chimic și fizic sunt similare cu alcanii. Au numai carboni și hidrogeni, sunt molecule neutre și, prin urmare, interacționează prin forțele Van der Walls. De asemenea, servesc ca combustibili, eliberând căldură atunci când ard în prezența oxigenului.

De ce cicloalcanii sunt mai instabili decât omologii lor cu lanț deschis? Motivul poate fi suspectat din punct de vedere al unei păsări din exemplele de cicloalcanii reprezentate în imaginea de mai sus: există tensiuni și impedimente (spațiale) sterice.

Rețineți că, cu cât sunt mai puțini carboni (enumerați în albastru), cu atât structura este mai închisă; iar opusul apare atunci când cresc, devenind ca un colier.

Cicloalkanii mici sunt gazoși și pe măsură ce mărimile lor cresc, la fel și forțele lor intermoleculare. În consecință, ele pot fi lichide capabile să dizolve grăsimile și moleculele apolare, lubrifianții sau solidele care au culori întunecate și calități precum cele ale asfaltului.

Proprietati fizice si chimice

Polaritate

Fiind compus numai din carbuni și hidrogeni, atomi care de la sine nu diferă prea mult în electronegativitate, acest lucru face ca moleculele cicloalcanului să fie apolare și, prin urmare, să nu aibă moment dipol.

Ele nu pot interacționa prin forțe dipol-dipol, ci depind în mod specific de forțele londoneze, care sunt slabe, dar cresc cu masa moleculară. De aceea, cicloalcanii mici (cu mai puțin de cinci atomi de carbon) sunt gazoși.

Interacțiuni intermoleculare

Pe de altă parte, deoarece sunt inele, cicloalcanii au o zonă de contact mai mare, ceea ce favorizează forțele londoneze dintre moleculele lor. Astfel, ele se grupează și interacționează într-un mod mai bun în comparație cu alcanii; și, prin urmare, punctele sale de fierbere și topire sunt mai mari.

De asemenea, întrucât au doi atomi de hidrogen mai puțini (C _n H _2n pentru cicloalcani și C _n H _{2n + 2} pentru alcani), sunt mai ușori; și adăugând la aceasta faptul că are zona de contact mai mare, volumul ocupat de moleculele sale scade și, prin urmare, sunt mai dense.

Saturare

De ce cicloalcanii sunt clasificați drept hidrocarburi saturate? Pentru că nu au o modalitate de a încorpora o moleculă de hidrogen; cu excepția cazului în care inelul este deschis, caz în care ar deveni simple alcani. Pentru ca hidrocarburile să fie considerate saturate, acesta trebuie să aibă numărul maxim posibil de legături CH.

Stabilitate

Chimic sunt foarte asemănătoare cu alcanii. Ambele au obligațiuni CC și CH, care nu sunt atât de ușor de rupt pentru a produce alte produse. Cu toate acestea, stabilitățile lor relative diferă, ceea ce poate fi verificat experimental prin măsurarea căldurii lor de ardere (combH _pieptene ).

De exemplu, atunci când comparați _pieptene ΔH pentru propan și ciclopropan (reprezentat de un triunghi din imagine), aveți 527,4 kcal / mol și, respectiv, 498,9 kcal / mol.

Detaliul este că ciclopropan, pe baza caldurile de combustie ale alcanilor, ar trebui să aibă o mai mică AH _pieptene (471 kcal / mol) , deoarece acestea sunt trei grupe metilen, CH ₂ ; dar, în realitate, degajă mai multă căldură, reflectând o instabilitate mai mare decât cea estimată. Se spune că această energie în exces se datorează tensiunilor din inel.

Și, de fapt, aceste tensiuni guvernează și diferențiază reactivitatea sau stabilitatea cicloalcanilor, în raport cu alcanii, față de reacțiile specifice. Atâta timp cât tensiunile nu sunt foarte mari, cicloalcanii tind să fie mai stabili decât alcanii respectivi.

Nomenclatură

Câteva exemple de cicloalcanii substituiți pentru a testa regulile nomenclaturii. Sursa: Gabriel Bolívar.

Nomenclatura IUPAC pentru cicloalcanii nu diferă foarte mult de cea pentru alcani. Cea mai simplă regulă dintre toate este să prefixăm cicloal la numele alcanului din care este format cicloalcanul.

Astfel, de exemplu, din n-hexan, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ se obține, ciclohexan (reprezentat printr - un hexagon în prima imagine). La fel se întâmplă și cu ciclopropanul, ciclobutanul etc.

Cu toate acestea, acești compuși pot suferi substituții ale unuia dintre hidrogenii lor. Când numărul de atomi de carbon din inel este mai mare decât cel al substituenților alchil, inelul este luat ca lanț principal; acesta este cazul a) pentru imaginea de mai sus.

Rețineți că, în a) ciclobutanul (pătratul) are mai mulți atomi de carbon decât gruparea propilă atașată la acesta; atunci acest compus este denumit propilciclobutan.

Dacă există mai mulți substituenți, aceștia ar trebui numiți în ordine alfabetică și astfel încât să aibă cât mai puține numere de localizare. De exemplu, b) se numește: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcicloheptan (și nu 1-bromo-5-fluoro-7-butilcicloheptan, care ar fi incorect).

Și în sfârșit, când substituentul alchil are mai mulți atomi de carbon decât inelul, acesta din urmă se spune că este grupul substituent al lanțului principal. Astfel, c) se numește: 4-ciclohexilnonan.

Structura

Lăsând la o parte cicloalcanii substituiți, este convenabil să ne concentrăm numai pe bazele lor structurale: inelele. Acestea au fost descrise în prima imagine.

Observarea lor poate duce la falsa idee că astfel de molecule sunt plane; dar, cu excepția ciclopropanului, suprafețele sale sunt „în zig-zag”, carbonii crescând sau coborând în raport cu același plan.

Acest lucru se datorează faptului că, pentru început, toți carbonii au hibridizare sp ³ și, prin urmare, prezintă geometrii tetraedrice cu unghiuri de legătură de 109,5º. Dar, dacă geometria inelelor este respectată cu atenție, este imposibil ca unghiurile lor să fie acestea; de exemplu, unghiurile din triunghiul ciclopropanului sunt de 60º.

Aceasta este ceea ce este cunoscut sub numele de stres unghiular. Cu cât inelele sunt mai mari, unghiul dintre legăturile CC este mai aproape de 109,5 °, ceea ce determină o scădere a tensiunii menționate și o creștere a stabilității pentru cicloalcan.

Un alt exemplu este observat în ciclobutan, ale cărui unghiuri de legătură sunt 90 °. Deja în ciclopentan unghiurile sale sunt de 108º, iar din ciclohexan se spune apoi că stresul unghiular încetează să mai exercite un efect destabilizator remarcabil.

conformații

Pe lângă stresul unghiular, există și alți factori care contribuie la stresul experimentat de cicloalcanii.

Legăturile CC nu se pot roti pur și simplu, deoarece acest lucru ar presupune că întreaga structură s-ar „agita”. Astfel, aceste molecule pot adopta conformații spațiale foarte bine definite. Scopul acestor mișcări este de a reduce tensiunile cauzate de eclipsa atomilor de hidrogen; adică atunci când sunt opuse unul altuia.

De exemplu, conformațiile ciclobutanului seamănă cu un fluture care-și bat aripi; cele ale ciclopentanului, un plic; cele din ciclohexan, o barcă sau un scaun și cu cât inelul este mai mare, cu atât numărul și formele pot fi luate în spațiu.

Inversiuni între conformația de tip scaun și barcă pentru ciclohexan. Sursa: Keministi.

Imaginea de sus arată un exemplu de astfel de conformații pentru ciclohexan. Rețineți că presupusul hexagon plat arată mai degrabă un scaun (din stânga imaginii) sau o barcă (din dreapta). Un hidrogen este reprezentat de o literă roșie, iar altul de o literă albastră, pentru a indica modul în care pozițiile lor relative se schimbă după inversiuni.

În (1), când hidrogenul este perpendicular pe planul inelului, se spune că se află în poziția axială; iar atunci când este paralel cu acesta, se spune că se află în poziția ecuatorială.

reacţii

Reacțiile la care pot suferi cicloalcanii sunt aceleași ca în cazul alcanilor. Ambele ard în prezența excesului de oxigen în reacțiile tipice de ardere pentru a produce dioxid de carbon și apă. De asemenea, ambele pot suferi halogenări, în care un hidrogen este înlocuit cu un atom de halogen (F, Cl, Br, I).

Reacțiile ciclopentanului. Sursa: Gabriel Bolívar.

Reacțiile de combustie și halogenare pentru ciclopentan sunt prezentate prin exemplul de mai sus. Un mol arde în prezența căldurii și 7,5 moli de oxigen molecular pentru a se descompune în CO ₂ și H ₂ O. Pe de altă parte, în prezența radiației ultraviolete și brom, l substituie un H pentru un Br, eliberând o moleculă gazoasă de HBr.

Aplicații

Utilizarea cicloalcanilor depinde foarte mult de numărul lor de carbon. Cele mai ușoare și, prin urmare, gazoase, au fost odată folosite pentru a alimenta lămpi cu gaz în iluminatul public.

Pe de altă parte, lichidele au utilități ca solvenți pentru uleiuri, grăsimi sau produse comerciale cu caracter nepolar. Printre acestea, se pot menționa ciclopentanul, ciclohexanul și cicloheptanul. De asemenea, sunt utilizate foarte frecvent în operații de rutină în laboratoarele de petrol sau în formularea de combustibili.

Dacă sunt mai grele, pot fi folosite ca lubrifianți. Pe de altă parte, ele pot reprezenta și materialul de pornire pentru sinteza medicamentelor; ca carboplatina, care include un ciclu de ciclobutan în structura sa.

Exemple de cicloalcani

În cele din urmă, revenim la începutul articolului: imaginea cu mai multe cicloalcanii nesubstituite.

Pentru a memora cicloalcanii, gândiți-vă doar la figurile geometrice: triunghi (ciclopropan), pătrat (ciclobutan), pentagon (ciclopentan), hexagon (ciclohexan), heptagon (cicloheptan), decagon (ciclodecan), pentadecagon (ciclopentadecan) și așa mai departe. .

Cu cât inelul este mai mare, cu atât seamănă mai puțin cu figura geometrică respectivă. S-a văzut deja că ciclohexanul este orice altceva decât un hexagon; același lucru este mai evident cu ciclotetradecanul (paisprezece atomi de carbon).

Vine un punct în care se vor comporta ca niște coliere care pot fi pliate pentru a minimiza tensiunile legăturilor și eclipsării lor.

Referințe

1. Morrison, RT și Boyd, R, N. (1987). Chimie organica. Ediția a V-a. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. Aminele. (Ediția a 10-a.) Wiley Plus.
4. Chimie LibreTexturi. (02 iunie 2019). Denumirea cicloalcanilor. Recuperat din: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cicloalcan. Recuperat de la: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Introducerea alcanilor și cicloalcanilor. Recuperat din: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Conformări și cicloalcanii. Master chimie organică. Recuperat din: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (Sf). Cicloalcani-teorie. Chimie organica. Recuperat de la: quimicaorganica.org