SYKLOALKAANIT: OMINAISUUDET, REAKTIOT, KÄYTÖT, ESIMERKIT - KEMIA - 2026

Sykloalkaaneja ovat perhe tyydyttyneitä hiilivetyjä, joilla on yleinen kaava C _n H _2n yhtyy alkeenien; sillä erolla, että ilmeinen tyydyttymättömyys ei johdu kaksoissidoksesta, vaan renkaasta tai syklistä. Siksi niitä pidetään alkeenien isomeereinä.

Ne muodostuvat, kun lineaariset alkaanit liittyvät ketjujensa päihin luomaan suljetun rakenteen. Kuten alkaaneilla, sykloalkaanilla voi olla erikokoisia, molekyylimassoja, substituutioita tai jopa järjestelmiä, jotka koostuvat useammasta kuin yhdestä renkaasta (polysyklinen).

Jotkut monosykliset sykloalkaanit. Lähde: Mephisto spa Wikipedian kautta.

Muutoin kemiallisesti ja fysikaalisesti ne ovat samanlaisia ​​kuin alkaanit. Heillä on vain hiiltä ja vetyjä, ne ovat neutraaleja molekyylejä ja siksi vuorovaikutuksessa Van der Walls -voimien avulla. Ne toimivat myös polttoaineina, vapauttaen lämpöä, kun ne palavat hapen mukana.

Miksi sykloalkaanit ovat epävakaampia kuin avoimen ketjun vastineensa? Syy voidaan epäillä lintuperspektiivistä yllä olevassa kuvassa esitetyistä sykloalkaanien esimerkkeistä: siellä on steerisiä (alueellisia) jännitteitä ja esteitä.

Huomaa, että mitä vähemmän hiiltä on (lueteltu sinisellä), sitä sulkevampi rakenne on; ja päinvastoin tapahtuu, kun ne kasvavat, tullessaan kuin kaulakoru.

Pienet sykloalkaanit ovat kaasumaisia, ja kun niiden koot kasvavat, niin myös niiden molekyylien väliset voimat kasvavat. Tämän seurauksena ne voivat olla nesteitä, jotka kykenevät liuottamaan rasvat ja apolaariset molekyylit, voiteluaineet tai kiinteät aineet, jotka antavat tummat värit ja ominaisuudet, kuten asfaltti.

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Vastakkaisuus

Koska atomit, jotka itsessään eivät eroa liikaa elektronegatiivisuudesta, koostuvat vain hiileistä ja vetyistä, tekevät sykloalkaanimolekyyleistä apolaarisia ja siksi puuttuvat dipolimomentti.

Ne eivät voi olla vuorovaikutuksessa dipoli-dipolivoimien kautta, mutta riippuvat erityisesti Lontoon voimista, jotka ovat heikkoja, mutta lisääntyvät molekyylimassan mukana. Siksi pienet sykloalkaanit (joissa on vähemmän kuin viisi hiiltä) ovat kaasumaisia.

Molekyylien väliset vuorovaikutukset

Toisaalta, koska ne ovat renkaita, sykloalkaanilla on suurempi kosketuspinta-ala, mikä suosii Lontoon voimia molekyyliensä välillä. Siten he ryhmittelevät ja ovat vuorovaikutuksessa paremmin kuin alkaanit; ja siten sen kiehumis- ja sulamispisteet ovat korkeammat.

Myös, koska niillä on kaksi vähemmän vetyatomia (C _n H _2n on sykloalkaanit ja C _n H _{2n + 2} ja alkaanit), ne ovat kevyempiä; ja lisäämällä tähän tosiasia sen suuremmasta kosketuspinta-alasta, sen molekyylien käyttämä tilavuus pienenee, ja siksi ne ovat tiheämpiä.

kyllästys

Miksi sykloalkaanit luokitellaan tyydyttyneiksi hiilivedyiksi? Koska heillä ei ole tapaa sisällyttää vetymolekyyliä; ellei rengasta avata, jolloin niistä tulisi yksinkertaisia ​​alkaania. Jotta hiilivetyä voidaan pitää kylläisenä, siinä on oltava suurin mahdollinen lukumäärä CH-sidoksia.

pysyvyys

Kemiallisesti ne ovat hyvin samankaltaisia ​​alkaanien kanssa. Molemmilla on CC- ja CH-sidoksia, joita ei ole niin helppo hajottaa muiden tuotteiden tuottamiseksi. Niiden suhteelliset stabiilisuudet eroavat kuitenkin toisistaan, mikä voidaan varmistaa kokeellisesti mittaamalla niiden palamislämpö (ΔH- _kammi).

Esimerkiksi, kun verrataan ΔH- _kampaa propaaniin ja syklopropaaniin (jota kuvaa kuvassa kolmio), sinulla on vastaavasti 527,4 kcal / mol ja 498,9 kcal / mol.

Yksityiskohta on, että syklopropaani, joka perustuu palamislämpöjen Alkaanien, pitäisi olla pienempi AH _kampa (471 kcal / mol), koska ne ovat kolme metyleeniryhmää, CH ₂; mutta todellisuudessa se vapauttaa enemmän lämpöä, mikä heijastaa arvioitua suurempaa epävakautta. Tämän ylimääräisen energian sanotaan johtuvan renkaan sisällä olevista jännityksistä.

Ja tosiasiassa, nämä jännitteet hallitsevat ja erottavat sykloalkaanien reaktiivisuuden tai stabiilisuuden suhteessa alkaaniin suhteessa spesifisiin reaktioihin. Niin kauan kuin jännitykset eivät ole kovin korkeita, sykloalkaanilla on taipumus olla vakaampia kuin vastaavat alkaanit.

nimistö

Joitakin esimerkkejä substituoiduista sykloalkaanista nimikkeistösääntöjen testaamiseksi. Lähde: Gabriel Bolívar.

Sykloalkaanien IUPAC-nimikkeistö ei eroa paljoa alkaanien vastaavasta. Kaikkein yksinkertaisin sääntö on liittää syklo- etanoni alkaanin nimeen, josta sykloalkaani muodostuu.

Näin ollen, esimerkiksi, n-heksaani, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃, sykloheksaani saadaan (edustaa kuusikulmio ensimmäisen kuvan). Sama tapahtuu syklopropaaniin, syklobutaaniin jne.

Nämä yhdisteet voivat kuitenkin käydä substituutioita yhdellä vetyistään. Kun renkaan hiililukumäärä on suurempi kuin alkyylisubstituenttien lukumäärä, rengas pidetään pääketjuna; tämä koskee a) kuvaa yllä olevassa kuvassa.

Huomaa, että kohdassa a) syklobutaanissa (neliö) on enemmän hiiltä kuin siihen kiinnittyneessä propyyliryhmässä; sitten tämä yhdiste on nimetty propyylisyklobutaaniksi.

Jos substituentteja on enemmän kuin yksi, ne tulisi nimetä aakkosjärjestyksessä ja siten, että niillä on mahdollisimman vähän paikannusnumeroita. Esimerkiksi b): tä kutsutaan: 1-bromi-4-fluori-2-butyylisykloheptaaniksi (eikä 1-bromi-5-fluori-7-butyylisykloheptaaniksi, mikä olisi väärin).

Ja lopuksi, kun alkyylisubstituentilla on enemmän hiiltä kuin rengas, jälkimmäisen sanotaan sitten olevan pääketjun substituenttiryhmä. Siten c): tä kutsutaan: 4-sykloheksyylnononaaniksi.

Rakenne

Kun jätetään syrjään substituoidut sykloalkaanit, on kätevää keskittyä vain niiden rakennepohjiin: renkaisiin. Ne esitettiin ensimmäisessä kuvassa.

Niiden havaitseminen voi johtaa väärään ajatukseen, että sellaiset molekyylit ovat litteitä; mutta lukuun ottamatta syklopropaania, sen pinnat ovat "siksak", hiilen ollessa nousussa tai putoamassa saman tason suhteen.

Tämä johtuu siitä, että aluksi, kaikki hiilet on sp ³ hybridisaatio, ja näin ollen esillä oleva tetraedrielementtiverkossa muotoihin, joissa sidos kulmien 109.5º. Mutta jos renkaiden geometriaa tarkkaillaan tarkasti, on mahdotonta, että niiden kulmat ovat nämä; esimerkiksi syklopropaanin kolmion sisällä olevat kulmat ovat 60º.

Tätä kutsutaan kulmajännitykseksi. Mitä suuremmat renkaat, CC-sidosten välinen kulma on lähempänä 109,5 °, mikä aiheuttaa mainitun jännityksen laskun ja sykloalkaanin stabiliteetin lisääntymisen.

Toinen esimerkki havaitaan syklobutaanissa, jonka sidoskulmat ovat 90 °. Jo syklopentaanissa sen kulmat ovat 108º, ja sykloheksaanista sanotaan sitten, että kulmajännitys lakkaa käyttämästä niin merkittävää epävakautta.

konformaatioita

Kulmarasituksen lisäksi sykloalkaanien kokemaan stressiin vaikuttavat myös muut tekijät.

CC-joukkovelkakirjalainat eivät voi yksinkertaisesti pyöriä, koska tämä tarkoittaisi, että koko rakenne "ravistelisi". Siten nämä molekyylit voivat omaksua erittäin hyvin määritellyt tilamuodot. Näiden liikkeiden tarkoituksena on vähentää vetyatomien pimennysten aiheuttamia stressiä; eli kun ne ovat vastakkaisia.

Esimerkiksi syklobutaanin muotoilut muistuttavat perhosia, jotka lentävät siipiään; syklopentaani, kirjekuori; kuten sykloheksaani, vene tai tuoli, ja mitä suurempi rengas, sitä suurempi määrä ja muotoja ne voivat ottaa avaruudessa.

Käännökset sykloheksaanin tuoli- ja venemaisen rakenteen välillä. Lähde: Keministi.

Yläkuvassa on esimerkki sellaisista sykloheksaanin konformaatioista. Huomaa, että oletettu litteä kuusikulmio näyttää oikeastaan ​​enemmän tuolilta (kuvan vasemmalla puolella) tai veneeltä (oikealla). Yksi vety on merkitty punaisella ja toinen sinisellä kirjaimella osoittamaan, kuinka heidän suhteelliset asemansa muuttuvat käännöksen jälkeen.

Kohdassa (1), kun vety on kohtisuorassa renkaan tasoon nähden, sen sanotaan olevan aksiaaliasennossa; ja kun se on yhdensuuntainen sen kanssa, sen sanotaan olevan päiväntasaajan asemassa.

reaktiot

Reaktiot, jotka sykloalkaanit voivat läpikäydä, ovat samat kuin alkaanien. Molemmat palavat ylimääräisen hapen läsnä ollessa tyypillisissä palamisreaktioissa tuottaen hiilidioksidia ja vettä. Samoin molemmat voivat käydä läpi halogenoinnin, jossa vety on korvattu halogeeniatomilla (F, Cl, Br, I).

Syklopentaanin reaktiot. Lähde: Gabriel Bolívar.

Syklopentaanin palamis- ja halogenointireaktiot esitetään yllä olevan esimerkin avulla. Yksi mooli se palaa, kun läsnä on lämpöä ja 7,5 moolia molekulaarista happea hajota CO ₂ ja H ₂: lla Toisaalta, kun läsnä on UV-säteilyn ja bromi, se korvaa yksi H yksi Br, vapauttaen kaasumaisia molekyylin kirjoittanut HBr.

Sovellukset

Sykloalkaanien käyttö riippuu suuresti niiden hiililuvusta. Kevyimpiä, ja siten kaasumaisia, käytettiin kerran kaasulamppujen virrankäyttöön julkisessa valaistuksessa.

Nesteillä sitä vastoin on hyödyllisyyksiä liuottimina öljyille, rasvoille tai ei-polaarisille kaupallisille tuotteille. Näistä voidaan mainita syklopentaani, sykloheksaani ja sykloheptaani. Niitä käytetään myös hyvin usein rutiinitoiminnoissa öljylaboratorioissa tai polttoaineiden valmistuksessa.

Jos ne ovat raskaampia, niitä voidaan käyttää voiteluaineina. Toisaalta, ne voivat myös edustaa lähtöainetta lääkkeiden synteesille; kuten karboplatiini, jonka rakenteessa on syklobutaanirengas.

Esimerkkejä sykloalkaanista

Palaamme lopuksi artikkelin alkuun: kuva useilla substituoimattomilla sykloalkaanilla.

Sykloalkaanien muistamiseksi ajattele geometrisia lukuja: kolmio (syklopropaani), neliö (syklobutaani), viisikulmainen (syklopentaani), kuusikulmio (sykloheksaani), heptagoni (sykloheptaani), dekagon (syklodekaani), pentadekagon (syklopentadekaani) ja so..

Mitä suurempi rengas, sitä vähemmän se muistuttaa sitä vastaavaa geometrista kuvaa. On jo nähty, että sykloheksaani on kaikkea muuta kuin kuusikulmio; sama on selvempää syklotetradekaanin (14 hiilen) kanssa.

Sieltä tulee kohta, jossa he käyttäytyvät kuin kaulakorut, jotka voidaan taittaa minimoidakseen linkkiensä ja pimennysten stressit.

Viitteet

1. Morrison, RT ja Boyd, R, N. (1987). Orgaaninen kemia. 5. painos. Toimituksellinen Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Orgaaninen kemia. (Kuudes painos). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Orgaaninen kemia. Amiineja. (10. painos.). Wiley Plus.
4. Kemia LibreTexts. (2. kesäkuuta 2019). Sykloalkaanien nimeäminen. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Sykloalkaania. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Esittelyssä alkaanit ja sykloalkaanit. Palautettu: kemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformaatiot ja sykloalkaanit. Orgaanisen kemian pääaine. Palautettu osoitteesta: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (SF). Sykloalkaaneja-teoria. Orgaaninen kemia. Palautettu osoitteesta: quimicaorganica.org