cicloalcani sunt o familie de hidrocarburi saturate cu formula generală CnH2n care coincide cu cea a alchenelor; cu diferența că nesaturarea aparentă nu se datorează unei duble legături, ci unui inel sau unui ciclu. De aceea sunt considerați izomeri ai alchenelor.
Acestea se formează atunci când alcanii liniari se unesc la capetele lanțurilor lor pentru a crea o structură închisă. Ca și în cazul alcanilor, cicloalcanii pot prezenta diferite dimensiuni, mase moleculare, substituții sau chiar sisteme compuse din mai multe inele (policiclice).
În caz contrar, chimic și fizic, acestea sunt similare cu alcanii. Au doar carboni și hidrogeni, sunt molecule neutre și, prin urmare, interacționează prin forțele Van der Walls. De asemenea, servesc drept combustibili, eliberând căldură atunci când ard în prezența oxigenului..
De ce sunt cicloalcanii mai instabili decât omologii lor cu lanț deschis? Motivul poate fi suspectat observând din ochiul unei păsări exemplele de cicloalcani reprezentate în imaginea de mai sus: există tensiuni și impedimente sterice (spațiale).
Rețineți că cu cât sunt mai puțini atomi de carbon (afișați în albastru), cu atât structura este mai închisă; iar opusul apare atunci când cresc, devenind ca un colier.
Cicloalcanii mici sunt gazoși și, pe măsură ce mărimile lor cresc, crește și forțele lor intermoleculare. În consecință, pot fi lichide capabile să dizolve grăsimi și molecule apolare, lubrifianți sau solide care prezintă culori și calități întunecate precum cele ale asfaltului..
Indice articol
Prin faptul că sunt compuși doar din carboni și hidrogeni, atomi care în sine nu diferă prea mult în ceea ce privește electronegativitatea, acest lucru face ca moleculele cicloalcane să fie apolare și, prin urmare, să nu aibă moment dipol..
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..
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 grupează și interacționează într-un mod mai bun în comparație cu alcanii; și, prin urmare, punctele de fierbere și topire sunt mai mari.
De asemenea, deoarece au doi atomi de hidrogen mai puțini (CnH2n pentru cicloalcani și CnH2n + 2 pentru alcani), acestea sunt mai ușoare; și adăugând la aceasta faptul că are o suprafață mai mare de contact, volumul ocupat de moleculele sale scade și, prin urmare, acestea sunt mai dense.
De ce sunt cicloalcanii 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 alcani simpli. Pentru ca o hidrocarbură să fie considerată saturată, trebuie să aibă numărul maxim posibil de legături C-H.
Din punct de vedere chimic, acestea sunt foarte asemănătoare cu alcanii. Ambele au legături C-C și C-H, 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 căldurilor lor de ardere (ΔHpieptene).
De exemplu, atunci când se compară ΔHpieptene pentru propan și ciclopropan (reprezentat printr-un triunghi în imagine), avem 527,4 kcal / mol și respectiv 498,9 kcal / mol.
Detaliul este că ciclopropanul, bazat pe căldurile de ardere a alcanilor, ar trebui să aibă un ΔHpieptene mai mici (471 kcal / mol) deoarece sunt trei grupări metilen, CHDouă; dar, în realitate, eliberează 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, față de alcani, împotriva reacțiilor specifice. Atâta timp cât tensiunile nu sunt foarte mari, cicloalcanii tind să fie mai stabili decât alcanii lor respectivi..
Nomenclatura IUPAC pentru cicloalcani nu diferă mult de cea pentru alcani. Cea mai simplă regulă dintre toate este de a plasa prefixul ciclo- la numele alcanului din care este format cicloalcanul.
Astfel, de exemplu, din n-hexan, CH3CHDouăCHDouăCHDouăCHDouăCH3, primești 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 carboni 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 propil atașată la acesta; atunci acest compus este numit propilciclobutan.
Dacă există mai mulți substituenți, aceștia ar trebui numiți în ordine alfabetică și în așa fel încât să aibă cel mai mic număr posibil de localizare. De exemplu, b) se numește: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcicloheptan (și nu 1-bromo-5-fluoro-7-butilcicloheptan, ceea ce ar fi incorect).
Și, în cele din urmă, când substituentul alchil are mai mulți atomi de carbon decât inelul, se spune că acesta din urmă este grupul substituent al lanțului principal. Astfel, c) se numește: 4-ciclohexilnonan.
Lăsând deoparte cicloalcanii substituiți, este convenabil să ne concentrăm doar pe bazele lor structurale: inelele. Acestea au fost descrise în prima imagine.
Observarea lor poate duce la ideea falsă că astfel de molecule sunt plate; dar cu excepția ciclopropanului, suprafețele sale sunt "în zigzag", cu carboni care cresc sau scad în raport cu același plan.
Acest lucru se datorează faptului că toți carbonii sunt hibridizați pentru început.3, și, prin urmare, prezintă geometrii tetraedrice cu unghiuri de legătură de 109,5º. Dar, dacă geometria inelelor este observată cu atenție, este imposibil ca unghiurile lor să fie acestea; de exemplu, unghiurile din triunghiul ciclopropanului sunt de 60 °.
Aceasta este ceea ce este cunoscut sub numele de stres unghiular. Cu cât inelele sunt mai mari, unghiul dintre legăturile C-C este mai apropiat de 109,5º, ceea ce determină o scădere a tensiunii menționate și o creștere a stabilității pentru cicloalcan..
Un alt exemplu este observat la ciclobutan, ale cărui unghiuri de legătură sunt de 90 °. Deja în ciclopentan unghiurile sale sunt de 108 °, iar din ciclohexan se spune atunci că tensiunea unghiulară încetează să mai exercite un efect remarcabil de destabilizare..
Pe lângă stresul unghiular, există și alți factori care contribuie la stresul experimentat de cicloalcani..
Legăturile C-C nu se pot roti pur și simplu, deoarece acest lucru ar presupune că întreaga structură ar „tremura”. 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 unul în fața celuilalt.
De exemplu, conformațiile pentru ciclobutan seamănă cu un fluture care bate din aripi; cele ale ciclopentanului, un plic; cele de ciclohexan, o barcă sau un scaun și cu cât inelul este mai mare, cu atât numărul și formele pe care le pot lua în spațiu sunt mai mari.
Imaginea de mai sus prezintă un exemplu de astfel de conformații pentru ciclohexan. Rețineți că presupusul hexagon plat arată de fapt mai mult ca un scaun (în stânga imaginii) sau o barcă (în dreapta). Un hidrogen este reprezentat de o literă roșie, iar altul de o literă albastră, pentru a indica modul în care se schimbă pozițiile lor relative după inversiuni..
În (1), când hidrogenul este perpendicular pe planul inelului, se spune că este în poziție axială; iar când este paralel cu acesta, se spune că se află în poziția ecuatorială.
Reacțiile pe care le pot suferi cicloalcanii sunt aceleași ca și pentru alcani. Ambele ard în prezența excesului de oxigen în reacțiile tipice de ardere pentru a produce dioxid de carbon și apă. La fel, ambele pot suferi halogenări, în care un hidrogen este înlocuit cu un atom de halogen (F, Cl, Br, I).
Reacțiile de ardere și halogenare pentru ciclopentan sunt prezentate cu titlu de exemplu mai sus. Un mol de arde în prezența căldurii și 7,5 moli de oxigen molecular pentru a se descompune în CODouă si HDouăO. Pe de altă parte, în prezența radiațiilor ultraviolete și a bromului, acesta substituie un H cu un Br, eliberând o moleculă gazoasă de HBr.
Utilizarea cicloalcanilor este foarte dependentă de numărul lor de carbon. Cele mai ușoare și, prin urmare, gazoase, au fost folosite cândva pentru alimentarea lămpilor cu gaz ale iluminatului public.
Lichidele, la rândul lor, au utilități ca solvenți pentru uleiuri, grăsimi sau produse comerciale cu caracter nepolar. Dintre acestea, pot fi menționate ciclopentanul, ciclohexanul și cicloheptanul. De asemenea, acestea tind să fie utilizate foarte frecvent în operațiuni de rutină în laboratoarele petroliere sau în formularea combustibililor..
Dacă sunt mai grele, pot fi folosite ca lubrifianți. Pe de altă parte, ele pot reprezenta și materia primă pentru sinteza medicamentelor; cum ar fi carboplatina, care include un inel ciclobutan în structura sa.
În cele din urmă, ne întoarcem la începutul articolului: imaginea cu mai mulți cicloalcani nesubstituiți.
Pentru a memora cicloalcani, 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 sa 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 moment în care se vor comporta ca niște coliere care pot fi pliate pentru a reduce stresul legăturilor lor și a eclipsa cât mai mult posibil..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.