CYCLOALKANEN: EIGENSCHAPPEN, REACTIES, TOEPASSINGEN, VOORBEELDEN - CHEMIE - 2026

De cycloalkanen zijn een familie van verzadigde koolwaterstoffen met een algemene formule van C _n H _{2n die} samenvalt met alkenen; met het verschil dat de schijnbare onverzadiging niet te wijten is aan een dubbele binding, maar aan een ring of cyclus. Daarom worden ze beschouwd als isomeren van alkenen.

Deze worden gevormd wanneer lineaire alkanen zich bij de uiteinden van hun ketens voegen om een ​​gesloten structuur te creëren. Net als bij alkanen kunnen cycloalkanen verschillende grootten, molecuulgewichten, substituties of zelfs systemen vertonen die uit meer dan één ring (polycyclisch) bestaan.

Sommige monocyclische cycloalkanen. Bron: Mephisto spa via Wikipedia.

Anders zijn ze chemisch en fysisch vergelijkbaar met alkanen. Ze hebben alleen koolstof- en waterstofatomen, zijn neutrale moleculen en werken daarom samen door middel van Van der Walls-krachten. Ze dienen ook als brandstof en geven warmte af wanneer ze branden in aanwezigheid van zuurstof.

Waarom zijn cycloalkanen instabieler dan hun tegenhangers met een open keten? De reden kan worden vermoed vanuit een vogelperspectief van de voorbeelden van cycloalkanen die in de bovenstaande afbeelding worden weergegeven: er zijn sterische (ruimtelijke) spanningen en belemmeringen.

Merk op dat hoe minder koolstoffen er zijn (weergegeven in blauw), hoe meer gesloten de structuur is; en het tegenovergestelde gebeurt wanneer ze toenemen en als een ketting worden.

Kleine cycloalkanen zijn gasvormig en naarmate ze groter worden, nemen ook hun intermoleculaire krachten toe. Bijgevolg kunnen het vloeistoffen zijn die vetten en apolaire moleculen, smeermiddelen of vaste stoffen kunnen oplossen met donkere kleuren en kwaliteiten zoals die van asfalt.

Fysische en chemische eigenschappen

Polariteit

Doordat ze alleen zijn samengesteld uit koolstofatomen en waterstofatomen, atomen die op zichzelf niet al te veel verschillen in elektronegativiteit, worden de cycloalkaanmoleculen apolair en missen ze dus een dipoolmoment.

Ze kunnen geen interactie vertonen via dipool-dipoolkrachten, maar zijn specifiek afhankelijk van Londense krachten, die zwak zijn maar toenemen met de moleculaire massa. Daarom zijn kleine cycloalkanen (met minder dan vijf koolstofatomen) gasvormig.

Intermoleculaire interacties

Aan de andere kant, omdat het ringen zijn, hebben cycloalkanen een groter contactoppervlak, wat de Londense krachten tussen hun moleculen begunstigt. Ze groeperen en werken dus op een betere manier samen dan alkanen; en daarom zijn de kook- en smeltpunten hoger.

Omdat ze twee waterstofatomen minder hebben (C _n H _2n voor cycloalkanen en C _n H _{2n + 2} voor alkanen), zijn ze ook lichter; en hieraan toegevoegd het feit van het grotere contactoppervlak, neemt het volume dat door zijn moleculen wordt ingenomen af, en daarom zijn ze dichter.

Verzadiging

Waarom worden cycloalkanen geclassificeerd als verzadigde koolwaterstoffen? Omdat ze geen manier hebben om een ​​waterstofmolecuul op te nemen; tenzij de ring wordt geopend, in welk geval ze eenvoudige alkanen worden. Om een ​​koolwaterstof als verzadigd te beschouwen, moet deze het maximaal mogelijke aantal CH-bindingen hebben.

Stabiliteit

Chemisch gezien lijken ze erg op alkanen. Beide hebben CC- en CH-bindingen, die niet zo gemakkelijk te verbreken zijn om andere producten te produceren. Hun relatieve stabiliteit verschilt echter, wat experimenteel kan worden geverifieerd door hun verbrandingswarmte (ΔH- _kam ) te meten .

Als je bijvoorbeeld de ΔH- _kam vergelijkt voor propaan en cyclopropaan (weergegeven door een driehoek in de afbeelding), heb je respectievelijk 527,4 kcal / mol en 498,9 kcal / mol.

Het detail is dat het cyclopropaan, gebaseerd op de verbrandingswarmte van de alkanen, een lagere ΔH- _kam moet hebben (471 kcal / mol) omdat het drie methyleengroepen zijn, CH ₂ ; maar in werkelijkheid geeft het meer warmte af, wat een grotere instabiliteit weerspiegelt dan geschat. Deze overtollige energie wordt dan toegeschreven aan de spanningen in de ring.

En in feite regelen en differentiëren deze spanningen de reactiviteit of stabiliteit van cycloalkanen, met betrekking tot alkanen, tegen specifieke reacties. Zolang de spanningen niet erg hoog zijn, hebben cycloalkanen de neiging stabieler te zijn dan hun respectievelijke alkanen.

Nomenclatuur

Enkele voorbeelden van gesubstitueerde cycloalkanen om de nomenclatuurregels te testen. Bron: Gabriel Bolívar.

De IUPAC-nomenclatuur voor cycloalkanen verschilt niet veel van die voor alkanen. De eenvoudigste regel is om cyclo- voor te voegen aan de naam van het alkaan waaruit het cycloalkaan is gevormd.

Zo wordt bijvoorbeeld uit n-hexaan, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cyclohexaan verkregen (weergegeven door een zeshoek in de eerste afbeelding). Hetzelfde gebeurt met cyclopropaan, cyclobutaan, enz.

Deze verbindingen kunnen echter substituties van een van hun waterstofatomen ondergaan. Wanneer het aantal koolstofatomen in de ring groter is dan dat van de alkylsubstituenten, wordt de ring als de hoofdketen genomen; dit is het geval bij a) voor de afbeelding hierboven.

Merk op dat in a) het cyclobutaan (het vierkant) meer koolstofatomen heeft dan de propylgroep die eraan vastzit; dan wordt deze verbinding genoemd als propylcyclobutaan.

Als er meer dan één substituent is, moeten ze in alfabetische volgorde worden genoemd en op zo'n manier dat ze zo min mogelijk locatornummers hebben. Bijvoorbeeld, b) wordt genoemd: 1-broom-4-fluor-2-butylcycloheptaan (en niet 1-broom-5-fluor-7-butylcycloheptaan, wat onjuist zou zijn).

En tenslotte, wanneer de alkylsubstituent meer koolstofatomen heeft dan de ring, wordt gezegd dat de laatste de substituentgroep van de hoofdketen is. Dus c) heet: 4-cyclohexylnonaan.

Structuur

Afgezien van de gesubstitueerde cycloalkanen, is het handig om alleen te focussen op hun structurele basis: de ringen. Deze zijn afgebeeld in de eerste afbeelding.

Het observeren ervan kan leiden tot het verkeerde idee dat dergelijke moleculen plat zijn; maar met uitzondering van cyclopropaan, zijn de oppervlakken "zigzaggend", waarbij koolstofatomen stijgen of dalen ten opzichte van hetzelfde vlak.

Dit komt door het feit dat om te beginnen alle koolstofatomen sp ^3- hybridisatie hebben , en daarom tetraëdrische geometrieën vertonen met bindingshoeken van 109,5 °. Maar als de geometrie van de ringen zorgvuldig in de gaten wordt gehouden, is het onmogelijk dat hun hoeken deze zijn; de hoeken binnen de cyclopropaandriehoek zijn bijvoorbeeld 60º.

Dit is wat bekend staat als hoekspanning. Hoe groter de ringen, de hoek tussen de CC-bindingen is dichter bij 109,5 °, wat een afname van de genoemde spanning en een toename van de stabiliteit voor het cycloalkaan veroorzaakt.

Een ander voorbeeld wordt waargenomen in cyclobutaan, waarvan de bindingshoeken 90 ° zijn. Reeds in cyclopentaan zijn de hoeken 108º, en van cyclohexaan wordt dan gezegd dat de hoekspanning ophoudt zo'n duidelijk destabiliserend effect uit te oefenen.

Conformaties

Naast hoekspanning zijn er nog andere factoren die bijdragen aan stress die wordt ervaren door cycloalkanen.

De CC-obligaties kunnen niet zomaar roteren, omdat dit zou betekenen dat de hele structuur zou "schudden". Deze moleculen kunnen dus zeer goed gedefinieerde ruimtelijke conformaties aannemen. Het doel van deze bewegingen is om de spanningen te verminderen die worden veroorzaakt door de verduistering van de waterstofatomen; dat wil zeggen, wanneer ze tegenover elkaar staan.

De conformaties voor cyclobutaan lijken bijvoorbeeld op een vlinder die met zijn vleugels klappert; die van cyclopentaan, een envelop; die van cyclohexaan, een boot of stoel, en hoe groter de ring, hoe groter het aantal en de vormen die ze in de ruimte kunnen aannemen.

Omkering tussen stoelachtige en bootachtige conformatie voor cyclohexaan. Bron: Keministi.

De bovenste afbeelding toont een voorbeeld van dergelijke conformaties voor cyclohexaan. Merk op dat de veronderstelde platte zeshoek eigenlijk meer op een stoel (aan de linkerkant van de afbeelding) of een boot (aan de rechterkant) lijkt. De ene waterstof wordt weergegeven door een rode letter en de andere door een blauwe letter om aan te geven hoe hun relatieve posities veranderen na de inversies.

In (1), wanneer waterstof loodrecht op het vlak van de ring staat, wordt gezegd dat het in de axiale positie is; en wanneer het parallel eraan is, wordt gezegd dat het in de equatoriale positie is.

Reacties

De reacties die cycloalkanen kunnen ondergaan, zijn dezelfde als voor alkanen. Beide branden in aanwezigheid van overtollige zuurstof bij typische verbrandingsreacties om kooldioxide en water te produceren. Evenzo kunnen beide halogenaties ondergaan, waarbij een waterstof wordt vervangen door een halogeenatoom (F, Cl, Br, I).

Reacties van cyclopentaan. Bron: Gabriel Bolívar.

De verbrandings- en halogeneringsreacties voor cyclopentaan worden als voorbeeld hierboven getoond. Een mol ervan verbrandt in aanwezigheid van hitte en 7,5 mol moleculaire zuurstof om te ontbinden in CO ₂ en H ₂ O. Aan de andere kant vervangt het in aanwezigheid van ultraviolette straling en broom één H door één Br, waardoor een gasvormig molecuul vrijkomt door HBr.

Toepassingen

Het gebruik van cycloalkanen is sterk afhankelijk van hun koolstofgetal. De lichtste, en dus gasvormige, werden ooit gebruikt om gaslampen in openbare verlichting van stroom te voorzien.

Vloeistoffen daarentegen hebben toepassingen als oplosmiddelen voor oliën, vetten of commerciële producten van niet-polaire aard. Onder deze kunnen cyclopentaan, cyclohexaan en cycloheptaan worden genoemd. Ze worden ook zeer vaak gebruikt bij routinehandelingen in olielaboratoria of bij de formulering van brandstoffen.

Als ze zwaarder zijn, kunnen ze als smeermiddel worden gebruikt. Anderzijds kunnen ze ook het uitgangsmateriaal vormen voor de synthese van geneesmiddelen; zoals carboplatine, dat een cyclobutaanring in zijn structuur bevat.

Voorbeelden van cycloalkanen

Ten slotte keren we terug naar het begin van het artikel: de afbeelding met verschillende ongesubstitueerde cycloalkanen.

Denk aan de geometrische figuren om cycloalkanen te onthouden: driehoek (cyclopropaan), vierkant (cyclobutaan), vijfhoek (cyclopentaan), zeshoek (cyclohexaan), zevenhoek (cycloheptaan), tienhoek (cyclodecaan), vijfhoek (cyclopentadecaan), enzovoort. .

Hoe groter de ring, hoe minder hij lijkt op zijn respectievelijke geometrische figuur. We hebben al gezien dat cyclohexaan allesbehalve een zeshoek is; hetzelfde is duidelijker met cyclotetradecaan (veertien koolstofatomen).

Er komt een punt waarop ze zich zullen gedragen als kettingen die kunnen worden gevouwen om de spanning van hun schakels en verduistering te minimaliseren.

Referenties

1. Morrison, RT en Boyd, R, N. (1987). Organische chemie. 5e editie. Redactioneel Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10e editie.). Wiley Plus.
4. Chemie LibreTexts. (2 juni 2019). Cycloalkanen een naam geven. Hersteld van: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cycloalkaan. Hersteld van: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Introductie van alkanen en cycloalkanen. Hersteld van: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Conformaties en cycloalkanen. Master Organische Chemie. Hersteld van: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (sf). Cycloalkanen-theorie. Organische chemie. Hersteld van: quimicaorganica.org