ציקלו-אלקנים: תכונות, תגובות, שימושים, דוגמאות - כִּימִיָה - 2025

לציקלואלקאנים משפחה של פחמימנים רוויים עם נוסחה כללית של C _n H _2n במקביל אלקנים; עם ההבדל כי הרוויה לכאורה אינה נובעת מקשר כפול אלא טבעת או מחזור. זו הסיבה שהם נחשבים לאיזומרים של אלקנים.

אלה נוצרים כאשר אלקנים לינאריים מצטרפים לקצוות שרשראותיהם ליצירת מבנה סגור. בדומה לאלקנים, cycloalkanes יכולים להציג גדלים שונים, מסות מולקולריות, תחליפים או אפילו מערכות המורכבות ביותר מטבעת אחת (פולי-מחזית).

כמה cycloalkanes מונוציקליים. מקור: ספא מפיסטו דרך ויקיפדיה.

אחרת, מבחינה כימית ופיזית הם דומים לאלקנים. יש להם רק פחמן והידרוגנים, הם מולקולות ניטרליות ולכן מתקיימים אינטראקציה באמצעות כוחות של ואן דר וולס. הם משמשים גם כדלקים ומשחררים חום כאשר הם נשרפים בנוכחות חמצן.

מדוע cycloalkane לא יציב יותר מאשר עמיתיהם עם השרשרת הפתוחה? ניתן לחשוד את הסיבה מנקודת מבט של ציפור בדוגמאות של cycloalkanes המיוצג בתמונה למעלה: ישנם מתחים סטריליים (מרחביים) ומכשולים.

שימו לב שככל שיש פחות פחמימות (רשומות בכחול), כך המבנה סגור יותר; וההיפך קורה כאשר הם מתגברים, הופכים להיות כמו שרשרת.

ציקלו-אלקנים קטנים הם בגזים, וככל שגדליהם גדלה כך גם הכוחות הבין-מולקולריים שלהם. כתוצאה מכך הם יכולים להיות נוזלים המסוגלים להמיס שומנים ומולקולות אפולריות, חומרי סיכה, או מוצקים המסוגרים צבעים ואיכויות כהות כמו אלה של אספלט.

תכונות פיזיקליות וכימיות

קוטביות

בכך שהם מורכבים רק מפחמימות והידרוגנים, אטומים אשר כשלעצמם אינם נבדלים יותר מדי ביחס ל אלקטרונגטיביות, הדבר הופך את מולקולות הציקלוקלקן לאפוליאריות ולכן חסר רגע דיפול.

הם אינם יכולים ליצור אינטראקציה דרך כוחות דיפול-דיפול, אלא תלויים באופן ספציפי בכוחות לונדון, שהם חלשים אך מתגברים עם המסה המולקולרית. זו הסיבה ש cycloalkanes קטן (עם פחות מחמישה פחמימות) הוא גזי.

אינטראקציות בין מולקולריות

מצד שני, מכיוון שמדובר בטבעות, לציקלקלקנים שטח מגע גדול יותר, אשר מעדיף את כוחות לונדון בין המולקולות שלהם. לפיכך, הם מקבצים ויוצרים אינטראקציה בצורה טובה יותר בהשוואה לאלקנים; ומכאן שנקודות הרתיחה וההיתוך שלו גבוהות יותר.

כמו כן, מכיוון שיש להם שני פחות אטומי מימן (C _n H _2n עבור cycloalkanes ו- C _n H _{2n + 2} עבור אלקנים), הם קלים יותר; והוספת לכך את עובדת שטח המגע הגדול יותר שלו, הנפח הכבוש על ידי המולקולות שלו פוחת, ולכן הם צפופים יותר.

רִוּוּי

מדוע מסווגים קליקולקנים כפחמימנים רוויים? מכיוון שאין להם דרך לשלב מולקולת מימן; אלא אם כן הטבעת נפתחת, ובמקרה כזה הם יהפכו לאלקנים פשוטים. כדי שהפחמימן ייחשב רווי הוא חייב להיות המספר המרבי האפשרי של קשרי CH.

יַצִיבוּת

מבחינה כימית הם דומים מאוד לאלקנים. לשניהם אג"ח CC ו- CH, שלא קל לשבור אותם לייצור מוצרים אחרים. עם זאת, היציבות היחסית שלהם שונה, אשר ניתן לאמת בניסוי על ידי מדידת חום הבעירה שלהם ( _מסרק H ).

לדוגמה, כאשר משווים את _מסרק ΔH לפרופאן ולציקלופרופאן (המיוצג על ידי משולש בתמונה), יש לך 527.4 קק"ל / מול ו- 498.9 קק"ל / מול, בהתאמה.

הפירוט הוא שהציקלופרופאן, המבוסס על חום הבעירה של האלקנים, צריך להיות _מסרק ΔH נמוך יותר (471 קק"ל / מול) מכיוון שהם שלוש קבוצות מתילן, CH ₂ ; אך במציאות, הוא משחרר יותר חום ומשקף חוסר יציבות גדול מהאמור. לאחר מכן נאמר כי אנרגיה עודפת זו נובעת מהמתחים בתוך הטבעת.

ובעצם, מתחים אלה שולטים ומבדילים את תגובתיותם או היציבותם של cycloalkanes, ביחס לאלקנים, כנגד תגובות ספציפיות. כל עוד הלחצים אינם גבוהים במיוחד, cycloalkanes נוטים להיות יציבים יותר מאלקנים בהתאמה שלהם.

מִנוּחַ

כמה דוגמאות ל cycloalkanes שהוחלפו לבדיקת כללי הננומטוריה. מקור: גבריאל בוליבר.

המינוח IUPAC עבור cycloalkanes אינו שונה מזה של אלקנים. הכלל הפשוט ביותר מכולם הוא קידומת cyclo- לשם האלקן ממנו נוצר הציקלוקלן.

כך, למשל, מ- n-hexane, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cyclohexane מתקבל (המיוצג על ידי משושה בתמונה הראשונה). אותו דבר קורה גם עם ציקלופרופאן, ציקלו-בוטן וכו '.

עם זאת, תרכובות אלה יכולות לעבור תחליפים של אחד מההידרוגנים שלהם. כאשר מספר הפחמימות בזירה גדול יותר ממספרם של תחליפי האלקיל, הטבעת נלקחת כשרשרת העיקרית; זהו המקרה של א) לתמונה למעלה.

שימו לב כי ב א) לסיקלובוטאן (הכיכר) יש יותר פחמן מקבוצת הפרופיל המחוברת אליו; ואז תרכובת זו נקראת פרופילציקלובוטאן.

אם יש יותר מתחליף אחד, יש לקרוא להם לפי סדר אלפביתי ובאופן כזה שיש להם כמה שפחות מספרי איתור. לדוגמא, ב) נקרא: 1-ברומו-4-פלואורו-2-בוטילציקלוהפטאן (ולא 1-ברומו-5-פלואורו -7-בוטיל-ציקלוהפטן, וזה לא יהיה נכון).

ולבסוף, כאשר יש לתחליף האלקילי יותר פחמימות מהטבעת, לאחר מכן אומרים שהאחרון הוא קבוצת התרכובות של השרשרת הראשית. לפיכך, c) נקרא: 4-cyclohexylnonane.

מִבְנֶה

אם נניח בצד את הציקלו-אלקנים המחליפים, נוח להתמקד רק בבסיסים המבניים שלהם: הטבעות. אלה הוצגו בתמונה הראשונה.

התבוננות בהם יכולה להוביל לרעיון השווא שמולקולות כאלה שטוחות; אך למעט ציקלופרופאן, משטחו "זיגזוג", כאשר הפחמן עולה או נופל ביחס לאותו מישור.

זה נובע מהעובדה שלכתחילה, לכל הפחמימות יש הכלאה sp ³ , ולכן הן מציגות גיאומטריות טטרהדרליות עם זוויות קשר של 109.5 מעלות. אבל, אם נצפים בזהירות את הגיאומטריה של הטבעות, לא יתכן שהזוויות שלהם הן אלה; לדוגמא, הזוויות במשולש הציקלופרופאן הם 60 מעלות.

זה מה שמכונה לחץ זוויתי. ככל שהטבעות גדולות יותר, הזווית בין קשרי ה- CC קרובה יותר ל- 109.5 מעלות, מה שגורם לירידה במתח האמור ולעלייה ביציבות לסייקלוקן.

דוגמה נוספת נצפתה בציקלובוטאן, שזוויות הקשר שלהם הן 90 מעלות. בציקלופנטן, זוויותיו 108 מעלות, ומציקלוהקסאן נאמר כי הלחץ הזוויתי מפסיק להפעיל אפקט יציב כה משמעותי.

קונפורמציות

בנוסף ללחץ זוויתי, ישנם גורמים נוספים התורמים למתח שחווים ציקלו-אלקנים.

איגרות החוב של ה- CC לא יכולות פשוט להסתובב, מכיוון שהדבר מרמז על כך שהמבנה כולו "יתנער". לפיכך, מולקולות אלה יכולות לאמץ התאמות מרחביות מוגדרות היטב. מטרת תנועות אלה היא להפחית את הלחצים הנגרמים על ידי ליקוי חמה של אטומי המימן; כלומר כשהם זה מול זה.

לדוגמה, הקונפורמציות לסיקלו-בוטאן דומות לפרפר שמנופף בכנפיו; אלה של ציקלופנטן, מעטפה; אלה של ציקלוהקסאן, סירה או כסא וככל שהטבעת גדולה יותר, כך גדלים המספר והצורות שהם יכולים לנקוט בחלל.

היפוכים בין קונפורמציה דמוית כיסא ודמויי סירה לסיקלוהקסן. מקור: קמיניסטי.

בתמונה העליונה מופיעה דוגמה להתאמות כאלה עבור ציקלוהקסן. שימו לב שהמשושה השטוח כביכול נראה יותר כמו כיסא (משמאל לתמונה) או סירה (מימין). מימן אחד מיוצג על ידי אות אדומה, ואחרת על ידי אות כחולה, כדי לציין כיצד עמדותיהם היחסיות משתנות לאחר ההיפוכים.

ב- (1), כאשר מימן בניצב למישור הטבעת, נאמר שהוא נמצא במצב הצירי; וכאשר זה מקביל אליו, נאמר שהוא נמצא במצב המשווה.

תגובות

התגובות שעשויים לעבור cycloalkanes זהות לאלה של אלקנים. שניהם שורפים בנוכחות עודף חמצן בתגובות בעירה טיפוסיות לייצור פחמן דו חמצני ומים. באופן דומה, שניהם יכולים לעבור הלוגנוציות, בהן מוחלף מימן על ידי אטום הלוגן (F, Cl, Br, I).

תגובות של ציקלופנטן. מקור: גבריאל בוליבר.

התגובות הבעירה וההלוגניציה של ציקלופנטן מוצגות בדרך כדוגמה לעיל. שומה אחת ממנו שורפת בנוכחות חום ו -7.5 שומן של חמצן מולקולרי כדי להתפרק ל- CO ₂ ו- H ₂ O. מצד שני, בנוכחות קרינה אולטרה סגולה וברום, היא מחליפה H אחד עבור Br אחת, ומשחררת מולקולה גזי מאת HBr.

יישומים

השימוש בסיקלו-אלקנים תלוי מאוד במספר הפחמן שלהם. הקלים, ולכן הגזים, שימשו בעבר להנעת מנורות גז בתאורת פומבית.

לנוזלים, לעומת זאת, יש כלי עזר כממסים לשמנים, שומנים או מוצרים מסחריים בעלי אופי לא קוטבי. בין אלה ניתן להזכיר ציקלופנטאן, ציקלוהקסאן וסיקלוהפטאן. הם משמשים לעתים קרובות מאוד בפעולות שגרתיות במעבדות נפט, או בגיבוש דלקים.

אם הם כבדים יותר, הם יכולים לשמש כחומרי סיכה. מצד שני, הם יכולים גם לייצג את חומר ההתחלה לסינתזה של תרופות; כמו קרבופלטין, הכולל טבעת ציקלובוטנית במבנה שלה.

דוגמאות לסקלו-אלקנים

לבסוף, אנו חוזרים לתחילת המאמר: התמונה עם כמה cycloalkane ללא תחליף.

כדי לשנן cycloalkanes, רק חשוב על הדמויות הגיאומטריות: משולש (cyclopropane), ריבוע (cyclobutane), pentagon (cyclopentane), משושה (cyclohexane), heptagon (cycloheptane), דקגון (cyclodecane), pentadecagon (cyclopentadecane), וכן הלאה. .

ככל שהטבעת גדולה יותר, כך היא פחות דומה לדמותה הגיאומטרית המתאימה. כבר נראה כי ציקלוהקסן אינו אלא משושה; הדבר ברור יותר עם ציקלוטרטראקן (ארבעה עשר פחמן).

מגיעה נקודה בה הם יתנהגו כמו שרשראות שניתן לקפל כדי למזער את הלחצים של הקישורים והליקוי שלהם.

הפניות

1. מוריסון, RT ובויד, R, N. (1987). כימיה אורגנית. המהדורה החמישית. עורכת אדיסון ווסלי אינטרמריקנה.
2. קארי פ '(2008). כימיה אורגנית. (המהדורה השישית). מק גריי היל.
3. גרהם סולומונס TW, קרייג ב. פרלה. (2011). כימיה אורגנית. אמינים. (מהדורה 10). וויילי פלוס.
4. כימיה LibreTexts. (02 ביוני 2019). שמות Cycloalkanes. התאושש מ: chem.libretexts.org
5. ויקיפדיה. (2019). ציקלו-קלקן. התאושש מ: en.wikipedia.org
6. קלארק ג'ים. (2015). הכירו אלקנים וסייקלו-אלקנים. התאושש מ: chemguide.co.uk
7. ג'יימס אשנהרסט. (2019). קונפורמציות וסיקלו-אלקנים. בעל כימיה אורגנית. התאושש מ: masterorganicchemistry.com
8. פרננדז ז'רמן. (sf). Cycloalkanes-theory. כימיה אורגנית. התאושש מ: quimicaorganica.org