CYKLOALKANER: EGENSKAPER, REAKTIONER, ANVÄNDNINGAR, EXEMPEL - KEMI - 2026

De cykloalkaner är en familj av mättade kolväten med en allmän formel av C _n H _2n sammanfaller med alkener; med skillnaden att den uppenbara omättningen inte beror på en dubbelbindning utan en ring eller cykel. Det är därför de betraktas som isomerer av alkener.

Dessa bildas när linjära alkaner går ihop med ändarna på sina kedjor för att skapa en sluten struktur. Liksom med alkaner kan cykloalkaner uppvisa olika storlekar, molekylmassor, substitutioner eller till och med system som består av mer än en ring (polycyklisk).

Vissa monocykliska cykloalkaner. Källa: Mephisto spa via Wikipedia.

Annars kemiskt och fysiskt liknar de alkaner. De har endast kol och väten, är neutrala molekyler och interagerar därför med Van der Walls krafter. De fungerar också som bränslen och frigör värme när de bränner i närvaro av syre.

Varför är cykloalkaner mer instabila än motsvarigheterna med öppen kedja? Anledningen kan misstänkas från en fågelperspektiv av exemplen på cykloalkaner representerade i bilden ovan: det finns steriska (rumsliga) spänningar och hinder.

Observera att ju färre kol som finns (listat med blått), desto mer stängd är strukturen. och det motsatta inträffar när de ökar och blir som ett halsband.

Små cykloalkaner är gasformiga, och när deras storlek ökar, så gör deras intermolekylära krafter. Följaktligen kan de vara vätskor som kan lösa fett och apolära molekyler, smörjmedel eller fasta ämnen som sportar mörka färger och egenskaper som de av asfalt.

Fysiska och kemiska egenskaper

polaritet

Genom att endast vara sammansatt av kol och vätgas, atomer som i sig inte skiljer sig för mycket i elektronegativitet, gör detta att cykloalkanmolekylerna är apolära och därför saknar dipolmoment.

De kan inte samverka genom dipol-dipolkrafter, men beror specifikt på Londons krafter, som är svaga men ökar med molekylmassa. Det är därför små cykloalkaner (med mindre än fem kolatomer) är gasformiga.

Intermolekylära interaktioner

Å andra sidan, eftersom de är ringar, har cykloalkaner ett större kontaktområde, vilket gynnar Londons styrkor mellan deras molekyler. Således grupperar de och interagerar på ett bättre sätt jämfört med alkaner; och därför är dess kok- och smältpunkter högre.

Dessutom, eftersom de har två färre väteatomer (C _n H _2n för cykloalkaner och C _n H _{2n + 2} för alkaner), de är lättare; och att lägga till detta faktumet för dess större kontaktyta minskar volymen som upptas av dess molekyler, och därför är de tätare.

Mättnad

Varför klassificeras cykloalkaner som mättade kolväten? Eftersom de inte har ett sätt att införliva en vätemolekyl; såvida inte ringen öppnas, i vilket fall de skulle bli enkla alkaner. För att ett kolväte ska anses vara mättat måste det ha det största möjliga antalet CH-bindningar.

Stabilitet

Kemiskt liknar de mycket alkaner. Båda har CC- och CH-obligationer, som inte är så lätt att bryta för att producera andra produkter. Men deras relativa stabilitet skiljer sig, vilket kan verifieras experimentellt genom att mäta deras förbränningsvärme (ΔH- _kam ).

När du till exempel jämför H- _kammen för propan och cyklopropan (representerad av en triangel i bilden) har du 527,4 kcal / mol respektive 498,9 kcal / mol.

Den detalj är att cyklopropan, baserat på förbränningsvärmet av de alkaner, bör ha en lägre AH _kam (471 kcal / mol) eftersom de är tre metylengrupper, CH ₂ ; men i verkligheten släpper den mer värme, vilket återspeglar större instabilitet än beräknat. Denna överflödiga energi sägs då bero på spänningarna i ringen.

Och i själva verket styr och differentierar dessa spänningar reaktiviteten eller stabiliteten hos cykloalkaner, med avseende på alkaner, mot specifika reaktioner. Så länge spänningarna inte är särskilt höga, tenderar cykloalkaner att vara mer stabila än deras respektive alkaner.

Nomenklatur

Några exempel på substituerade cykloalkaner för att testa nomenklaturreglerna. Källa: Gabriel Bolívar.

IUPAC-nomenklaturen för cykloalkaner skiljer sig inte mycket från för alkaner. Den enklaste regeln av allt är att prefixa cyklo- till namnet på den alkan från vilken cykloalkanen bildas.

Sålunda, till exempel, från n-hexan, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cyklohexan erhålles (representeras av en hexagon i den första bilden). Samma sak händer med cyklopropan, cyklobutan etc.

Emellertid kan dessa föreningar genomgå substitutioner av en av deras väten. När antalet kolatomer i ringen är större än för alkylsubstituenterna tas ringen som huvudkedjan; detta är fallet med a) för bilden ovan.

Observera att i a) cyklobutan (torget) har fler kolatomer än propylgruppen fäst vid den; sedan benämns denna förening som propylcyklobutan.

Om det finns mer än en substituent, bör de namnges i alfabetisk ordning och på ett sådant sätt att de har så få lokaliseringsnummer som möjligt. Till exempel kallas b): 1-brom-4-fluoro-2-butylcykloheptan (och inte 1-brom-5-fluor-7-butylcykloheptan, vilket skulle vara felaktigt).

Och slutligen, när alkylsubstituenten har fler kolatomer än ringen, sägs den senare vara substituentgruppen i huvudkedjan. Således kallas c): 4-cyklohexylnonan.

Strukturera

Med tanke på de substituerade cykloalkanerna är det bekvämt att fokusera endast på deras strukturella baser: ringarna. Dessa avbildades i den första bilden.

Att observera dem kan leda till den falska idén att sådana molekyler är plana; men med undantag av cyklopropan är ytorna "sicksack", med kol som stiger eller faller i förhållande till samma plan.

Detta beror på att alla kolhydrater till en början har Sp ^3- hybridisering och därför presenterar tetraedriska geometrier med bindningsvinklar på 109,5º. Men om ringarnas geometri följs noggrant är det omöjligt att deras vinklar är dessa; till exempel är vinklarna inom cyklopropan triangeln 60º.

Detta är vad som kallas vinkellast. Ju större ringarna är, är vinkeln mellan CC-bindningarna närmare 109,5 °, vilket orsakar en minskning av nämnda spänning och en ökning av stabiliteten för cykloalkanen.

Ett annat exempel observeras i cyklobutan, vars bindningsvinklar är 90º. Redan i cyklopentan är dess vinklar 108º, och från cyklohexan sägs det då att vinkelspänningen upphör att utöva en så markant destabiliserande effekt.

konforma

Förutom vinkelbelastning finns det andra faktorer som bidrar till stress som cykloalkaner upplever.

CC-obligationerna kan inte bara rotera, eftersom detta skulle innebära att hela strukturen skulle "skaka". Således kan dessa molekyler anta mycket väl definierade rumsliga konformationer. Syftet med dessa rörelser är att minska de spänningar som orsakas av förmörkningen av väteatomerna; det vill säga när de är mitt emot varandra.

Exempelvis liknar konformationerna för cyklobutan en fjäril som viftar med vingarna; de av cyklopentan, ett kuvert; de av cyklohexan, en båt eller en stol, och ju större ringen, desto större antal och former kan de ta i rymden.

Inversioner mellan stolliknande och båtliknande konstruktion för cyklohexan. Källa: Keministi.

Den översta bilden visar ett exempel på sådana konformationer för cyklohexan. Observera att den antagna platta hexagon faktiskt ser mer ut som en stol (till vänster om bilden) eller en båt (till höger). En väte representeras av en röd bokstav och en annan med en blå bokstav för att indikera hur deras relativa positioner förändras efter inversionerna.

I (1), när väte är vinkelrätt mot ringplanet, sägs det vara i det axiella läget; och när det är parallellt med det sägs det vara i ekvatorialläget.

reaktioner

Reaktionerna som cykloalkaner kan genomgå är desamma som för alkaner. Båda bränner i närvaro av överskott av syre i typiska förbränningsreaktioner för att producera koldioxid och vatten. På samma sätt kan båda genomgå halogeneringar, i vilka ett väte ersätts av en halogenatom (F, Cl, Br, I).

Reaktioner av cyklopentan. Källa: Gabriel Bolívar.

Förbrännings- och halogeneringsreaktionerna för cyklopentan visas som exempel ovan. En mol av det brinner i närvaro av värme och 7,5 mol av molekylärt syre för att sönderdela till CO ₂ och H ₂ O. Å andra sidan, i närvaro av ultraviolett strålning och brom, ersätter det ena H för en Br, frigör en gasformig molekyl av HBr.

tillämpningar

Användningen av cykloalkaner är mycket beroende av deras kolantal. De lättaste, och därför gasformiga, användes en gång för att driva gaslampor i offentlig belysning.

Vätskor har å andra sidan verktyg som lösningsmedel för oljor, fetter eller kommersiella produkter av icke-polär natur. Bland dessa kan nämnas cyklopentan, cyklohexan och cykloheptan. De används också mycket ofta vid rutinmässiga operationer i oljelaboratorier eller vid formulering av bränslen.

Om de är tyngre kan de användas som smörjmedel. Å andra sidan kan de också representera utgångsmaterialet för syntes av läkemedel; som karboplatin, som inkluderar en cyklobutanring i sin struktur.

Exempel på cykloalkaner

Slutligen återgår vi till början av artikeln: bilden med flera osubstituerade cykloalkaner.

För att memorera cykloalkaner, tänk bara på de geometriska figurerna: triangel (cyklopropan), kvadrat (cyklobutan), pentagon (cyklopentan), hexagon (cyklohexan), heptagon (cykloheptan), dekagon (cyklodekan), pentadekagon (cyklopentadekan) och så vidare. .

Ju större ringen, desto mindre liknar den sin respektive geometriska figur. Man har redan sett att cyklohexan är allt annat än en hexagon; detsamma är tydligare med cyklotetradekan (fjorton kol).

Det kommer en punkt där de kommer att bete sig som halsband som kan vikas för att minimera spänningarna i deras länkar och förmörkelse.

referenser

1. Morrison, RT och Boyd, R, N. (1987). Organisk kemi. 5: e upplagan. Redaktionell Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjätte upplagan). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10: e upplagan.) Wiley Plus.
4. Kemi LibreTexts. (02 juni 2019). Namnge Cycloalkanes. Återställd från: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cykloalkan. Återställd från: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Introduktion av alkaner och cykloalkaner. Återställd från: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Konformationer och cykloalkaner. Master Organic Chemistry. Återställd från: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (Sf). Cykloalkaner-teorin. Organisk kemi. Återställd från: quimicaorganica.org