CYCLOALKANES: TÍNH CHẤT, PHẢN ỨNG, SỬ DỤNG, VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2025

Các cycloancan là một gia đình của hydrocarbon bão hòa với một công thức chung C _n H _2n trùng với anken; với sự khác biệt rằng độ không bão hòa biểu kiến ​​không phải do liên kết đôi, mà là do một vòng hoặc chu kỳ. Đó là lý do tại sao chúng được coi là đồng phân của anken.

Chúng được hình thành khi các ankan mạch thẳng tham gia vào các đầu của chuỗi của chúng để tạo ra một cấu trúc khép kín. Cũng như với ankan, xicloalkaan có thể thể hiện các kích thước, khối lượng phân tử, sự thay thế khác nhau, hoặc thậm chí hệ thống bao gồm nhiều hơn một vòng (đa vòng).

Một số xicloankan đơn chức. Nguồn: Mephisto spa qua Wikipedia.

Mặt khác, về mặt hóa học và vật lý chúng tương tự như ankan. Chúng chỉ có cacbon và hydro, là các phân tử trung tính và do đó tương tác bằng lực Van der Walls. Chúng cũng đóng vai trò như nhiên liệu, giải phóng nhiệt khi chúng cháy trong điều kiện có oxy.

Tại sao xycloalkanes không ổn định hơn các đối tác chuỗi mở của chúng? Lý do có thể được nghi ngờ từ cái nhìn của con chim về các ví dụ của xycloalkanes được đại diện trong hình trên: có những căng thẳng và trở lực steric (không gian).

Lưu ý rằng càng có ít cacbon (được liệt kê bằng màu xanh lam), cấu trúc càng khép kín; và điều ngược lại xảy ra khi chúng tăng lên, trở nên giống như một chiếc vòng cổ.

Các xycloalkane nhỏ ở thể khí, và khi kích thước của chúng tăng lên, lực liên phân tử của chúng cũng tăng theo. Do đó, chúng có thể là chất lỏng có khả năng hòa tan chất béo và các phân tử bất cực, chất bôi trơn hoặc chất rắn có màu tối và chất lượng như nhựa đường.

Các tính chất vật lý và hóa học

Phân cực

Do chỉ được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon và hydro, các nguyên tử tự chúng không khác nhau quá nhiều về độ âm điện, điều này làm cho các phân tử xycloalkan có tính bất cực và do đó thiếu mômen lưỡng cực.

Chúng không thể tương tác thông qua lực lưỡng cực-lưỡng cực, mà phụ thuộc cụ thể vào lực Luân Đôn, lực này yếu nhưng tăng theo khối lượng phân tử. Đó là lý do tại sao các xycloalkanes nhỏ (với ít hơn năm nguyên tử cacbon) ở thể khí.

Tương tác giữa các phân tử

Mặt khác, vì chúng là vòng nên xycloalkanes có diện tích tiếp xúc lớn hơn, điều này tạo điều kiện cho lực London giữa các phân tử của chúng. Do đó, chúng nhóm và tương tác theo cách tốt hơn so với ankan; và do đó điểm sôi và điểm nóng chảy của nó cao hơn.

Ngoài ra, vì chúng có ít nguyên tử hydro hơn (C _n H _2n đối với xicloankanes và C _n H _{2n + 2} đối với ankan) nên chúng nhẹ hơn; và thêm vào đó là thực tế là diện tích tiếp xúc lớn hơn, thể tích mà các phân tử của nó chiếm giữ giảm đi, và do đó, chúng dày đặc hơn.

Bão hòa

Tại sao xicloalkane được phân loại là hiđrocacbon no? Bởi vì họ không có cách nào để kết hợp một phân tử hydro; trừ khi vòng được mở, trong trường hợp đó chúng sẽ trở thành ankan đơn giản. Để một hiđrocacbon được coi là no thì nó phải có số liên kết CH lớn nhất có thể.

Ổn định

Về mặt hóa học chúng rất giống với ankan. Cả hai đều có liên kết CC và CH, không dễ bị phá vỡ để tạo ra các sản phẩm khác. Tuy nhiên, độ ổn định tương đối của chúng khác nhau, có thể được xác minh bằng thực nghiệm bằng cách đo nhiệt độ đốt cháy của chúng ( _lược ΔH ).

Ví dụ: khi so sánh _lược ΔH cho propan và xiclopropan (được biểu diễn bằng hình tam giác trong hình), bạn có lần lượt là 527,4 kcal / mol và 498,9 kcal / mol.

Các chi tiết là cyclopropane, dựa trên nóng của sự cháy của ankan, nên có một thấp ΔH _lược (471 kcal / mol), vì họ là ba nhóm methylen, CH ₂ ; nhưng trong thực tế, nó tỏa ra nhiều nhiệt hơn, phản ánh sự không ổn định lớn hơn ước tính. Năng lượng dư thừa này sau đó được cho là do ứng suất bên trong vòng.

Và trên thực tế, những căng thẳng này chi phối và phân biệt khả năng phản ứng hoặc độ ổn định của xycloalkanes, đối với ankan, chống lại các phản ứng cụ thể. Miễn là ứng suất không quá cao, xycloalkanes có xu hướng ổn định hơn các ankan tương ứng của chúng.

Danh pháp

Một số ví dụ về xycloalkanes được thế để kiểm tra các quy tắc danh pháp. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Danh pháp IUPAC của xycloalkanes không khác nhiều so với danh pháp của ankan. Quy tắc đơn giản nhất là đặt tiền tố xyclo- thành tên của ankan mà xycloalkan được tạo thành.

Vì vậy, ví dụ, từ n-hexan, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , xyclohexan thu được (biểu diễn bằng một hình lục giác trong hình đầu tiên). Điều tương tự cũng xảy ra với xyclopropan, xyclobutan, v.v.

Tuy nhiên, các hợp chất này có thể bị thay thế một trong các hydro của chúng. Khi số lượng nguyên tử trong vòng nhiều hơn số nhóm thế ankyl, vòng được lấy làm mạch chính; đây là trường hợp của a) cho hình trên.

Lưu ý rằng trong a) xiclobutan (hình vuông) có nhiều cacbon hơn nhóm propyl gắn liền với nó; thì hợp chất này được đặt tên là propylcyclobutan.

Nếu có nhiều hơn một nhóm thế, chúng phải được đặt tên theo thứ tự bảng chữ cái và sao cho chúng có càng ít số định vị càng tốt. Ví dụ, b) được gọi là: 1-bromo-4-fluoro-2-butylcycloheptane (chứ không phải 1-bromo-5-fluoro-7-butylcycloheptane, điều này sẽ không chính xác).

Và cuối cùng, khi nhóm thế alkyl có nhiều nguyên tử cacbon hơn vòng, nhóm sau được cho là nhóm thế của chuỗi chính. Do đó, c) được gọi là: 4-xyclohexylnonane.

Kết cấu

Bỏ qua các xycloalkanes được thay thế, thuận tiện là chỉ tập trung vào cơ sở cấu trúc của chúng: các vòng. Chúng được mô tả trong hình ảnh đầu tiên.

Quan sát chúng có thể dẫn đến ý tưởng sai lầm rằng các phân tử như vậy là phẳng; nhưng ngoại trừ xiclopropan, các bề mặt của nó là "ngoằn ngoèo", với các cacbon tăng hoặc giảm liên quan đến cùng một mặt phẳng.

Điều này là do thực tế là ban đầu, tất cả các cacbon đều có lai hóa sp ³ , và do đó có dạng hình học tứ diện với góc liên kết là 109,5º. Nhưng, nếu quan sát kỹ hình dạng của các vòng thì không thể có góc của chúng; ví dụ, các góc trong tam giác xiclopropan là 60º.

Đây là những gì được gọi là ứng suất góc. Các vòng càng lớn, góc giữa các liên kết CC gần hơn đến 109,5 °, điều này làm giảm sức căng nói trên và tăng độ ổn định cho xycloalkan.

Một ví dụ khác được quan sát thấy trong xyclobutan, có góc liên kết là 90º. Trong xiclopentan, các góc của nó là 108º, và từ xyclohexan sau đó người ta nói rằng ứng suất góc không còn gây ra hiệu ứng mất ổn định đáng kể như vậy.

Sự phù hợp

Ngoài ứng suất góc, có những yếu tố khác góp phần gây ra ứng suất do xycloalkanes.

Các trái phiếu CC không thể xoay một cách đơn giản, vì điều này có nghĩa là toàn bộ cấu trúc sẽ “rung chuyển”. Do đó, các phân tử này có thể áp dụng các cấu trúc không gian được xác định rất rõ ràng. Mục đích của những chuyển động này là để giảm ứng suất gây ra bởi hiện tượng nhật thực của các nguyên tử hydro; nghĩa là, khi chúng nằm đối diện nhau.

Ví dụ, các quy định cho xyclobutan giống như một con bướm đang vỗ cánh; những xiclopentan, một bì; xyclohexan, thuyền hoặc ghế, và vòng càng lớn thì số lượng và hình dạng mà chúng có thể mang trong không gian càng lớn.

Nghịch đảo giữa cấu trúc giống chiếc ghế và hình chiếc thuyền đối với xyclohexan. Nguồn: Keministi.

Hình trên cho thấy một ví dụ về các quy định như vậy cho xyclohexan. Lưu ý rằng hình lục giác phẳng được cho là thực sự trông giống như một chiếc ghế (bên trái hình ảnh) hoặc một chiếc thuyền (bên phải). Một hydro được biểu thị bằng ký tự màu đỏ và một hydro khác bằng ký tự màu xanh lam, để cho biết vị trí tương đối của chúng thay đổi như thế nào sau khi đảo ngược.

Trong (1), khi hydro vuông góc với mặt phẳng của vòng, nó được cho là ở vị trí trục; và khi nó song song với nó, nó được cho là ở vị trí xích đạo.

Phản ứng

Các phản ứng mà xicloalkanes có thể trải qua cũng giống như đối với ankan. Cả hai đều cháy trong điều kiện có dư oxy trong các phản ứng cháy điển hình để tạo ra carbon dioxide và nước. Tương tự như vậy, cả hai đều có thể trải qua quá trình halogen hóa, trong đó hydro được thay thế bằng nguyên tử halogen (F, Cl, Br, I).

Các phản ứng của xiclopentan. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Phản ứng cháy và phản ứng halogen hóa xiclopentan được thể hiện bằng ví dụ trên. Một mol của nó cháy khi có nhiệt và 7,5 mol oxy phân tử bị phân hủy thành CO ₂ và H ₂ O. Mặt khác, khi có bức xạ tử ngoại và brom, nó thay thế một H bằng một Br, giải phóng một phân tử ở thể khí bởi HBr.

Các ứng dụng

Việc sử dụng xycloalkanes phụ thuộc nhiều vào số lượng carbon của chúng. Loại nhẹ nhất, và do đó ở dạng khí, đã từng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho đèn khí đốt trong chiếu sáng công cộng.

Mặt khác, chất lỏng có các tiện ích như dung môi cho dầu, mỡ hoặc các sản phẩm thương mại có bản chất không phân cực. Trong số này, đề cập đến có thể được làm bằng xyclopentan, xyclohexan và xycloheptan. Chúng cũng được sử dụng rất thường xuyên trong các hoạt động thường xuyên trong các phòng thí nghiệm dầu mỏ, hoặc trong việc pha chế nhiên liệu.

Nếu chúng nặng hơn, chúng có thể được sử dụng làm chất bôi trơn. Mặt khác, chúng cũng có thể là nguyên liệu ban đầu để tổng hợp thuốc; như carboplatin, bao gồm một vòng xyclobutan trong cấu trúc của nó.

Ví dụ về cycloalkanes

Cuối cùng, chúng ta quay trở lại phần đầu của bài viết: hình ảnh với một số cycloalkanes không được thay thế.

Để ghi nhớ xicloalkanes, chỉ cần nghĩ về các hình hình học: tam giác (xiclopropan), hình vuông (xiclobutan), ngũ giác (xiclopentan), lục giác (xyclohexan), hình lục giác (xycloheptan), hình lục giác (xyclodecan), ngũ giác (xiclopentadecan), v.v. .

Vòng càng lớn, nó càng ít giống với hình hình học tương ứng của nó. Người ta đã thấy rằng xyclohexan là bất cứ thứ gì ngoại trừ một hình lục giác; điều tương tự cũng rõ ràng hơn với cyclotetradecane (mười bốn cacbon).

Có một thời điểm mà chúng sẽ hoạt động giống như những chiếc vòng cổ có thể gấp lại để giảm thiểu sự căng thẳng của các liên kết và sự lu mờ của chúng.

Người giới thiệu

1. Morrison, RT và Boyd, R, N. (1987). Hóa học hữu cơ. Phiên bản thứ 5. Biên tập Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Hóa học hữu cơ. (Tái bản lần thứ sáu). Đồi Mc Graw.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Hóa học hữu cơ. Các amin. (Tái bản lần thứ 10.). Wiley Plus.
4. Hóa học LibreTexts. (Ngày 02 tháng 6 năm 2019). Đặt tên cho Cycloalkanes. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cycloalkane. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Giới thiệu ankan và xicloankan. Được khôi phục từ: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Các biến dạng và Cycloalkanes. Thạc sĩ Hóa học hữu cơ. Được khôi phục từ: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (sf). Thuyết Cycloalkanes. Hóa học hữu cơ. Phục hồi từ: quimicaorganica.org