Propriétés de cyclisme, réactions, utilisations, exemples

Les Cycloalcanos Ils sont une famille d'hydrocarbures saturés avec une formule générale de C_nH_2n qui coïncide avec celui des alcènes; avec la différence que l'insaturation apparente n'est pas due à une double liaison, mais à un anneau ou à un cycle. C'est pourquoi ils sont considérés comme des isomères Alquenos.

Ceux-ci sont formés lorsque des alcanes linéaires unissent les extrémités de leurs chaînes pour créer une structure fermée. Comme pour les alcanes, le cycloalcan peut présenter différentes tailles, masses moléculaires, substitutions ou même des systèmes composés de plus d'un anneau (polycyclicals).

Quelques cycloalcanos monocycliques. Source: Mephisto Spa via Wikipedia.

Du reste, de la chimie et physiquement, ils sont similaires aux alcanes. Ils n'ont que des carbones et des hydrogènes, ce sont des molécules neutres et interagissent donc à travers les forces des murs de van der. Ils servent également de carburants, libérant de la chaleur lorsqu'ils brûlent en présence d'oxygène.

Pourquoi les cycloalcanos sont-ils plus instables que leurs homologues de chaîne ouverte? La raison peut être suspectée en observant les exemples de cycloalcanos représentés dans l'image supérieure: il y a des tensions stériques (spatiales) et des obstacles.

Notez que moins les carbones (répertoriés en bleu), plus la structure est fermée; Et l'inverse se produit lorsqu'ils augmentent, tournant comme un collier.

Les petits cycloalcanos sont gazeux, et à mesure que leurs tailles augmentent leurs forces intermoléculaires. Par conséquent, ils peuvent être liquides capables de dissoudre les graisses et apolaires, lubrifiants ou solides qui ont l'air de couleurs et de qualités sombres telles que les couleurs asphaltes.

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Proprietes physiques et chimiques

Polarité

Lorsqu'ils sont composés uniquement de carbones et d'hydrogènes, des atomes qui ne diffèrent pas trop en électronégativité, cela rend les molécules cycloalc apolaires et manque donc un moment dipolaire.

Ils ne peuvent pas interagir à travers des forces dipol-dipoles, mais ils dépendent spécifiquement des forces de Londres, qui sont faibles mais qui augmentent avec la masse moléculaire. C'est pourquoi les petits cycloalcanos (avec moins de cinq carbones) sont gazeux.

Interactions intermoléculaires

D'un autre côté, puisque ce sont des anneaux, les cycloalcanos ont une plus grande zone de contact, qui favorise les forces de Londres parmi leurs molécules. Ainsi, ils sont regroupés et interagissent mieux par rapport aux alcanes; Et donc ses points d'ébullition et de fusion sont plus élevés.

De plus, car ils ont deux atomes d'hydrogène en moins (C_nH_2n Pour les cycloalcanos et c_nH_{2n + 2} Pour les alcanes), ils sont plus légers; Et en ajoutant à cela le fait de sa plus grande zone de contact, diminue le volume occupé par ses molécules, et par conséquent, ils sont plus denses.

Saturation

Pourquoi les cycloalcanos comme hydrocarbures saturés sont-ils classés? Parce qu'ils ont la façon dont ils incorporent une molécule d'hydrogène; À moins que l'anneau ne s'ouvre, et dans ce cas, ils deviendraient simples alcanes. Pour qu'un hydrocarbure soit considéré comme saturé, il doit avoir le nombre maximal possible de liaisons C-H.

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La stabilité

Chimiquement ils sont très similaires aux alcanes. Les deux ont des liens C-C et C-H, qui ne sont pas si faciles à casser pour provoquer d'autres produits. Cependant, leur stabilité relative diffère, qui peut être vérifiée expérimentalement en mesurant leurs chaleurs de combustion (ΔH_peigne).

Par exemple, par rapport au ΔH_peigne Pour le propane et le cyclopropo (représenté par un triangle dans l'image), il y a 527,4 kcal / mol et 498,9 kcal / mol, respectivement.

Le détail est que le cyclopropane_peigne mineur (471 kcal / mol) car ce sont trois groupes de méthylène, CHO₂; Mais en réalité, il libère plus de chaleur, reflétant l'instabilité supérieure à celle estimée. Cet excès d'énergie est dit qu'il est dû à des tensions à l'intérieur de l'anneau.

Et en fait, ces tensions régissent et différencient la réactivité ou la stabilité des cycloalcanos, par rapport aux alcanes, contre des réactions spécifiques. Tant que les tensions ne sont pas très élevées, les cycloalcanos ont tendance à être plus stables que leurs sommets respectifs.

Nomenclature

Quelques exemples de cycloalcan substitué pour tester les règles de nomenclature. Source: Gabriel Bolívar.

La nomenclature régie par l'IUPAC pour les cycloalcanos ne diffère pas trop que celle des alcanes. La règle la plus simple de tous est de placer le préfixe du cycle - au nom de l'alcane dont le cycloalcano est formé.

Ainsi, par exemple, du n-hexane, cho₃Ch₂Ch₂Ch₂Ch₂Ch₃, Le cyclohexan est obtenu (représenté par un hexagone dans la première image). De la même manière, cela se produit avec le cyclopropane, le cyclobutane, etc.

Maintenant, ces composés peuvent subir des substitutions de l'un de leurs hydrogènes. Lorsque le nombre de carbones de l'anneau est supérieur à celui des substituants de location, l'anneau est considéré comme la chaîne principale; C'est le cas de a) pour l'image supérieure.

Notez que dans a) le cyclobutane (le carré), a plus de carbones que le groupe propile qui lui est lié; Ensuite, ce composé est nommé propylciclobutano.

S'il y a plus d'un substituant, ils doivent être nommés dans l'ordre alphabétique et de telle manière qu'ils ont le moins possible le numéro de localisation possible. Par exemple, b) est appelé: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcicloheptano (et non 1-bromo-5-fluoro-7-butylcicloheptano, qui serait incorrect).

Et enfin, lorsque le substituant alquilique a plus de carbones que l'anneau, il est dit alors que ce dernier est le groupe de substitut de la chaîne principale. Ainsi, c) est appelé: 4-cyclohexilnonano.

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Structure

Laissant de côté les cycans substitués, il est pratique de se concentrer uniquement sur leurs bases structurelles: les anneaux. Celles-ci étaient représentées dans la première image.

Lorsque vous les observez, la fausse idée peut se produire que de telles molécules sont plates; Mais à l'exception du cyclopropo, ses surfaces sont des "zigzagenantes", avec des carbones qui descendent ou se téléchargent par rapport au même plan.

C'est parce que pour démarrer tous les carbones a une hybridation SP³, et donc présentent des géométries tétraédriques avec des angles de liaison de 109,5 °. Mais, si la géométrie des anneaux est soigneusement observée, il est impossible que leurs angles soient; Par exemple, les angles dans le triangle cyclopropane sont 60º.

C'est ce que l'on appelle la tension angulaire. Plus les anneaux sont grands, l'angle entre les liaisons C-C est plus proche de 109,5 °, ce qui entraîne une diminution de cette tension et une augmentation de la stabilité du cycloalcan.

Un autre exemple est observé dans le cyclobutane, dont les angles de liaison sont à 90 °. Déjà dans le cyclopentano, ses angles sont de 108 °, et du cyclohexan, il est alors dit que la tension angulaire cesse d'exercer un tel effet de remarque ainsi remarqué.

Conformations

En plus de la tension angulaire, il existe d'autres facteurs qui contribuent à la tension ressentie par les cycloalcanos.

Les liens C-C ne peuvent pas tourner sans plus, car cela impliquerait que toute la structure "frissonne". Ainsi, ces molécules peuvent adopter des conformations spatiales très bien définies. Le but de ces mouvements est de réduire les tensions causées dans l'éclipse des atomes d'hydrogène; c'est-à-dire quand l'un devant l'autre.

Par exemple, les conformations pour le cyclobutane ressemblent à un papillon qui bat ses ailes; ceux du Cyclopentano, une enveloppe; Ceux du cyclohexan, d'un bateau ou d'une chaise, et plus la bague est grande, plus le nombre et les formes qu'ils peuvent adopter dans l'espace.

Investissements entre la chaise et la conformation du type de bateau pour le cyclohexane. Source: Kministi [CC0].

L'image supérieure montre un exemple de telles conformations pour le cyclohexane. Notez que l'hexagone plat présumé ressemble vraiment à une chaise (à gauche de l'image) ou à un bateau (à droite). Un hydrogène est représenté avec des paroles rouges, et une autre avec des paroles bleues, pour indiquer comment leurs positions relatives changent après les investissements.

Dans (1), lorsque l'hydrogène est perpendiculaire au plan de l'anneau, il est dit qu'il est en position axiale; Et quand il est parallèle à cela, on dit qu'il est en position équatoriale.

Réactions

Les réactions que le cycloalcan peut subir est la même que pour les alcanes. Les deux brûlent en présence d'un excès d'oxygène dans les réactions de combustion typiques pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau. De même, les deux peuvent souffrir d'halogénations, dans lesquelles un hydrogène est remplacé par un atome halogène (F, Cl, Br, i).

Il peut vous servir: avantages et inconvénients de la chimie de la santéRéactions de cyclopentano. Source: Gabriel Bolívar.

Au-dessus des réactions de combustion et d'halogénnation pour le cyclopentano est représentée comme un exemple. Une taupe brûle en présence de chaleur et 7,5 moles d'oxygène moléculaire pour se décomposer en CO₂ et h₂SOIT. D'un autre côté, en présence d'Ultraviolet et de Brome.

Applications

L'utilisation de cycloalcanos dépend en grande partie de leur nombre de carbones. Les plus légers, et donc gazeux, ont autrefois servi à nourrir les lampes à gaz des lumières publiques.

Les liquides, quant à eux, ont des bénéfices en tant que solvants d'huiles, de graisses ou de produits commerciaux de nature apolaire. Parmi ceux-ci, vous pouvez mentionner le cyclopentano, le cyclohexan et le cycloheptane. De même, ils sont souvent utilisés dans les opérations de routine dans les laboratoires de Petróleos, ou dans la formulation de carburant.

S'ils sont plus lourds, ils peuvent être utilisés comme lubrifiants. D'un autre côté, ils peuvent également représenter le matériel de départ de la synthèse des médicaments; Comme la carboplatine, qui comprend dans sa structure un anneau cyclobutane.

Exemples de cychanaux

Enfin, il est renvoyé au début de l'article: L'image avec plusieurs cycloalcanos non répartis.

Pour mémoriser les cycloalcanos, il suffit de penser aux figures géométriques: triangle (cyclopropane), carré (cyclobutane), pentagone (cyclopentano), hexagon.

Plus l'anneau est gros, moins il ressemble à sa figure géométrique respective. On a déjà vu que le cyclohexan est tout sauf un hexagone; La même chose se produit plus évidemment avec le cyclootetradecano (quatorze carbones).

Un point vient où ils se comporteront comme des colliers qui peuvent être pliés pour diminuer les tensions de leurs liens et éclipses au maximum.

Les références

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