CYCLOALKANES: คุณสมบัติปฏิกิริยาการใช้งานตัวอย่าง - เคมี

cycloalkanesเป็นครอบครัวของไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวด้วยสูตรทั่วไปของซี_n H _2nประจวบกับแอลคีน; ด้วยความแตกต่างที่ความไม่อิ่มตัวที่ชัดเจนไม่ได้เกิดจากพันธะคู่ แต่เป็นวงแหวนหรือวัฏจักร นั่นคือเหตุผลที่พวกเขาถือว่าเป็นไอโซเมอร์ของอัลคีน

สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อแอลเคนเชิงเส้นเข้าร่วมกับปลายโซ่เพื่อสร้างโครงสร้างปิด เช่นเดียวกับแอลเคนไซโคลแอลเคนสามารถแสดงขนาดมวลโมเลกุลการแทนที่หรือแม้แต่ระบบที่ประกอบด้วยวงแหวนมากกว่าหนึ่งวงแหวน (โพลีไซคลิก)

monocyclic cycloalkanes บางชนิด ที่มา: Mephisto spa ผ่าน Wikipedia

มิฉะนั้นทางเคมีและทางกายภาพจะคล้ายกับอัลเคน พวกมันมีคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่านั้นเป็นโมเลกุลที่เป็นกลางดังนั้นจึงมีปฏิสัมพันธ์โดยกองกำลัง Van der Walls นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงโดยปล่อยความร้อนเมื่อเผาไหม้ต่อหน้าออกซิเจน

เหตุใดไซโคลแอลเคนจึงไม่เสถียรมากกว่าโซ่เปิด เหตุผลสามารถสงสัยได้จากมุมมองตานกของตัวอย่างของไซโคลแอลเคนที่แสดงในภาพด้านบน: มีความตึงเครียดและอุปสรรค (เชิงพื้นที่)

โปรดทราบว่ายิ่งมีคาร์บอนน้อยลง (แสดงเป็นสีน้ำเงิน) โครงสร้างยิ่งปิดมากขึ้น และตรงกันข้ามเกิดขึ้นเมื่อมันเพิ่มขึ้นกลายเป็นเหมือนสร้อยคอ

ไซโคลแอลเคนขนาดเล็กเป็นก๊าซและเมื่อขนาดของมันเพิ่มขึ้นแรงระหว่างโมเลกุลก็เช่นกัน ดังนั้นจึงสามารถเป็นของเหลวที่สามารถละลายไขมันและโมเลกุลของอะโพลาร์น้ำมันหล่อลื่นหรือของแข็งที่มีสีเข้มและมีคุณภาพเหมือนกับยางมะตอย

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี

กระแสไฟฟ้า

ด้วยการประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่านั้นอะตอมที่อยู่ในตัวเองไม่แตกต่างกันมากเกินไปในด้านอิเล็กโตรเนกาติวิตีสิ่งนี้ทำให้โมเลกุลของไซโคลแอลเคนอะโพลาร์จึงขาดโมเมนต์ไดโพล

พวกมันไม่สามารถโต้ตอบผ่านกองกำลังไดโพล - ไดโพลได้ แต่ขึ้นอยู่กับกองกำลังลอนดอนซึ่งอ่อนแอ แต่เพิ่มขึ้นตามมวลโมเลกุล นั่นคือสาเหตุที่ไซโคลแอลเคนขนาดเล็ก (มีคาร์บอนน้อยกว่าห้าตัว) เป็นก๊าซ

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล

ในทางกลับกันเนื่องจากเป็นวงแหวนไซโคลแอลเคนจึงมีพื้นที่สัมผัสมากขึ้นซึ่งสนับสนุนกองกำลังลอนดอนระหว่างโมเลกุลของพวกมัน ดังนั้นพวกเขาจึงจัดกลุ่มและมีปฏิสัมพันธ์ในทางที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับอัลเคน และด้วยเหตุนี้จุดเดือดและจุดหลอมเหลวจึงสูงขึ้น

นอกจากนี้เนื่องจากมีไฮโดรเจนน้อยกว่าสองอะตอม (C _n H _2nสำหรับไซโคลแอลเคนและ C _n H _{2n + 2}สำหรับแอลเคน) จึงมีน้ำหนักเบากว่า และเมื่อเพิ่มความจริงของพื้นที่สัมผัสที่มากขึ้นปริมาตรที่ถูกครอบครองโดยโมเลกุลของมันจะลดลงดังนั้นจึงมีความหนาแน่นมากขึ้น

ความอิ่มตัว

เหตุใดไซโคลแอลเคนจึงจัดเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว? เพราะพวกมันไม่มีวิธีรวมโมเลกุลไฮโดรเจน เว้นแต่แหวนจะถูกเปิดซึ่งในกรณีนี้พวกมันจะกลายเป็นอัลเคนธรรมดา ๆ ในการพิจารณาว่าไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวนั้นจะต้องมีพันธะ CH ตามจำนวนสูงสุดที่เป็นไปได้

ความมั่นคง

ทางเคมีมีความคล้ายคลึงกับอัลเคน ทั้งสองมีพันธะ CC และ CH ซึ่งไม่ง่ายนักที่จะทำลายเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์อื่น ๆ อย่างไรก็ตามความเสถียรสัมพัทธ์แตกต่างกันซึ่งสามารถตรวจสอบได้โดยการวัดความร้อนของการเผาไหม้ ( _หวี ΔH )

ตัวอย่างเช่นเมื่อเปรียบเทียบ_หวี ΔH สำหรับโพรเพนและไซโคลโพรเพน (แสดงด้วยรูปสามเหลี่ยมในภาพ) คุณมี 527.4 kcal / mol และ 498.9 kcal / mol ตามลำดับ

รายละเอียดก็คือไซโคลโพรเพนซึ่งขึ้นอยู่กับความร้อนของการเผาไหม้ของอัลเคนควรมี_หวี ΔH ต่ำกว่า (471 กิโลแคลอรี / โมล) เนื่องจากเป็นกลุ่มเมทิลีนสามกลุ่ม CH ₂ ; แต่ในความเป็นจริงแล้วมันจะปล่อยความร้อนออกมามากขึ้นซึ่งสะท้อนถึงความไม่แน่นอนมากกว่าที่ประมาณการไว้ จากนั้นกล่าวว่าพลังงานส่วนเกินนี้เกิดจากความเครียดภายในวงแหวน

และในความเป็นจริงความตึงเครียดเหล่านี้ควบคุมและแยกความแตกต่างของปฏิกิริยาหรือความเสถียรของไซโคลแอลเคนในส่วนที่เกี่ยวกับอัลเคนต่อปฏิกิริยาเฉพาะ ตราบใดที่ความเค้นไม่สูงมากไซโคลแอลเคนมักจะมีเสถียรภาพมากกว่าอัลเคนตามลำดับ

ศัพท์เฉพาะ

ตัวอย่างบางส่วนของไซโคลแอลเคนที่ใช้แทนเพื่อทดสอบกฎการตั้งชื่อ ที่มา: Gabriel Bolívar

ระบบการตั้งชื่อ IUPAC สำหรับไซโคลแอลเคนไม่แตกต่างจากแอลเคนมากนัก กฎที่ง่ายที่สุดของทั้งหมดคือนำไซโคล - ขึ้นต้นเป็นชื่อของแอลเคนที่สร้างไซโคลแอลเคน

ดังนั้นตัวอย่างเช่นจาก n-hexane, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃จะได้รับไซโคลเฮกเซน (แสดงด้วยรูปหกเหลี่ยมในภาพแรก) สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับไซโคลโพรเพนไซโคลบิวเทน ฯลฯ

อย่างไรก็ตามสารประกอบเหล่านี้สามารถทดแทนไฮโดรเจนตัวใดตัวหนึ่งได้ เมื่อจำนวนคาร์บอนในวงแหวนมากกว่าของสารทดแทนอัลคิลแหวนจะถูกยึดเป็นโซ่หลัก นี่คือกรณีของ a) สำหรับภาพด้านบน

โปรดสังเกตว่าใน a) ไซโคลบิวเทน (รูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส) มีคาร์บอนมากกว่ากลุ่มโพรพิลที่ติดอยู่ ดังนั้นสารประกอบนี้จึงถูกตั้งชื่อเป็นโพรพิลไซโคลบิวเทน

หากมีสารทดแทนมากกว่าหนึ่งรายการควรตั้งชื่อตามลำดับตัวอักษรและในลักษณะที่มีหมายเลขระบุตำแหน่งน้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น b) เรียกว่า 1-bromo-4-fluoro-2-butylcycloheptane (ไม่ใช่ 1-bromo-5-fluoro-7-butylcycloheptane ซึ่งจะไม่ถูกต้อง)

และในที่สุดเมื่อสารทดแทนอัลคิลมีคาร์บอนมากกว่าวงแหวนจึงกล่าวได้ว่าเป็นกลุ่มทดแทนของโซ่หลัก ดังนั้น c) เรียกว่า: 4-cyclohexylnonane

โครงสร้าง

ทิ้งไซโคลแอลเคนที่ทดแทนไว้แล้วจะสะดวกในการโฟกัสเฉพาะฐานโครงสร้างของพวกมันเท่านั้น: วงแหวน สิ่งเหล่านี้ปรากฎในภาพแรก

การสังเกตพวกมันสามารถนำไปสู่ความคิดผิด ๆ ที่ว่าโมเลกุลนั้นแบน แต่ยกเว้นไซโคลโพรเพนพื้นผิวของมันจะ "ซิกแซก" โดยมีคาร์บอนขึ้นหรือลงโดยสัมพันธ์กับระนาบเดียวกัน

นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเริ่มต้นด้วยคาร์บอนทั้งหมดมีการผสมพันธุ์ sp ³ดังนั้นจึงนำเสนอรูปทรงจัตุรมุขที่มีมุมพันธะ109.5º แต่ถ้าสังเกตรูปทรงเรขาคณิตของวงแหวนอย่างรอบคอบก็เป็นไปไม่ได้ที่มุมของพวกมันจะเป็นแบบนี้ ตัวอย่างเช่นมุมภายในสามเหลี่ยมไซโคลโพรเพนคือ60º

นี่คือสิ่งที่เรียกว่าความเครียดเชิงมุม ยิ่งวงแหวนมีขนาดใหญ่เท่าใดมุมระหว่างพันธะ CC ก็ใกล้ถึง 109.5 °ซึ่งทำให้ความตึงเครียดดังกล่าวลดลงและการเพิ่มเสถียรภาพของไซโคลแอลเคน

อีกตัวอย่างหนึ่งที่สังเกตได้ในไซโคลบิวเทนซึ่งมีมุมพันธะ90º แล้วในไซโคลเพนเทนมุมของมันคือ108ºและจากไซโคลเฮกเซนมีการกล่าวกันว่าความเครียดเชิงมุมจะไม่ส่งผลต่อการสั่นสะเทือนที่น่าทึ่ง

conformations

นอกจากความเครียดเชิงมุมแล้วยังมีปัจจัยอื่น ๆ ที่ทำให้เกิดความเครียดโดยไซโคลแอลเคน

พันธะซีซีไม่สามารถหมุนได้ง่ายๆเพราะจะบ่งบอกว่าโครงสร้างทั้งหมดจะ“ สั่น” ดังนั้นโมเลกุลเหล่านี้จึงสามารถปรับใช้รูปแบบเชิงพื้นที่ที่กำหนดไว้ได้เป็นอย่างดี จุดประสงค์ของการเคลื่อนไหวเหล่านี้คือเพื่อลดความเครียดที่เกิดจากการเกิดคราสของอะตอมของไฮโดรเจน นั่นคือเมื่อพวกเขาอยู่ตรงข้ามกัน

ตัวอย่างเช่นรูปแบบของไซโคลบิวเทนคล้ายกับผีเสื้อกระพือปีก พวกไซโคลเพนเทนซองจดหมาย; พวกไซโคลเฮกเซนเรือหรือเก้าอี้และยิ่งวงแหวนมีขนาดใหญ่เท่าใดก็จะยิ่งมีจำนวนและรูปร่างมากขึ้นในอวกาศ

การผกผันระหว่างโครงสร้างแบบเก้าอี้และแบบเรือสำหรับไซโคลเฮกเซน ที่มา: Keministi

ภาพด้านบนแสดงตัวอย่างของความสอดคล้องดังกล่าวสำหรับไซโคลเฮกเซน โปรดทราบว่ารูปหกเหลี่ยมแบนที่ควรจะดูเหมือนเก้าอี้ (ทางด้านซ้ายของภาพ) หรือเรือ (ทางด้านขวา) ไฮโดรเจนหนึ่งตัวแสดงด้วยตัวอักษรสีแดงและอีกตัวเป็นตัวอักษรสีน้ำเงินเพื่อระบุว่าตำแหน่งสัมพัทธ์เปลี่ยนไปอย่างไรหลังจากการผกผัน

ใน (1) เมื่อไฮโดรเจนตั้งฉากกับระนาบของวงแหวนจะบอกว่าอยู่ในตำแหน่งแกน และเมื่อมันขนานกับมันจะบอกว่าอยู่ในตำแหน่งเส้นศูนย์สูตร

ปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาที่ไซโคลแอลเคนสามารถเกิดขึ้นได้นั้นเหมือนกับอัลเคน ทั้งสองเผาไหม้เมื่อมีออกซิเจนส่วนเกินในปฏิกิริยาการเผาไหม้ทั่วไปเพื่อผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ในทำนองเดียวกันทั้งสองสามารถได้รับฮาโลเจนซึ่งไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมฮาโลเจน (F, Cl, Br, I)

ปฏิกิริยาของไซโคลเพนเทน ที่มา: Gabriel Bolívar

ปฏิกิริยาการเผาไหม้และการทำฮาโลเจนสำหรับไซโคลเพนเทนแสดงโดยตัวอย่างข้างต้น โมเลกุลหนึ่งของมันเผาไหม้ต่อหน้าความร้อนและออกซิเจนโมเลกุล 7.5 โมลเพื่อสลายตัวเป็น CO ₂และ H ₂ O ในทางกลับกันเมื่อมีรังสีอัลตราไวโอเลตและโบรมีนจะแทนที่ H หนึ่งตัวต่อหนึ่ง Br ปล่อยโมเลกุลของก๊าซ โดย HBr.

การประยุกต์ใช้งาน

การใช้ไซโคลแอลเคนขึ้นอยู่กับจำนวนคาร์บอน ครั้งหนึ่งก๊าซที่เบาที่สุดและเป็นก๊าซจึงเคยถูกใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับตะเกียงแก๊สในที่สาธารณะ

ในส่วนของของเหลวมียูทิลิตี้เป็นตัวทำละลายสำหรับน้ำมันไขมันหรือผลิตภัณฑ์ทางการค้าที่มีลักษณะไม่เป็นขั้ว ในจำนวนนี้อาจมีการกล่าวถึงไซโคลเพนเทนไซโคลเฮกเซนและไซโคลเฮปเทน นอกจากนี้ยังใช้บ่อยมากในการปฏิบัติงานประจำในห้องปฏิบัติการน้ำมันหรือในการกำหนดเชื้อเพลิง

ถ้าหนักกว่าก็ใช้เป็นน้ำมันหล่อลื่นได้ ในทางกลับกันพวกเขายังสามารถเป็นตัวแทนของวัสดุเริ่มต้นสำหรับการสังเคราะห์ยา เช่นคาร์โบพลาตินซึ่งรวมถึงวงแหวนไซโคลบิวเทนในโครงสร้าง

ตัวอย่างของไซโคลแอลเคน

ในที่สุดเรากลับไปที่จุดเริ่มต้นของบทความ: ภาพที่มีไซโคลแอลเคนหลายตัวที่ไม่ได้แทนที่

ในการจดจำไซโคลแอลเคนเพียงแค่คิดถึงรูปทรงเรขาคณิตสามเหลี่ยม (ไซโคลโพรเพน) สี่เหลี่ยม (ไซโคลบูเทน) เพนตากอน (ไซโคลเพนเทน) หกเหลี่ยม (ไซโคลเฮกเซน) เฮปตากอน (ไซโคลเฮปเทน) เดกกอน (ไซโคลเดเคน) เพนทาเดกอน (ไซโคลเพนทาดีเคน) และอื่น ๆ .

ยิ่งวงแหวนมีขนาดใหญ่เท่าใดก็จะยิ่งมีลักษณะคล้ายกับรูปทรงเรขาคณิตน้อยลงเท่านั้น ได้เห็นแล้วว่าไซโคลเฮกเซนเป็นอะไรก็ได้นอกจากรูปหกเหลี่ยม เช่นเดียวกันกับ cyclotetradecane (คาร์บอนสิบสี่ตัว)

มีจุดหนึ่งที่พวกเขาจะทำตัวเหมือนสร้อยคอที่สามารถพับเก็บได้เพื่อลดความเครียดจากการเชื่อมโยงและการบดบัง

อ้างอิง

Morrison, RT และ Boyd, R, N. (1987) เคมีอินทรีย์. พิมพ์ครั้งที่ 5. บรรณาธิการ Addison-Wesley Interamericana
แครี่ F. (2008). เคมีอินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่หก). Mc Graw Hill
Graham Solomons TW, Craig B.Fryhle (2011) เคมีอินทรีย์. เอมีน (พิมพ์ครั้งที่ 10.). ไวลีย์พลัส
เคมี LibreTexts (02 มิถุนายน 2562). การตั้งชื่อไซโคลแอลเคน สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
วิกิพีเดีย (2019) Cycloalkane สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
คลาร์กจิม (2015) ขอแนะนำแอลเคนและไซโคลแอลเคน สืบค้นจาก: chemguide.co.uk
เจมส์ Ashenhurst (2019) Conformations และ Cycloalkanes ปริญญาโทเคมีอินทรีย์ ดึงมาจาก: masterorganicchemistry.com
FernándezGermán (เอสเอฟ) Cycloalkanes ทฤษฎี เคมีอินทรีย์. สืบค้นจาก: quimicaorganica.org

CYCLOALKANES: คุณสมบัติปฏิกิริยาการใช้งานตัวอย่าง - เคมี - 2026