Cykloalkany Budowa, Szereg homologiczny, Izomeria położenia, geometryczna i nazewnictwo, Otrzymywanie cykloalkanów Właściwości cykloalkanów

Szereg homologiczny cykloalkanów Cykloalkany - węglowodory, których atomy połączone są wyłącznie wiązania kowalencyjnymi (atomowymi), tworząc zamknięty układ cykliczny należą do szeregu homologicznego o ogólnym wzorze CnH2n, gdzie n ≥ 3 Nazwy systematyczne tworzy się poprzez dodanie przedrostka „cyklo” do nazwy systematycznej alkanu o tej samej liczbie at. C w cząsteczce.

Szereg homologiczny cykloalkanów cd Cyklopropan C3H6 Cyklobutan C4H8 CH2 H2C CH2 H2C CH2

Szereg homologiczny cykloalkanów cd Cyklobutan C5H12 Cykloheksan C6H12 CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2

Izomeria położenia podstawnika W cykloalkanach o co najmniej 4 at. C występuje izomeria konstytucyjna – izomeria położenia podstawnika – zamiast atomu (ów) wodoru może być przyłączony jednowartościowy (jeden lub dwa) podstawnik (i), np. grupa (y) alkilowa (e) - alkil (e) CH3 cyklobutan metylocyklopropan

Izomeria położenia podstawnika cd Izomery dimetylocykloheksanu C8H16 1,2-dimetylocykloheksan 1,3-dimetylocykloheksan CH3 | H1C CH3 / H26C 2CH | | H25C 3CH2 4CH2 H1C H26C 2CH2 H25C 3CH \ 4CH2 CH3

Izomeria położenia podstawnika cd Izomery dimetylocykloheksanu C8H16 cd 1,4-dimetylocykloheksan 1,1-dimetylocykloheksan CH3 | H1C H26C 2CH2 | | H25C 3CH2 4CH H3C CH3 \ / 1C 4CH2

Izomeria geometryczna cykloalkanów i halogenocykloalkanów W związku z znacznie mniejszymi kątami między orbitalami wiążącymi w cykloalkanach, niż to wnika z hybrydyzacji sp3,w cykloalkanych nie ma możliwości rotacji wokół wiązań C – C. Tak jak w przypadku alkenów, podstawniki tego samego rodzaju mogą znajdować się po tej samej lub po obu stronach płaszczyzny , w której leży wiązanie rozpatrywanych at. C w cząsteczce cykloalkanu lub helogenocykloalkanu. Wyróżnia się formy cis i formy trans.

Izomeria geometryczna cykloalkanów i dihalogenocykloalkanów Cis-1,2-dimetylocyklopropan Cis-1,2-dibromocyklopropan H3C H 1C H23C 2C H H3C H Br H23C 2C Br H Trans-1,2-dimetylocyklopropan Trans-1,2-dibromocyklopropan H CH3 H Br Br H

Otrzymywanie cykloalkanów Cyklopentan i cykloheksan oraz ich pochodne są składnikami ropy naftowej, otrzymuje się w procesie destylacji frakjonowanej wykorzystując różnice w temp. wrzenia i skraplania tych węglowodorów. Synteza organiczna – reakcja Würtza CH2 – CH2 – Cl CH2 – CH2 H2C + 2Na  H2C + 2NaCl CH2 – CH2 – Cl CH2 – CH2 1,5-dichloropentan cyklopentan

Otrzymywanie cykloalkanów cd Uwodorowanie (hydrogenacja) cykloalkenów, cykloalkinów lub benzenu oraz jego homologów w obecności katalizatora Ni i podwyższonej temp. H2C CH H2C CH2 + H2  H2C CH H2C CH2 cyklobuten cyklobutan H2C C H2C CH2 + 2H2  H2C C H2C CH2 cyklobutyn cyklobutan

Właściwości fizyczne cykloalkanów W warunkach normalnych cyklopropan i cyklobutan są gazami, o temp. wrzenia wyższych niż odpowiednio propanu oraz butanu. Cyklopentan i cykloheksan w warunkach normalnych są cieczami również o temp. wrzenia wyższej niż odpowiednio pentanu i heksanu. Trwałość a tym samym aktywność cykloalkanów chemiczna zależy od wielkości pierścienia, im mniejszy kąt między wiązaniami σ między atomami węgla w od kąta 109o28`(wynikającego z hybrydyzacji sp3) tym silniejsze są naprężenia na wiązaniach i tym samym mniejsza trwałość cząsteczki. Najmniej trwałą cząsteczką jest cyklopropan, większą trwałością wykazuje cyklobutan, natomiast cyklopentan i cykloheksan wykazują znaczną trwałość. Wynika to z możliwości większej swobody rotacji na wiązaniach C – C w pierścieniu , przez co atomy C nie leżą w jednej płaszczyźnie ; np. cykloheksan przyjmują konformację łódeczkową lub krzesełkową aby zmniejszyć naprężenia na wiązaniach w pierścieniu, w tych konformerach kąty są zbliżone do kąta wynikającego z hybrydyzacji sp3. Takie zjawisko jest niemożliwe w cząsteczce cyklopropanu, która jest cząsteczką płaską, a kąty wynoszą 60o.

Właściwości chemiczne Reakcje spalania – identycznie jak alkany Cyklopropan i cyklobutan ze względu na małą trwałość i dużą aktywność chemiczną ulegają reakcji addycji (przyłączenia bromu a w obecności katalizatora - Ni wodoru) połączoną z rozerwaniem układu cyklicznego H2C CH2 CH2 – CH2 – CH2 Br2  | | CH2 Br Br cyklopropan 1,3-dibromopropan H2C CH2 H2  CH3 – CH2 – CH3 CH2 cyklopropan propan

Właściwości chemiczne cd Cykloalkany o 5 i więcej at. C w pierścieniu ulegają reakcji substytucji, tak jak alkany CH2 H CH2 H H2C C + Br2  H2C C + HBr H Br H2C CH2 H2C CH2 cyklopentan bromocyklopentan Cykloalkany stosunkowo łatwo ulegają utlenieniu, produktem są kwasy dikarboksylowe 2 + 5O2 2 HOOC – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – COOH + 2H2O cykloheksan kwas heksanodiowy (adypinowy)