Както е обяснено в текста Реакции на добавяне, тези органични реакции обикновено протичат със съединения, които имат ненаситеност (двойни връзки или тройни), при които връзката pi се прекъсва, позволявайки влизането на атоми или групи атоми във веригата. въглероден.
Този тип реакция обаче се среща и в случай на циклоалкани (въглеводороди със затворена верига само с наситени (прости) връзки между въглероди), които имат три или четири въглеродни атома. Обърнете внимание на пример по-долу, който е бромирането (реакция на халогениране) на циклопропан:
CH2
/ \ + бр2 → бр CH2 CH2 CH2 ─ бр
З.2С СН2
По същия начин има и реакция на присъединяване, наречена хидрохалогениране или добавяне на халид, както е показано по-долу:
CH2
/ \ + HBr → З. CH2 CH2 CH2 ─ бр
З.2С СН2
Имайте предвид, че и в двата случая молекулата е счупена и са получени съединения с отворена верига.
Но това не се случва толкова лесно при циклоалкани с пет или повече въглеродни атома. От друга страна, тези съединения са по-склонни да се представят
заместителни реакции, при които връзката не е прекъсната, а по-скоро един или повече водородни атоми, свързани с въглерод, се заменят с атоми на други елементи.Циклопентанът все още може да провежда реакции на присъединяване, но само при по-високи температури (около 300 ° C). В случая с циклохексан това е много трудно. Това, което всъщност прави, са заместващи реакции, като следното хлориране:
CH2 CH2
/ \ / \
З.2С СН2 З.2C CH ─ Cl
│ │ + Cl2→ │ │ + HCl
З.2С СН2 З.2С СН2
\ / \ /
CH2 CH2
Пръстените с пет или повече въглеродни атома не реагират с хидрохалогенни киселини, като HBr, в допълнение към реакциите.
Но защо се случва това? Защо циклоалканите с три или четири въглерода извършват присъединителни реакции, а циклоалканите с повече въглеродни атоми обикновено не?
Е, това е така, защото циклопропанът и циклобутанът са по-нестабилни, така че е по-лесно да разкъсат връзките им.
Йохан Фридрих Адолф фон Байер (1835-1917)
За да обясни това, немският химик Йохан Фридрих Адолф фон Байер (1835-1917) разработва през 1885 г. т.нар. Теория на пръстенния стрес, което показа това четирите връзки, направени от въглеродните атоми, ще бъдат по-стабилни, когато имат ъгъл равен на 109º 28 ', какъвто е случаят със следния метан:
Четирите единични връзки на метан имат ъгъл 109º 28 '
Това е най-стабилният ъгъл, защото съответства на възможно най-голямото разстояние между атомите в тетраедрична геометрия. С това електронното отблъскване (отблъскване между електроните във валентните слоеве на атомите) става по-малко.
Циклоалканите с три, четири и пет въглерода имат ъгли на връзка между въглеродните атоми под 109 ° 28 '. Виж:
Ъгли на циклоалканни връзки
Въз основа на тези реални ъгли, които обикновено можем да наречем α, изчислението на напрежението на връзката може да се извърши, като се използва следната формула:
напрежение = 109º 28' - α
2
Знаем, че циклопропанът е най-нестабилният и в същото време най-реактивният циклоалкан, и това се потвърждава чрез изчисляване на напрежението на неговия пръстен в сравнение с останалите:
циклопропаново напрежение = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Като 0,5º = 30, тогава имаме:
циклопропаново напрежение = 24º + 30 '+ 14' = 24º 44'
циклобутаново напрежение = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
циклопентаново напрежение = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Според теорията на Байер за напрежението, колкото по-голямо е това напрежение, толкова по-нестабилен ще бъде цикланът, тоест толкова по-голямо е разлика между реалния ъгъл (α) и теоретичния ъгъл (109º 28 '), по-нестабилен и следователно по-реактивен ще бъде вещество.
Ето защо циклопропанът е най-малко стабилен от циклоалканите.
Имаше обаче грешка в теорията на Байер, защото ако продължим да правим това изчисление на стреса за циклохексан, където ъгълът на свързване е 120 °, ще видим, че стойността ще бъде дори по-малка от тази на циклопропана, давайки равна на -5 ° 16 '. Това би посочило факта, че циклохексанът трябва да бъде още по-нестабилен и да осъществява реакции на присъединяване, което не е така на практика.
Обяснението за този факт беше намерено през 1890 г. от германския химик Херман Закс и доказано през 1918 г. от също германския химик Ернст Мор. Според тези учени, грешката в теорията за пръстеновидния стрес на Байер би се крила във факта, че той смята, че всички циклоалкани са копланарни, т.е. всичките им въглеродни атоми са в една равнина, съвместноm чертежите на техните конструкции, показани по-горе.
В действителност обаче пръстените на циклоалкани с повече от пет въглеродни атома не са плоски, а техните атоми. придобиват пространствени конформации, които отменят напреженията между връзките, установявайки ъгъл от 109º 28 'между Връзки.
Например, разгледайте случая с циклохексан. Всъщност тя не е плоска с ъгъл от 120 ° между връзките си, а всъщност нейните атоми се „въртят“, образувайки две възможни конформации, конформация „стол“ и „лодка“:
Възможни конформации на циклохексан на практика
Имайте предвид, че тъй като реалният ъгъл на циклохексана е равен на 109º 28 ', той е много стабилно съединение, така че неговата молекула не се разрушава, като по този начин не участва в реакциите на присъединяване. Също така имайте предвид, че формата на "стол" е най-стабилна, като тази, която винаги преобладава в смесите, това тъй като в тази конформация водородните атоми, свързани с въглерода, са по-далеч един от друг. други.
От Дженифър Фогаса
Завършва химия
Източник: Бразилско училище - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-das-tensoes-dos-aneis-bayer.htm