Wie im Text erklärt Additionsreaktionen, treten diese organischen Reaktionen normalerweise mit Verbindungen auf, die ungesättigt sind (Doppelbindungen oder Tripel), bei denen die Pi-Bindung gebrochen wird, wodurch Atome oder Atomgruppen in die Kette eintreten können. Kohlensäure.
Diese Reaktionsart tritt jedoch auch bei Cycloalkane (geschlossenkettige Kohlenwasserstoffe mit nur gesättigten (einfachen) Bindungen zwischen Kohlenstoffen), die drei oder vier Kohlenstoffatome aufweisen. Beachten Sie unten ein Beispiel, das die Bromierung (Halogenierungsreaktion) von Cyclopropan ist:
CH2
/ \ + br2 → br CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Ebenso gibt es die Additionsreaktion, die Hydrohalogenierung oder die Addition von Halogenid genannt wird, wie unten gezeigt:
CH2
/ \ + HBr → H CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Beachten Sie, dass in beiden Fällen das Molekül gebrochen wurde und offenkettige Verbindungen hergestellt wurden.
Aber bei Cycloalkanen mit fünf oder mehr Kohlenstoffatomen geschieht dies nicht so leicht. Auf der anderen Seite sind diese Verbindungen wahrscheinlicher
Substitutionsreaktionen, bei dem die Bindung nicht gebrochen wird, sondern ein oder mehrere an Kohlenstoff gebundene Wasserstoffatome durch Atome anderer Elemente ersetzt werden.Cyclopentan kann noch Additionsreaktionen durchführen, jedoch nur bei höheren Temperaturen (ca. 300°C). Bei Cyclohexan ist dies sehr schwierig. Was es tatsächlich bewirkt, sind Austauschreaktionen, wie die folgende Chlorierung:
CH2 CH2
/ \ / \
H2C CH2 H2C CH ─ Cl
│ │ + Cl2→ │ │ + HCl
H2C CH2 H2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
Ringe mit fünf oder mehr Kohlenstoffatomen reagieren nicht mit Halogenwasserstoffsäuren wie HBr, Nebenreaktionen.
Aber warum passiert das? Warum führen Cycloalkane mit drei oder vier Kohlenstoffatomen Additionsreaktionen durch und Cycloalkane mit mehr Kohlenstoffatomen eher nicht?
Das liegt daran, dass Cyclopropan und Cyclobutan instabiler sind und es daher einfacher ist, ihre Bindungen zu brechen.
Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917)
Um dies zu erklären, entwickelte der deutsche Chemiker Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917) 1885 das sogenannte Ringspannungstheorie, was zeigte, dass die vier Bindungen der Kohlenstoffatome wären stabiler, wenn sie einen Winkel von 109º 28' hätten, wie es bei folgendem Methan der Fall ist:
Die vier Einfachbindungen von Methan haben einen Winkel von 109º 28'
Dies ist der stabilste Winkel, da er dem größtmöglichen Abstand zwischen Atomen in einer tetraedrischen Geometrie entspricht. Damit wird die elektronische Abstoßung (Abstoßung zwischen den Elektronen in den Valenzschichten der Atome) kleiner.
Cycloalkane mit drei, vier und fünf Kohlenstoffatomen haben Bindungswinkel zwischen den Kohlenstoffatomen von weniger als 109º 28'. Aussehen:
Winkel von Cycloalkanbindungen
Basierend auf diesen reellen Winkeln, die wir allgemein als α bezeichnen können, kann die Bindungsspannungsberechnung mit der folgenden Formel durchgeführt werden:
Spannung = 109º 28' - α
2
Wir wissen, dass Cyclopropan das instabilste und auch das reaktivste Cycloalkan ist, und dies wird durch die Berechnung der Spannung seines Rings im Vergleich zu den anderen bestätigt:
Cyclopropanspannung = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Als 0.5º = 30 gilt:
Cyclopropanspannung = 24º + 30' + 14' = 24º 44'
Cyclobutanspannung = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
Cyclopentanspannung = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Je größer diese Spannung, desto instabiler ist der Zyklon nach der Bayer-Spannungstheorie, d Differenz zwischen dem realen Winkel (α) und dem theoretischen Winkel (109º 28'), instabiler und folglich reaktiver wird der Substanz.
Aus diesem Grund ist Cyclopropan das am wenigsten stabile Cycloalkane.
Es war jedoch ein Fehler in der Bayer-Theorie, denn wenn wir diese Stressberechnung für Cyclohexan fortsetzen, wenn der Verbindungswinkel 120° beträgt, wird der Wert noch kleiner als der von Cyclopropan sein, also -5° 16'. Dies würde darauf hinweisen, dass Cyclohexan noch instabiler sein und Additionsreaktionen durchführen sollte, was in der Praxis nicht der Fall ist.
Die Erklärung für diese Tatsache wurde 1890 von dem deutschen Chemiker Hermann Sachse gefunden und 1918 von dem ebenfalls deutschen Chemiker Ernst Mohr bewiesen. Laut diesen Wissenschaftlern der Fehler in der Ringspannungstheorie von Bayer würde darin liegen, dass er annahm, dass alle Cycloalkane koplanar sind, d. h. alle ihre Kohlenstoffatome befinden sich in einer einzigen Ebene, com die Zeichnungen ihrer oben gezeigten Strukturen.
In Wirklichkeit sind die Ringe von Cycloalkanen mit mehr als fünf Kohlenstoffatomen jedoch nicht flach, sondern ihre Atome. erhalten räumliche Konformationen, die die Spannungen zwischen den Verbindungen aufheben und einen Winkel von 109º 28' zwischen den Verbindungen.
Betrachten Sie zum Beispiel den Fall von Cyclohexan. Es ist tatsächlich nicht flach mit einem Winkel von 120° zwischen seinen Bindungen, sondern tatsächlich "wirbeln" seine Atome und bilden zwei mögliche Konformationen, die "Stuhl"- und die "Boot"-Konformation:
Mögliche Konformationen von Cyclohexan in der Praxis
Beachten Sie, dass Cyclohexan, da der reelle Winkel 109º 28' beträgt, eine sehr stabile Verbindung ist, sodass sein Molekül nicht bricht und somit nicht an den Additionsreaktionen teilnimmt. Beachten Sie auch, dass die "Stuhl" -Form am stabilsten ist, da sie in Mischungen immer vorherrscht weil in dieser Konformation die an den Kohlenstoff gebundenen Wasserstoffatome weiter voneinander entfernt sind. Andere.
Von Jennifer Fogaça
Abschluss in Chemie
Quelle: Brasilien Schule - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-das-tensoes-dos-aneis-bayer.htm
