Kuten tekstissä selitetään Lisäysreaktiot, nämä orgaaniset reaktiot tapahtuvat yleensä yhdisteiden kanssa, joilla on tyydyttymättömyys (kaksoissidokset tai kolminkertaiset), jossa pi-sidos rikkoutuu, mikä sallii atomien tai atomiryhmien pääsyn ketjuun. hiilihappo.
Tämän tyyppistä reaktiota esiintyy kuitenkin myös sykloalkaanit (suljetun ketjun hiilivedyt, joissa on vain tyydyttyneitä (yksinkertaisia) sidoksia hiilien välillä), joissa on kolme tai neljä hiiliatomia. Huomaa alla oleva esimerkki, joka on syklopropaanin bromaus (halogenointireaktio):
CH2
/ \ + br2 → br CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Samoin on myös lisäysreaktio, jota kutsutaan hydrohalogenoinniksi tai halogenidin lisäys, kuten alla on esitetty:
CH2
/ \ + HBr → H CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Huomaa, että molemmissa tapauksissa molekyyli hajosi ja tuotettiin avoimen ketjun yhdisteitä.
Mutta tätä ei tapahdu niin helposti sykloalkaanissa, jossa on vähintään viisi hiiliatomia. Toisaalta nämä yhdisteet toimivat todennäköisemmin korvausreaktiot, jossa sidos ei ole hajonnut, vaan yksi tai useampi hiileen sitoutunut vetyatomi korvataan muiden alkuaineiden atomeilla.
Syklopentaani voi edelleen suorittaa lisäysreaktioita, mutta vain korkeammissa lämpötiloissa (noin 300 ° C). Sykloheksaanin tapauksessa tämä on hyvin vaikeaa. Mitä se todella tekee, ovat korvaavat reaktiot, kuten seuraava klooraus:
CH2 CH2
/ \ / \
H2C CH2 H2C CH ─ Cl
│ │ + Cl2→ │ │ + HCl
H2C CH2 H2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
Sormukset, joissa on vähintään viisi hiiliatomia, eivät reagoi halogeenivetyhappojen, kuten HBr: n, kanssa.
Mutta miksi näin tapahtuu? Miksi kolmen tai neljän hiilen sykloalkaanit suorittavat additioreaktioita ja sykloalkaanit, joissa on enemmän hiiliatomeja, eivät yleensä?
No, se johtuu siitä, että syklopropaani ja syklobutaani ovat epävakaampia, joten on helpompaa rikkoa heidän sidoksensa.
Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917)
Tämän selittämiseksi saksalainen kemisti Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917) kehitti vuonna 1885 ns. Rengasjännitysteoria, mikä osoitti sen hiiliatomien muodostamat neljä sidosta olisivat vakaammat, kun niiden kulma olisi 109º 28 'kuten seuraavan metaanin tapauksessa:
Neljän yksittäisen metaanisidoksen kulma on 109º 28 '
Tämä on vakain kulma, koska se vastaa suurinta mahdollista atomien välistä etäisyyttä tetraedrisessä geometriassa. Tällöin elektroninen karkotus (atomien valenssikerrosten elektronien välinen karkotus) pienenee.
Sykloalkaanien, joissa on kolme, neljä ja viisi hiiltä, sidoskulmat hiilien välillä ovat alle 109 ° 28 '. Katso:
Sykloalkaanisidosten kulmat
Näiden todellisten kulmien perusteella, joita voimme yleisesti kutsua α: ksi, sidosjännityksen laskenta voidaan suorittaa seuraavalla kaavalla:
jännitys = 109º 28' - α
2
Tiedämme, että syklopropaani on epävakain ja myös reaktiivisin sykloalkaani, ja tämä vahvistetaan laskemalla renkaan jännite muihin verrattuna:
syklopropaanijännite = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Koska 0,5º = 30, meillä on:
syklopropaanijännite = 24º + 30 '+ 14' = 24º 44'
syklobutaanijännite = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
syklopentaanijännite = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Bayerin jännitteiden teorian mukaan mitä suurempi tämä jännitys, sitä epävakaampi syklaani on, sitä suurempi on todellisen kulman (α) ja teoreettisen kulman (109º 28 ') välinen ero, epävakaampi ja siten reaktiivisempi aine.
Siksi syklopropaani on vähiten stabiili sykloalkaanien joukossa.
Bayerin teoriassa oli kuitenkin virhe, koska jos jatkamme sykloheksaanille tämän stressilaskennan, jossa liitäntäkulma on 120 °, näemme, että arvo on vielä pienempi kuin syklopropaanin, jolloin saadaan -5 ° 16 '. Tämä viittaa siihen, että sykloheksaanin tulisi olla vielä epävakaampi ja suorittaa additioreaktioita, mikä ei ole käytännössä tapaa.
Saksalaisen kemisti Hermann Sachse löysi selityksen tälle tosiseikalle vuonna 1890, ja myös saksalainen kemisti Ernst Mohr osoitti sen vuonna 1918. Näiden tutkijoiden mukaan virhe Bayerin rengasjännitysteoriassa olisi siinä, että hän katsoi, että kaikki sykloalkaanit ovat kaksitasoisia, toisin sanoen kaikki niiden hiiliatomit ovat yhdessä tasossa, yhteistyössäm yllä olevat piirustukset niiden rakenteista.
Todellisuudessa sykloalkaanien renkaat, joissa on enemmän kuin viisi hiiliatomia, eivät kuitenkaan ole tasaisia, vaan niiden atomit. hankkia tilakokoonpanoja, jotka poistavat liitosten väliset jännitteet ja muodostavat 109 ° 28 ': n kulman Liitännät.
Tarkastellaan esimerkiksi sykloheksaanin tapausta. Se ei itse asiassa ole tasainen ja sen sidosten välinen kulma on 120 °, mutta itse asiassa sen atomit "pyörivät" muodostaen kaksi mahdollista konformaatiota, "tuolin" ja "veneen" muodon:
Sykloheksaanin mahdolliset konformaatiot käytännössä
Huomaa, että koska sykloheksaanin todellinen kulma on 109 ° 28 ', se on erittäin stabiili yhdiste, joten sen molekyyli ei hajoa, joten se ei osallistu additioreaktioihin. Huomaa myös, että "tuolin" muoto on vakain, se on se, joka on aina hallitseva seoksissa, tämä koska tässä konformaatiossa hiileen sitoutuneet vetyatomit ovat kauempana toisistaan. toiset.
Kirjailija: Jennifer Fogaça
Valmistunut kemian alalta
Lähde: Brasilian koulu - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-das-tensoes-dos-aneis-bayer.htm
