Amint azt a szövegben kifejtjük Összeadási reakciók, ezek a szerves reakciók általában telítetlen vegyületekkel (kettős kötések vagy hármasok), amelyekben a pi kötés megszakad, lehetővé téve az atomok vagy atomcsoportok bejutását a láncba. szénsavas.
Ez a fajta reakció azonban a cikloalkánok (zárt láncú szénhidrogének, amelyek csak telített (egyszerű) kötéseket tartalmaznak a szénatomok között), amelyek három vagy négy szénatomot tartalmaznak. Az alábbiakban vegyünk fel egy példát, amely a ciklopropán brómozása (halogénezési reakció):
CH2
/ \ + br2 → br CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Hasonlóképpen van még hidrogén-halogénezésnek nevezett addíciós reakció vagy halogenid hozzáadása, az alábbiak szerint:
CH2
/ \ + HBr → H CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Megjegyezzük, hogy mindkét esetben a molekula megbomlott, és nyílt láncú vegyületek keletkeztek.
De öt vagy több szénatomot tartalmazó cikloalkánokban ez nem történik meg olyan könnyen. Másrészt ezek a vegyületek nagyobb valószínűséggel teljesítenek szubsztitúciós reakciók
, amelyben a kötés nem szakad meg, hanem egy vagy több szénhez kötött hidrogénatom helyébe más elemek atomjai lépnek.A ciklopentán még mindig képes addíciós reakciókat végrehajtani, de csak magasabb hőmérsékleten (körülbelül 300 ° C). A ciklohexán esetében ez nagyon nehéz. Valójában a helyettesítő reakciók, például a következő klórozás:
CH2 CH2
/ \ / \
H2C CH2 H2C CH ─ Cl
│ │ + Cl2→ │ │ + HCl
H2C CH2 H2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
Az öt vagy több szénatomot tartalmazó gyűrűk nem reagálnak hidrogén-halogén-savakkal, például HBr-vel.
De miért történik ez? Miért hajtanak végre három- vagy négy szénatomos cikloalkánok addíciós reakciókat, és a több szénatomot tartalmazó cikloalkánok általában nem?
Nos, ez azért van, mert a ciklopropán és a ciklobután instabilabb, ezért könnyebb megtörni a kötéseiket.
Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917)
Ennek magyarázatára Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917) német vegyész 1885-ben kifejlesztette az ún. Gyűrűfeszültség-elmélet, ami ezt megmutatta a szénatomok által létrehozott négy kötés stabilabb lenne, ha a szöge 109 ° 28 'lenne., mint a következő metán esetében:
A négy egyszeres metánkötés szöge 109º 28 '
Ez a legstabilabb szög, mert tetraéderes geometriában az atomok közötti lehető legnagyobb távolságnak felel meg. Ezzel az elektronikus taszítás (az atomok vegyértékrétegeiben lévő elektronok közötti taszítás) kisebb lesz.
A három, négy és öt szénatomos cikloalkánok kötési szöge kevesebb, mint 109 ° 28 '. Néz:
Cikloalkán-kötések szögei
Ezen valós szögek alapján, amelyeket általában α-nak nevezhetünk, a kötési feszültség kiszámítása a következő képlet segítségével hajtható végre:
feszültség = 109º 28' - α
2
Tudjuk, hogy a ciklopropán a legstabilabb és egyben a legreaktívabb cikloalkán, és ezt megerősíti gyűrűjének feszültségének kiszámítása a többihez képest:
ciklopropán feszültség = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Mivel 0,5º = 30, akkor:
ciklopropán feszültség = 24º + 30 '+ 14' = 24º 44'
ciklobután feszültség = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
ciklopentán feszültség = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Bayer feszültségelmélete szerint, minél nagyobb ez a feszültség, annál instabilabb a ciklán, vagyis annál nagyobb A valós szög (α) és az elméleti szög (109º 28 ') közötti különbség instabilabb és következésképpen reaktívabb lesz. anyag.
Ezért a ciklopropán a legkevésbé stabil a cikloalkánok közül.
A Bayer-elméletben azonban volt egy hiba, mert ha folytatjuk a ciklohexán stresszszámítását, ahol a csatlakozási szög 120 °, akkor látni fogjuk, hogy az érték még kisebb lesz, mint a ciklopropáné, ami egyenlő -5 ° 16 '. Ez arra utal, hogy a ciklohexánnak még instabilabbnak kell lennie, és addíciós reakciókat kell végrehajtania, ami a gyakorlatban nem így van.
Ennek a ténynek a magyarázatát 1890-ben Hermann Sachse német vegyész találta meg, és 1918-ban a szintén német vegyész, Ernst Mohr bizonyította. E tudósok szerint a Bayer-féle gyűrűfeszültség-elmélet hibája abban rejlik, hogy szerinte az összes cikloalkán koplanáris, vagyis minden szénatomjuk egyetlen síkban van, társm szerkezetük fent látható rajzai.
Azonban a valóságban az ötnél több szénatomot tartalmazó cikloalkán gyűrűk nem laposak, hanem atomjaik. olyan térbeli konformációkat szerezzenek, amelyek megszüntetik a csatlakozások közötti feszültséget, és 109 ° 28 'szöget határoznak meg a csatlakozók között Kapcsolatok.
Vizsgáljuk meg például a ciklohexán esetét. Valójában nem lapos, kötései között 120 ° -os szög van, de valójában atomjai "forognak", két lehetséges konformációt alkotva, a "szék" és a "csónak" konformációt:
A ciklohexán lehetséges konformációi a gyakorlatban
Vegye figyelembe, hogy mivel a ciklohexán valós szöge 109 ° 28 ', ezért nagyon stabil vegyület, így molekulája nem törik össze, így nem vesz részt az addíciós reakciókban. Vegye figyelembe azt is, hogy a "szék" forma a legstabilabb, ez az, amely mindig túlsúlyban van a keverékekben, ez mert ebben a konformációban a szénhez kötött hidrogénatomok távolabb vannak egymástól. mások.
Írta: Jennifer Fogaça
Kémia szakon végzett
Forrás: Brazil iskola - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-das-tensoes-dos-aneis-bayer.htm
