כמוסבר בטקסט תגובות תוספת, תגובות אורגניות אלה מתרחשות בדרך כלל עם תרכובות שיש בהן בלתי רוויה (קשרים כפולים או משולש), שבהם הקשר pi נשבר, ומאפשר כניסה של אטומים או קבוצות אטומים לשרשרת. פַּחמָנִי.
עם זאת, תגובה מסוג זה מתרחשת גם במקרה של ציקלואלקנים (פחמימנים בעלי שרשרת סגורה עם קשרים רוויים (פשוטים) בין פחמנים בלבד) בעלי שלושה או ארבעה אטומי פחמן. שים לב לדוגמא למטה, שהיא הברומינציה (תגובת הלוגן) של ציקלופרופאן:
CH2
/ \ + br2 → br CH2 CH2 CH2 ─ br
ה2C CH2
כמו כן, ישנה גם תגובת תוספת הנקראת הידרו-הלוגן או תוספת של הליד, כמוצג להלן:
CH2
/ \ + HBr → ה CH2 CH2 CH2 ─ br
ה2C CH2
שים לב שבשני המקרים המולקולה נשברה ונוצרו תרכובות עם שרשרת פתוחה.
אבל זה לא קורה באותה קלות בציקלואלקנים עם חמישה אטומי פחמן או יותר. מצד שני, תרכובות אלו נוטות יותר לבצע תגובות החלפה, שבה הקשר לא נשבר, אלא אטום מימן אחד או יותר הקשורים לפחמן מוחלפים באטומים של יסודות אחרים.
סיקלופנטן עדיין יכול לבצע תגובות תוספת, אך רק בטמפרטורות גבוהות יותר (סביב 300 מעלות צלזיוס). במקרה של ציקלואקסאן, זה קשה מאוד. מה שהוא עושה הם למעשה תגובות חלופיות, כגון הכלור הבא:
CH2 CH2
/ \ / \
ה2C CH2 ה2C CH ─ קל
│ │ + קל2→ │ │ + Hקל
ה2C CH2 ה2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
טבעות עם חמישה אטומי פחמן או יותר אינם מגיבים עם חומצות הידרו-הלטיות, כמו HBr, בנוסף לתגובות.
אבל למה זה קורה? מדוע ציקלואלקנים עם שלושה או ארבעה פחמן מבצעים תגובות תוספת וציקלואלקנים עם יותר אטומי פחמן נוטים שלא?
ובכן, הסיבה לכך היא שהציקלופרופאן והציקלובוטאן אינם יציבים יותר, ולכן קל יותר לשבור את קשריהם.
יוהאן פרידריך אדולף פון באייר (1835-1917)
כדי להסביר זאת, הכימאי הגרמני יוהן פרידריך אדולף פון באייר (1835-1917) פיתח בשנת 1885 את מה שמכונה תורת הלחץ הטבעתית, שהראה זאת ארבע הקשרים שנוצרו על ידי אטומי הפחמן יהיו יציבים יותר כאשר הייתה להם זווית השווה 109º 28 ', כמו במקרה של המתאן הבא:
ארבעת הקשרים היחידים של מתאן הם בעלי זווית של 109º 28 '.
זוהי הזווית היציבה ביותר מכיוון שהיא מתאימה למרחק הגדול ביותר האפשרי בין אטומים בגיאומטריה טטראדרלית. בכך, הדחייה האלקטרונית (הדחייה בין האלקטרונים בשכבות הערכיות של האטומים) הולכת וקטנה.
לציקלואלקנים עם שלושה, ארבעה וחמישה פחמנים יש זוויות קשירה בין פחמנים פחות מ 109º 28 '. תראה:
זוויות קשרי ציקלואלקן
בהתבסס על הזוויות האמיתיות הללו, שאותן אנו יכולים לכנות באופן כללי α, ניתן לבצע את חישוב מתח הקשר באמצעות הנוסחה הבאה:
מתח = 109º 28' - α
2
אנו יודעים כי ציקלופרופאן הוא הציקלואלקן הלא יציב ביותר וגם התגובתי ביותר, וזה אושר על ידי חישוב המתח של הטבעת שלו בהשוואה לאחרים:
מתח ציקלופרופאן = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
כמו 0.5º = 30, אז יש לנו:
מתח ציקלופרופאן = 24º + 30 '+ 14' = 24º 44'
מתח ציקלובוטאן = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
מתח ציקלופנטן = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
על פי תיאוריית המתחים של באייר, ככל שמתח זה גדול יותר, כך הציקלון יהיה יציב יותר, כלומר, כך גדול יותר ההבדל בין הזווית האמיתית (α) לזווית התיאורטית (109º 28 '), לא יציב יותר וכתוצאה מכך, תגובתי יותר יהיה חומר.
לכן ציקלופרופאן הוא הפחות יציב מבין הציקלואלקנים.
עם זאת, הייתה שגיאה בתיאוריה של באייר, מכיוון שאם נמשיך לעשות את חישוב המתח הזה עבור ציקלואקסאן, כאשר זווית החיבור היא 120 °, נראה כי הערך יהיה קטן עוד יותר מזה של ציקלופרופאן, וייתן שווה ל- -5 ° 16 '. זה יצביע על העובדה שציקלוהקסאן צריך להיות עוד יותר לא יציב ולבצע תגובות תוספת, מה שלא המקרה בפועל.
ההסבר לעובדה זו נמצא בשנת 1890 על ידי הכימאי הגרמני הרמן זאקס והוכיח, בשנת 1918, גם הכימאי הגרמני ארנסט מור. על פי מדענים אלה, הטעות בתיאוריית הלחץ הטבעתית של באייר נעוצה בעובדה שהוא חשב שכל הציקלואלקנים הם קופלאנריים, כלומר כל אטומי הפחמן שלהם נמצאים במישור יחיד, שיתוףמ רישומי המבנים שלהם המוצגים לעיל.
עם זאת, במציאות, טבעות הציקלואלקנים עם יותר מחמישה אטומי פחמן אינן שטוחות, אלא האטומים שלהן. לרכוש קונפורמציות מרחביות המבטלות את המתחים בין החיבורים, וקבעות זווית של 109º 28 'בין חיבורים.
לדוגמא, בדקו את המקרה של ציקלואקסאן. למעשה, הוא לא שטוח עם זווית של 120 מעלות בין הקשרים שלו, אלא, למעשה, האטומים שלו "מסתחררים", ויוצרים שני קונפורמציות אפשריות, "הכיסא" והתאמה "הסירה":
קונפורמציות אפשריות של ציקלואקסאן בפועל
שים לב, מכיוון שהזווית האמיתית של ציקלואקסאן שווה 109º 28 ', זהו תרכובת יציבה מאוד, ולכן המולקולה שלה אינה נשברת, ולכן אינה משתתפת בתגובות התוספת. שימו לב גם כי צורת ה"כסא "היא היציבה ביותר, בהיותה זו שתמיד שולטת בתערובות, זה מכיוון שבקונפורמציה זו אטומי המימן הקשורים לפחמן רחוקים זה מזה. אחרים.
מאת ג'ניפר פוגאצה
בוגר כימיה
מָקוֹר: בית ספר ברזיל - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-das-tensoes-dos-aneis-bayer.htm
