Zoals uitgelegd in de tekst Toevoeging Reacties, deze organische reacties treden meestal op met verbindingen die onverzadiging hebben (dubbele bindingen of triples), waarbij de pi-binding wordt verbroken, waardoor atomen of groepen atomen in de keten kunnen komen. koolzuur.
Dit type reactie komt echter ook voor bij: cycloalkanen (koolwaterstoffen met een gesloten keten met alleen verzadigde (eenvoudige) bindingen tussen koolstofatomen) die drie of vier koolstofatomen hebben. Zie hieronder een voorbeeld, namelijk de bromering (halogeneringsreactie) van cyclopropaan:
CH2
/ \ + br2 → br CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Evenzo is er ook de additiereactie die hydrohalogenering of de toevoeging van halogenide wordt genoemd, zoals hieronder weergegeven:
CH2
/ \ + HBr → H CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Merk op dat in beide gevallen het molecuul werd gebroken en verbindingen met een open keten werden geproduceerd.
Maar dit gebeurt niet zo gemakkelijk in cycloalkanen met vijf of meer koolstofatomen. Aan de andere kant hebben deze verbindingen meer kans om te presteren
substitutie reacties, waarbij de binding niet wordt verbroken, maar een of meer waterstofatomen gebonden aan koolstof worden vervangen door atomen van andere elementen.Cyclopentaan kan nog wel additiereacties uitvoeren, maar alleen bij hogere temperaturen (rond 300°C). In het geval van cyclohexaan is dit erg moeilijk. Wat het eigenlijk doet, zijn vervangingsreacties, zoals de volgende chlorering:
CH2 CH2
/ \ / \
H2C CH2 H2C CH kl
│ │ + kl2→ │ │ + Hkl
H2C CH2 H2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
Ringen met vijf of meer koolstofatomen reageren niet met waterstofhalogeniden, zoals HBr, naast reacties.
Maar waarom gebeurt dit? Waarom voeren cycloalkanen met drie of vier koolstofatomen additiereacties uit en cycloalkanen met meer koolstofatomen niet?
Dat komt omdat cyclopropaan en cyclobutaan onstabieler zijn, dus het is gemakkelijker om hun bindingen te verbreken.
Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917)
Om dit te verklaren ontwikkelde de Duitse chemicus Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917) in 1885 de zogenaamde Ringstress theorie, waaruit bleek dat de vier bindingen gemaakt door de koolstofatomen zouden stabieler zijn als ze een hoek hadden gelijk aan 109º 28', zoals het geval is met het volgende methaan:
De vier enkelvoudige bindingen van methaan hebben een hoek van 109º 28'
Dit is de meest stabiele hoek omdat deze overeenkomt met de grootst mogelijke afstand tussen atomen in een tetraëdrische geometrie. Hiermee wordt de elektronische afstoting (afstoting tussen de elektronen in de valentielagen van de atomen) kleiner.
Cycloalkanen met drie, vier en vijf koolstoffen hebben bindingshoeken tussen koolstofatomen kleiner dan 109º 28'. Kijken:
Niet stoppen nu... Er is meer na de reclame ;)
Hoeken van cycloalkaanbindingen
Op basis van deze reële hoeken, die we in het algemeen α kunnen noemen, kan de bindingsspanningsberekening worden uitgevoerd met behulp van de volgende formule:
spanning = 109º 28' - α
2
We weten dat cyclopropaan het meest onstabiele en ook het meest reactieve cycloalkaan is, en dit wordt bevestigd door de spanning van zijn ring te berekenen in vergelijking met de andere:
cyclopropaan spanning = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Als 0,5º = 30, dan hebben we:
cyclopropaanspanning = 24º + 30' + 14' = 24º 44'
cyclobutaan spanning = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
cyclopentaan spanning = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Volgens de spanningstheorie van Bayer geldt dat hoe groter deze spanning, hoe onstabieler de cyclaan zal zijn, dat wil zeggen, hoe groter de verschil tussen de reële hoek (α) en de theoretische hoek (109º 28'), onstabieler en bijgevolg reactiever zal de stof.
Daarom is cyclopropaan de minst stabiele van de cycloalkanen.
Er zat echter een fout in de theorie van Bayer, want als we deze spanningsberekening voor cyclohexaan blijven doen, waar de verbindingshoek 120° is, zullen we zien dat de waarde nog kleiner zal zijn dan die van cyclopropaan, wat gelijk is aan -5° 16'. Dit zou erop wijzen dat cyclohexaan nog instabieler zou moeten zijn en additiereacties zou moeten uitvoeren, wat in de praktijk niet het geval is.
De verklaring hiervoor werd in 1890 gevonden door de Duitse chemicus Hermann Sachse en in 1918 bewezen door de eveneens Duitse chemicus Ernst Mohr. Volgens deze wetenschappers de fout in de ringspanningstheorie van Bayer zou liggen in het feit dat hij van mening was dat alle cycloalkanen coplanair zijn, dat wil zeggen dat al hun koolstofatomen zich in een enkel vlak bevinden, com de tekeningen van hun hierboven getoonde structuren.
In werkelijkheid zijn de ringen van cycloalkanen met meer dan vijf koolstofatomen echter niet plat, maar hun atomen. ruimtelijke conformaties verwerven die de spanningen tussen de verbindingen opheffen, waardoor een hoek van 109º 28' ontstaat tussen de Verbindingen.
Kijk bijvoorbeeld naar het geval van cyclohexaan. Het is in feite niet plat met een hoek van 120° tussen zijn bindingen, maar in feite "draaien zijn atomen", waardoor twee mogelijke conformaties worden gevormd, de "stoel" en de "boot" conformatie:
Mogelijke conformaties van cyclohexaan in de praktijk
Merk op dat, omdat de reële hoek van cyclohexaan gelijk is aan 109º 28', het een zeer stabiele verbinding is, zodat het molecuul niet breekt en dus niet deelneemt aan de additiereacties. Merk ook op dat de vorm van de "stoel" het meest stabiel is, omdat deze altijd overheerst in mengsels, dit omdat in deze conformatie de waterstofatomen die aan de koolstof zijn gebonden verder van elkaar verwijderd zijn. anderen.
Door Jennifer Fogaça
Afgestudeerd in scheikunde
