Așa cum se explică în text Reacții de adiție, aceste reacții organice apar de obicei cu compuși care au nesaturare (duble legături sau tripluri), în care legătura pi este ruptă, permițând intrarea de atomi sau grupuri de atomi în lanț. carbonic.
Cu toate acestea, acest tip de reacție apare și în cazul cicloalcani (hidrocarburi cu lanț închis cu legături saturate (simple) între carboni) care au trei sau patru atomi de carbon. Observați un exemplu de mai jos, care este bromura (reacția de halogenare) a ciclopropanului:
CH2
/ \ + fr2 → fr ─ CH2 ─ CH2 ─ CH2 ─ fr
H2C CH2
De asemenea, există și reacția de adăugare numită hidrohalogenare sau adăugarea de halogenuri, așa cum se arată mai jos:
CH2
/ \ + HBr → H ─ CH2 ─ CH2 ─ CH2 ─ fr
H2C CH2
Rețineți că, în ambele cazuri, molecula a fost ruptă și s-au produs compuși cu lanț deschis.
Dar acest lucru nu se întâmplă la fel de ușor în cicloalcani cu cinci sau mai mulți atomi de carbon. Pe de altă parte, acești compuși sunt mai susceptibili să funcționeze
reacții de substituție, în care legătura nu este ruptă, ci mai degrabă unul sau mai mulți atomi de hidrogen legați de carbon sunt înlocuiți cu atomi ai altor elemente.Ciclopentanul poate efectua în continuare reacții de adăugare, dar numai la temperaturi mai ridicate (aproximativ 300 ° C). În cazul ciclohexanului, acest lucru este foarte dificil. Ceea ce face de fapt sunt reacții de înlocuire, cum ar fi următoarea clorurare:
CH2 CH2
/ \ / \
H2C CH2 H2C CH ─ Cl
│ │ + Cl2→ │ │ + HCl
H2C CH2 H2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
Inelele cu cinci sau mai mulți atomi de carbon nu reacționează cu acizii hidrohalici, cum ar fi HBr, în reacții suplimentare.
Dar de ce se întâmplă acest lucru? De ce efectuează reacții de adiție cicloalcani cu trei sau patru carboni, iar cicloalcanii cu mai mulți atomi de carbon tind să nu o facă?
Ei bine, asta pentru că ciclopropanul și ciclobutanul sunt mai instabili, deci este mai ușor să le rupi legăturile.
Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917)
Pentru a explica acest lucru, chimistul german Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917) a dezvoltat, în 1885, așa-numitul Teoria stresului inelar, care a arătat că cele patru legături făcute de atomii de carbon ar fi mai stabile atunci când ar avea un unghi egal cu 109º 28 ', la fel ca în cazul metanului următor:
Cele patru legături simple ale metanului au un unghi de 109º 28 '
Acesta este unghiul cel mai stabil, deoarece corespunde cu cea mai mare distanță posibilă între atomi într-o geometrie tetraedrică. Cu aceasta, repulsia electronică (repulsia dintre electronii din straturile de valență a atomilor) devine mai mică.
Cicloalcanii cu trei, patru și cinci atomi de carbon au unghiuri de legătură între atomi de carbon mai mici de 109º 28 '. Uite:
Unghiurile legăturilor cicloalcane
Pe baza acestor unghiuri reale, pe care le putem numi generic α, calculul tensiunii de legătură poate fi efectuat folosind următoarea formulă:
tensiune = 109º 28' - α
2
Știm că ciclopropanul este cel mai instabil și cel mai reactiv cicloalcan, iar acest lucru este confirmat prin calcularea tensiunii inelului său în comparație cu ceilalți:
tensiunea ciclopropanului = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Ca 0,5º = 30, atunci avem:
tensiunea ciclopropanului = 24º + 30 '+ 14' = 24º 44'
tensiunea ciclobutanului = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
tensiune ciclopentan = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Conform teoriei tensiunilor lui Bayer, cu cât această tensiune este mai mare, cu atât ciclanul va fi mai instabil, adică cu atât este mai mare diferența dintre unghiul real (α) și unghiul teoretic (109º 28 '), mai instabil și, în consecință, mai reactiv va fi substanţă.
De aceea ciclopropanul este cel mai puțin stabil dintre cicloalcani.
Cu toate acestea, a existat o eroare în teoria lui Bayer, deoarece dacă continuăm să facem acest calcul al stresului pentru ciclohexan, unde unghiul de legătură este de 120 °, vom vedea că valoarea va fi chiar mai mică decât cea a ciclopropanului, dând egal cu -5 ° 16 '. Acest lucru ar indica faptul că ciclohexanul ar trebui să fie și mai instabil și să efectueze reacții de adăugare, ceea ce nu este cazul în practică.
Explicația acestui fapt a fost găsită, în 1890, de chimistul german Hermann Sachse și dovedită, în 1918, și de chimistul german Ernst Mohr. Potrivit acestor oameni de știință, eroarea din teoria stresului inelar al lui Bayer ar consta în faptul că el considera că toți cicloalcanii sunt coplanari, adică toți atomii lor de carbon sunt într-un singur plan, com desenele structurilor lor prezentate mai sus.
Cu toate acestea, în realitate, inelele cicloalcanilor cu mai mult de cinci atomi de carbon nu sunt plate, ci atomii lor. dobândiți conformații spațiale care anulează tensiunile dintre conexiuni, stabilind un unghi de 109º 28 'între Conexiuni.
De exemplu, uitați-vă la cazul ciclohexanului. De fapt, nu este plat, cu un unghi de 120 ° între legăturile sale, ci, de fapt, atomii săi se „răsucesc”, formând două posibile conformații, conformația „scaun” și „barcă”:
Posibile conformații ale ciclohexanului în practică
Rețineți că, deoarece unghiul real al ciclohexanului este egal cu 109º 28 ', este un compus foarte stabil, deci molecula sa nu se rupe, neparticipând astfel la reacțiile de adiție. De asemenea, rețineți că forma „scaunului” este cea mai stabilă, fiind cea care predomină întotdeauna în amestecuri, aceasta deoarece, în această conformație, atomii de hidrogen legați de carbon sunt mai îndepărtați unul de celălalt. alții.
De Jennifer Fogaça
Absolvent în chimie
Sursă: Școala din Brazilia - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-das-tensoes-dos-aneis-bayer.htm
