Ako je vysvetlené v texte Reakcie pridania, tieto organické reakcie sa zvyčajne vyskytujú so zlúčeninami, ktoré majú nenasýtenie (dvojité väzby alebo trojitých), v ktorých je väzba pi prerušená, čo umožňuje vstup atómov alebo skupín atómov do reťazca. uhličitý.
Tento typ reakcie však nastáva aj v prípade cykloalkány (uhľovodíky s uzavretým reťazcom iba s nasýtenými (jednoduchými) väzbami medzi uhlíkmi), ktoré majú tri alebo štyri atómy uhlíka. Všimnite si príklad uvedený nižšie, ktorým je bromácia (halogenačná reakcia) cyklopropánu:
CH2
/ \ + br2 → br CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Rovnako existuje aj adičná reakcia nazývaná hydrohalogenácia alebo prídavok halogenidu, ako je uvedené nižšie:
CH2
/ \ + HBr → H CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Všimnite si, že v obidvoch prípadoch bola molekula narušená a boli pripravené zlúčeniny s otvoreným reťazcom.
ale v cykloalkánoch s piatimi alebo viac atómami uhlíka sa to nestáva tak ľahko. Na druhej strane je pravdepodobnejšie, že tieto zlúčeniny budú účinkovať substitučné reakcie
, v ktorom väzba nie je prerušená, ale skôr je jeden alebo viac atómov vodíka naviazaných na uhlík nahradených atómami iných prvkov.Cyklopentán môže stále uskutočňovať adičné reakcie, ale iba pri vyšších teplotách (okolo 300 ° C). V prípade cyklohexánu je to veľmi ťažké. Čo to vlastne robí, sú substitučné reakcie, ako napríklad nasledujúca chlorácia:
CH2 CH2
/ \ / \
H2C CH2 H2C CH ─ Cl
│ │ + Cl2→ │ │ + HCl
H2C CH2 H2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
Krúžky s piatimi alebo viacerými atómami uhlíka okrem reakcií nereagujú s halogenovodíkovými kyselinami, ako je napríklad HBr.
Prečo sa to však deje? Prečo troj- alebo štvoruhlíkové cykloalkány uskutočňujú adičné reakcie a cykloalkány s väčším počtom atómov uhlíka zvyknú nie?
Je to tak preto, lebo cyklopropán a cyklobután sú nestabilnejšie, takže je ľahšie pretrhnúť ich väzby.
Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917)
Na vysvetlenie to nemecký chemik Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917) vyvinul v roku 1885 tzv. Teória kruhového stresu, ktorý to ukázal štyri väzby tvorené atómami uhlíka by boli stabilnejšie, keby mali uhol rovný 109 ° 28 ', ako je to v prípade tohto metánu:
Štyri jednoduché väzby metánu majú uhol 109 ° 28 '.
Toto je najstabilnejší uhol, pretože zodpovedá najväčšej možnej vzdialenosti medzi atómami v štvorbokej geometrii. S tým sa elektronická odpudivosť (odpudzovanie medzi elektrónmi vo valenčných vrstvách atómov) zmenšuje.
Cykloalkány s tromi, štyrmi a piatimi uhlíkmi majú uhly väzby medzi uhlíkmi menej ako 109 ° 28 '. Pozri:
Uhly cykloalkánových väzieb
Na základe týchto skutočných uhlov, ktoré môžeme všeobecne nazvať α, možno vykonať výpočet väzobného napätia pomocou nasledujúceho vzorca:
napätie = 109º 28' - α
2
Vieme, že cyklopropán je najstabilnejší a tiež najreaktívnejší cykloalkán, čo sa potvrdzuje výpočtom napätia jeho kruhu v porovnaní s ostatnými:
cyklopropánové napätie = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Ako 0,5º = 30 máme potom:
napätie cyklopropánu = 24 ° + 30 '+ 14' = 24º 44'
cyklobutánové napätie = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
cyklopentánové napätie = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Podľa Bayerovej teórie napätia platí, že čím väčšie je toto napätie, tým labilnejší bude cyklán, to znamená, že rozdiel medzi skutočným uhlom (α) a teoretickým uhlom (109 ° 28 '), nestabilnejším a následne reaktívnejším bude látka.
Preto je cyklopropán najmenej stabilný z cykloalkánov.
V Bayerovej teórii však došlo k chybe, pretože ak budeme naďalej robiť tento výpočet stresu pre cyklohexán, kde je uhol spojenia 120 °, uvidíme, že hodnota bude ešte menšia ako hodnota cyklopropánu, čo sa rovná -5 ° 16 '. To by poukazovalo na skutočnosť, že cyklohexán by mal byť ešte nestabilnejší a vykonávať adičné reakcie, čo sa v praxi nestáva.
Vysvetlenie tejto skutočnosti našiel v roku 1890 nemecký chemik Hermann Sachse a v roku 1918 ho preukázal aj nemecký chemik Ernst Mohr. Podľa týchto vedcov chyba v Bayerovej teórii stresu prstencov by spočívala v tom, že sa domnieval, že všetky cykloalkány sú koplanárne, to znamená, že všetky ich atómy uhlíka sú v jednej rovine, spolm výkresy ich štruktúr zobrazené vyššie.
V skutočnosti však kruhy cykloalkánov s viac ako piatimi atómami uhlíka nie sú ploché, ale ich atómy. získať priestorové konformácie, ktoré rušia napätie medzi spojeniami, a vytvárajú tak uhol 109 ° 28 'medzi Pripojenia.
Napríklad sa pozrime na prípad cyklohexánu. Nie je v skutočnosti plochý s uhlom 120 ° medzi jeho väzbami, ale v skutočnosti sa jeho atómy „krútia“ a vytvárajú dve možné konformácie, „stoličku“ a „čln“:
Možné konformácie cyklohexánu v praxi
Pretože skutočný uhol cyklohexánu je rovný 109 ° 28 ', jedná sa o veľmi stabilnú zlúčeninu, takže sa jeho molekula nerozbíja, a preto sa nezúčastňuje adičných reakcií. Upozorňujeme tiež, že tvar „stoličky“ je najstabilnejší, pretože v zmesiach vždy prevláda pretože v tejto konformácii sú atómy vodíka viazané na uhlík vzdialenejšie od seba. iné.
Autor: Jennifer Fogaça
Vyštudoval chémiu
Zdroj: Brazílska škola - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-das-tensoes-dos-aneis-bayer.htm
