Kot je razloženo v besedilu Reakcije seštevanja, te organske reakcije se običajno pojavijo s spojinami, ki imajo nenasičenost (dvojne vezi oz trojke), pri katerem je pi vez pretrgana, kar omogoča vstop atomov ali skupin atomov v verigo. ogljikov.
Vendar se ta vrsta reakcije pojavlja tudi v primeru cikloalkani (ogljikovodiki z zaprto verigo s samo nasičenimi (enostavnimi) vezmi med ogljiki), ki imajo tri ali štiri atome ogljika. Spodaj upoštevajte primer, ki je bromiranje (reakcija halogeniranja) ciklopropana:
CH2
/ \ + br2 → br CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Prav tako obstaja reakcija dodajanja, imenovana hidrohalogeniranje ali dodajanje halida, kot je prikazano spodaj:
CH2
/ \ + HBr → H CH2 CH2 CH2 ─ br
H2C CH2
Upoštevajte, da je bila v obeh primerih molekula zlomljena in nastale so odprte verige.
Ampak to se pri cikloalkanih s petimi ali več atomi ogljika ne zgodi tako enostavno. Po drugi strani pa imajo te spojine večjo verjetnost za delovanje substitucijske reakcije, pri katerem vez ni prekinjena, ampak se en ali več atomov vodika, vezanih na ogljik, nadomesti z atomi drugih elementov.
Ciklopentan lahko še vedno izvaja reakcije dodajanja, vendar le pri višjih temperaturah (približno 300 ° C). V primeru cikloheksana je to zelo težko. Dejansko so nadomestne reakcije, na primer naslednje kloriranje:
CH2 CH2
/ \ / \
H2C CH2 H2C CH ─ Kl
│ │ + Kl2→ │ │ + HKl
H2C CH2 H2C CH2
\ / \ /
CH2 CH2
Obroči s petimi ali več ogljikovimi atomi poleg reakcij ne reagirajo s halogodikovimi kislinami, kot je HBr.
Zakaj pa se to zgodi? Zakaj cikloalkani s tremi ali štirimi ogljiki izvajajo adicijske reakcije, cikloalkani z več atomi ogljika pa navadno ne?
No, to je zato, ker sta ciklopropan in ciklobutan bolj nestabilna, zato lažje prekinemo njihove vezi.
Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917)
Da bi to pojasnil, je nemški kemik Johann Friedrich Adolf von Bayer (1835-1917) leta 1885 razvil tako imenovano Teorija obročnega stresa, ki je to pokazala štiri vezi, ki jih tvorijo atomi ogljika, bi bile stabilnejše, če bi imeli kot enak 109 ° 28 ', kot je primer z naslednjim metanom:
Štiri enojne vezi metana imajo kot 109 ° 28 '
To je najbolj stabilen kot, ker ustreza največji možni razdalji med atomi v tetraedrski geometriji. S tem se elektronska odbojnost (odbijanje med elektroni v valentnih plasteh atomov) zmanjša.
Cikloalkani s tremi, štirimi in petimi ogljiki imajo kote vezi med ogljiki manj kot 109 ° 28 '. Poglej:
Ne ustavi se zdaj... Po oglaševanju je še več;)
Koti cikloalkanskih vezi
Na podlagi teh realnih kotov, ki jih splošno lahko imenujemo α, lahko izračun napetosti vezi izvedemo po naslednji formuli:
napetost = 109º 28' - α
2
Vemo, da je ciklopropan najbolj nestabilen in tudi najbolj reaktiven cikloalkan, kar potrjujemo z izračunom napetosti njegovega obroča v primerjavi z ostalimi:
napetost ciklopropana = 109º 28' – 60º = 109º – 60º + 28' = 49º + 28' = 24,5º + 14
2 2 2
Kot 0,5º = 30, imamo:
napetost ciklopropana = 24º + 30 '+ 14' = 24º 44'
napetost ciklobutana = 109º 28' – 90º = 9º 44'2
napetost ciklopentana = 109º 28' – 108º = 0º 44'2
Po Bayerjevi teoriji napetosti bo večja kot je napetost, bolj nestabilen bo ciklan, to je večja bo razlika med realnim kotom (α) in teoretičnim kotom (109 ° 28 '), bolj nestabilen in posledično bolj reaktiven bo snov.
Zato je ciklopropan najmanj stabilen med cikloalkani.
Vendar pa je prišlo do napake v Bayerjevi teoriji, ker če bomo še naprej delali ta izračun napetosti za cikloheksan, kjer je priključni kot 120 °, bomo videli, da bo vrednost še manjša od vrednosti ciklopropana in bo enaka -5 ° 16 '. To bi opozorilo na dejstvo, da bi moral biti cikloheksan še bolj nestabilen in izvajati reakcije dodajanja, kar v praksi ni.
Razlago tega dejstva je leta 1890 našel nemški kemik Hermann Sachse, leta 1918 pa tudi nemški kemik Ernst Mohr. Po mnenju teh znanstvenikov napaka v Bayerjevi teoriji obremenitve obroča bi bila v tem, da je menil, da so vsi cikloalkani koplanarni, to je, da so vsi njihovi ogljikovi atomi v eni ravnini, com risbe njihovih struktur, prikazane zgoraj.
Vendar v resnici obroči cikloalkanov z več kot petimi atomi ogljika niso ravni, temveč njihovi atomi. pridobijo prostorske konformacije, ki odpravljajo napetosti med povezavami, pri čemer se vzpostavi kot 109 ° 28 'med Povezave.
Poglejte na primer primer cikloheksana. Pravzaprav ni ravno s kotom 120 ° med vezmi, ampak se njegovi atomi dejansko "vrtijo" in tvorijo dve možni konformaciji, "stol" in "čoln":
Možne konformacije cikloheksana v praksi
Ker je dejanski kot cikloheksana enak 109 ° 28 ', je zelo stabilna spojina, zato se njena molekula ne zlomi in tako ne sodeluje v adicijskih reakcijah. Upoštevajte tudi, da je oblika "stola" najbolj stabilna in je tista, ki vedno prevladuje v mešanicah ker so v tej konformaciji atomi vodika, vezani na ogljik, bolj oddaljeni drug od drugega. drugi.
Avtorica Jennifer Fogaça
Diplomiral iz kemije
