CICLOALCANOS: PROPIETATS, REACCIONS, USOS, EXEMPLES - QUIMICA - 2025

Els cicloalcans són una família d'hidrocarburs saturats amb una fórmula general de C _n H _2n que coincideix amb la dels alquens; amb la diferència que l'aparent insaturació no es deu a un doble enllaç, sinó a un anell o cicle. És per això que se'ls considera isòmers dels alquens.

Aquests es formen quan els alcans lineals uneixen els extrems de les seves cadenes per originar així una estructura tancada. A l'igual que com succeeix amb els alcans, els cicloalcans poden exhibir diferents mides, masses moleculars, substitucions o, fins i tot, sistemes compostos per més d'un anell (policíclics).

Alguns cicloalcans monocíclics. Font: Mephisto spa via Wikipedia.

De resta, química i físicament són similars als alcans. Posseeixen només carbonis i hidrògens, són molècules neutres i interaccionen per tant mitjançant forces de Van der Walls. Així mateix, serveixen com a combustibles, alliberant calor quan cremen en presència d'oxigen.

Per què els cicloalcans són més inestables que els seus homòlegs de cadena oberta? La raó pot sospitar-se observant a vol d'ocell dels exemples de cicloalcans representats en la imatge superior: hi ha tensions i impediments estèrics (espacials).

Cal notar que com menys carbonis hagi (enumerats de blau), més tancada és l'estructura; i el contrari passa quan augmenten, tornant-se com un collaret.

Els cicloalcans petits són gasosos, i conforme s'incrementen les seves mides també ho fan les seves forces intermoleculars. En conseqüència, poden ser líquids capaços de dissoldre greixos i molècules apolars, lubricants, o sòlids que llueixen colors foscos i qualitats com les de l'asfalt.

Propietats físiques i químiques

polaritat

A l'compondre únicament de carbonis i hidrògens, àtoms que de per si no difereixen gaire en electronegativitat, això fa que les molècules dels cicloalcans siguin apolars i per tant no tinguin moment dipolar.

No poden interactuar mitjançant forces dipol-dipol, sinó que depenen específicament de les forces de London, les quals són dèbils però que augmenten amb la massa molecular. És per això que els cicloalcans petits (amb menys de cinc carbonis) són gasosos.

interaccions intermoleculars

D'altra banda, a l'tractar-se d'anells dels cicloalcans posseeixen una major àrea de contacte, la qual cosa afavoreix a les forces de London entre les seves molècules. Així, s'agrupen i interactuen de millor manera en comparació als alcans; i d'aquí que els seus punts d'ebullició i fusió siguin superiors.

Així mateix, atès que tenen dos àtoms d'hidrogen menys (C _n H _2n per als cicloalcans i C _n H _{2n + 2} per als alcans), són més lleugers; i sumant a això el fet de la seva major àrea de contacte, disminueix el volum ocupat per les seves molècules, i per tant, són més densos.

saturació

Per què es classifica als cicloalcans com hidrocarburs saturats? Perquè no tenen com incorporar una molècula d'hidrogen; llevat que s'obri l'anell, i en tal cas es convertirien en simples alcans. Perquè un hidrocarbur es consideri saturat ha de tenir el màxim nombre possible d'enllaços CH.

estabilitat

Químicament són molt semblants als alcans. Tots dos posseeixen enllaços CC i CH, els quals no són tan fàcils de trencar per originar altres productes. No obstant això, les seves estabilitats relatives difereixen, el que pot comprovar-se experimentalment mitjançant el mesurament de les seves calors de combustió (ΔH _comb).

Per exemple, quan es comparen el ΔH _comb per al propà i ciclopropà (representat per un triangle a la imatge), s'ha 527,4 kcal / mol i 498,9 kcal / mol, respectivament.

El detall és que el ciclopropano, amb base a les calors de combustió dels alcans, hauria de tenir un ΔH _comb menor (471 kcal / mol) per tractar-se de tres grups metilenos, CH ₂; però en realitat, allibera més calor, reflectint una inestabilitat més gran que l'estimada. Aquest excés d'energia es diu llavors que es deu a les tensions dins de l'anell.

I de fet, aquestes tensions regeixen i diferencien la reactivitat o estabilitat dels cicloalcans, respecte als alcans, enfront de reaccions específiques. Sempre que les tensions no siguin molt elevades, els cicloalcans tendeixen a ser més estables que els seus alcans respectius.

Nomenclatura

Alguns exemples de cicloalcans substituïts per assajar les regles de nomenclatura. Font: Gabriel Bolívar.

La nomenclatura regida per la IUPAC per als cicloalcans no difereix massa que la dels alcans. La regla més simple de totes és col·locar el prefix cicle- a el nom de l'alcà de el qual es forma el cicloalcano.

Així, per exemple, de l'n-hexà, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃, s'obté el ciclohexà (representat per un hexàgon en la primera imatge). De la mateixa manera succeeix amb el ciclopropà, ciclobutà, etc.

Ara bé, aquests compostos poden patir substitucions d'un dels seus hidrògens. Quan el nombre de carbonis de l'anell és superior a el dels substituents alquils, es pren l'anell com la cadena principal; aquest és el cas de a) per a la imatge superior.

Cal notar que en a) el ciclobutano (el quadrat), té més carbonis que el grup propil enllaçat a ell; llavors a aquest compost se li nomena com propilciclobutano.

Si hi ha més d'un substituent, ha nombrárseles en ordre alfabètic i de tal manera que tinguin el menor nombre localitzador possible. Per exemple, b) es diu: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcicloheptano (i no 1-bromo-5-fluoro-7-butilcicloheptano, la qual cosa seria incorrecte).

I finalment, quan el substituent alquílic té més carbonis que l'anell, es diu llavors que aquest últim és el grup substituent de la cadena principal. Així, c) es diu: abril-ciclohexilnonano.

estructura

Deixant de banda els cicloalcans substituïts, convé centrar-se únicament en les seves bases estructurals: els anells. Aquests van ser representats en la primera imatge.

A l'observar-los pot sorgir la falsa idea que tals molècules siguin planes; però amb excepció de l'ciclopropano, les seves superfícies són "zigzaguejants", amb carbonis baixant o pujant en relació a un mateix pla.

Això es deu al fet que per començar tots els carbonis tenen hibridació sp ³, i presenten per tant geometries tetraèdriques amb angles d'enllaços de 109,5º. Però, si s'observa acuradament la geometria dels anells, és impossible que els seus angles siguin aquests; per exemple, els angles dins el triangle de l'ciclopropano són 60º.

Això és el que es coneix com a tensió angular. Com més grans siguin els anells, l'angle entre els enllaços CC s'aproxima més a 109,5º, el que ocasiona una disminució d'aquesta tensió i un increment de l'estabilitat per al cicloalcano.

Un altre exemple s'observa en el ciclobutano, els angles d'enllaç són de 90 º. Ja en el ciclopentà seus angles són de 108º, ia partir de l'ciclohexà es diu llavors que la tensió angular deixa d'exercir un efecte desestabilitzant tan remarcat.

conformacions

A més de la tensió angular, hi ha altres factors que contribueixen a la tensió que experimenten els cicloalcans.

Els enllaços CC no poden rotar sense més, ja que això implicaria que tota l'estructura es "s'estremís". Així, aquestes molècules poden adoptar conformacions espacials molt ben definides. El propòsit d'aquests moviments és el de reduir les tensions ocasionades en el eclipsament dels àtoms d'hidrogen; és a dir, quan estan un davant de l'altre.

Per exemple, les conformacions per al ciclobutano s'assemblen a una papallona que bat les ales; les de l'ciclopentà, un sobre; les de l'ciclohexà, un pot o cadira, i com més gran sigui l'anell, més gran és el nombre i formes que puguin adoptar en l'espai.

Inversions entre la conformació tipus cadira i tipus pot per l'ciclohexà. Font: Keministi.

La imatge superior mostra un exemple de tals conformacions per al ciclohexà. Cal notar que el suposat hexàgon pla realment sembla més una cadira (a l'esquerra de la imatge) o un pot (a la dreta). Un hidrogen es representa amb lletra vermella, i un altre amb lletra blau, per indicar com canvien les seves posicions relatives després de les inversions.

En (1), quan l'hidrogen està perpendicular a mapa de la l'anell, es diu que està en posició axial; i quan està paral·lel a aquest, es diu que està en posició equatorial.

reaccions

Les reaccions que poden patir els cicloalcans són les mateixes que per als alcans. Tots dos cremen en presència d'un excés d'oxigen en les típiques reaccions de combustió per produir diòxid de carboni i aigua. Així mateix, tots dos poden patir halogenaciones, en les quals un hidrogen se substitueix per un àtom d'halogen (F, Cl, Br, I).

Reaccions de l'ciclopentà. Font: Gabriel Bolívar.

A dalt es mostra a tall d'exemple les reaccions de combustió i halogenació per al ciclopentà. Un mol d'ell crema en presència de calor i 7,5 mols d'oxigen molecular per descompondre en CO ₂ i H ₂ O. D'altra banda, en presència de radiació ultraviolada i brom, substitueix un H per un Br, alliberant-una molècula gasosa de HBr.

usos

L'ús dels cicloalcans depèn en gran mesura del seu nombre de carbonis. Els més lleugers, i per tant gasosos, van servir alguna vegada per alimentar les làmpades de gasos dels enllumenats públics.

Els líquids, per la seva banda, tenen utilitats com solvents d'olis, greixos o productes comercials de naturalesa apolar. Entre aquests es pot esmentar a l'ciclopentano, ciclohexà i Cicloheptano. Així mateix, solen utilitzar-se amb molta freqüència en operacions rutinàries en laboratoris de petrolis, o en la formulació de combustibles.

Si són més pesats, poden destinar-se com lubricants. D'altra banda, també poden representar el material de partida per a la síntesi de fàrmacs; com el carboplatí, el qual inclou en la seva estructura un anell de ciclobutà.

Exemples de cicloalcans

Per finalitzar, es torna a el principi de l'article: la imatge amb diversos cicloalcans no substituïts.

Per memoritzar els cicloalcans només cal pensar en les figures geomètriques: triangle (ciclopropano), quadrat (ciclobutano), pentàgon (ciclopentà), hexàgon (ciclohexà), heptàgon (Cicloheptano), decàgon (ciclodecano), pentadecàgon (ciclopentadecano), i així successivament.

Com més gran és l'anell, menys s'assembla a la seva respectiva figura geomètrica. Ja s'ha vist que el ciclohexà és de tot menys un hexàgon; el mateix ocorre de manera més evident amb el ciclotetradecano (de catorze carbonis).

Arriba un punt en què es comportaran com collarets que podran plegar per disminuir a l'màxim les tensions dels seus enllaços i eclipsamientos.

referències

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Química Orgànica. 5a Edició. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10th edition.). Wiley Plus.
4. Chemistry LibreTexts. (2 juny 2019). Naming Cycloalkanes. Recuperat de: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. (2019). Cycloalkane. Recuperat de: en.wikipedia.org
6. Clark Jim. (2015). Introducing alkanes and cycloalkanes. Recuperat de: chemguide.co.uk
7. James Ashenhurst. (2019). Conformations and Cycloalkanes. Màster Organic Chemistry. Recuperat de: masterorganicchemistry.com
8. Fernández Germán. (Sf). Cicloalcanos-teoria. Química Orgànica. Recuperat de: quimicaorganica.org