Przeczytaj

bg‑azure

Cykloalkany

Cykloalkany to związki chemiczne o wzorze ogólnym $C_{n} H_{2 n}$ , w których atomy węgla, połączone wiązaniami pojedynczymi, tworzą cykliczny układ, czyli pierścień, jak pokazano poniżej.

Rc4XrHMz7YIrY1

Ilustracja przedstawiająca wzory wybranych cykloalkanów. Pierwszy z nich stanowi cyklopropan o wzorze sumarycznym C3H6, który reprezentuje trójkąt. Drugi to cyklobutan o wzorze sumarycznym C4H8, któremu odpowiada struktura symbolizowana przez kwadrat. Kolejny cykloalkan to cyklopentan o wzorze sumarycznym C5H10 i strukturze reprezentowanej przez pięciokąt, ponieważ jest to pięcioczłonowy pierścień nasycony. Ostatni przykład stanowi cykloheksan o wzorze sumarycznym C6H12 reprezentowany przez sześciokąt, a zatem cząsteczka to sześcioczłonowy pierścień nasycony. — Wzory strukturalne wybranych cykloallkanów
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Jakie są właściwości chemiczne cykloalkanów?

Właściwości chemiczne cykloalkanów są podobne do odpowiadających im alkanów. Cykloalkany charakteryzują się niską reaktywnością, ze względu na silne wiązania kowalencyjne niespolaryzowane pomiędzy atomami węgla oraz atomami węgla i wodoru. Wyjątkiem są tutaj cykloalkany o małych masach cząsteczkowych, takich jak cyklopropan i cyklobutan, które są bardzo reaktywnymi węglowodorami nasyconymi, ze względu na najmniejsze kąty pomiędzy wiązaniami – odpowiednio $60 °$ i $90 °$ . Posiadają więc największe naprężenia w cząsteczce.

R1crDvQDvwXHC

Ilustracja przedstawia model kulkowo‑pręcikowy cyklopropanu. Atomy węgla przedstawiono w postaci szarych kulek, a atomy wodoru w postaci małych, białych kulek. Trzy atomy wodoru są związane wiązaniami pojedynczymi, tworząc trójkąt. Kąt pomiędzy wiązaniami węgiel‑węgiel wynosi sześćdziesiąt stopni. Do każdego atomu węgla przyłączone są po dwa atomy wodoru tak, że jeden atom przy każdym węglu znajduje się przed płaszczyzną pierścienia, a drugi za. — Cyklopropan, o hybrydyzacji atomów węgla $s p^{2}$ , posiada kąt pomiędzy atomami węgla, który wynosi $60 °$ .
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RgEMWz25r5lz8

Ilustracja przedstawia model kulkowo‑pręcikowy cyklobutanu. Atomy węgla przedstawiono w postaci szarych kulek, a atomy wodoru w postaci małych, białych kulek. Cztery atomy wodoru są połączone wiązaniami pojedynczymi, tworząc czworokąt - kwadrat. Kąt pomiędzy wiązaniami węgiel węgiel wynosi dziewięćdziesiąt stopni. Do każdego atomu węgla przyłączone są po dwa atomy wodoru tak, że jeden atom przy każdym węglu znajduje się przed płaszczyzną pierścienia, to jest kwadratu, a drugi za. — Cyklobutan, o hybrydyzacji atomów węgla $s p^{2}$ , posiada kąt pomiędzy atomami węgla, który wynosi $90 °$ .
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Jakim reakcjom ulegają cykloalkany?

Do reakcji, którym ulegają cykloalkany, należą:

reakcja spalaniaspalaniespalania;

Cykloalkany ulegają reakcji z tlenem, utleniając się do tlenku węgla( $IV$ ) i wody. Jest to reakcja spalania całkowitego. Przy niedomiarze tlenu możliwe jest utlenienie cykloalkanu do tlenku węgla( $II$ ) lub węgla – wówczas mówimy o reakcji spalania niecałkowitego. Poniżej przedstawiono reakcje spalania cykloheksanu.

Spalanie całkowite:spalanie całkowiteSpalanie całkowite:

C_{6} H_{12} + 9 O_{2} \to 6 {CO}_{2} + 6 H_{2} O

Spalanie niecałkowite:spalanie niecałkowiteSpalanie niecałkowite:

C_{6} H_{12} + 6 O_{2} \to 6 CO + 6 H_{2} O

C_{6} H_{12} + 3 O_{2} \to 6 C + 6 H_{2} O

Reakcja spalania zachodzi zgodnie z mechanizmem utleniania i redukcjimechanizmem utleniania i redukcji, gdzie utleniaczemutleniaczutleniaczem jest tlen, a reduktoremreduktorreduktorem cykloalkan.

reakcja fluorowcowania (halogenowania);

Cykloalkany ulegają reakcji substytucjisubstytucjasubstytucji, czyli podstawienia jednego lub kilku atomów wodoru atomem fluorowca – najczęściej chloru lub bromu. Bromowanie jednak zachodzi dużo wolniej niż chlorowanie. Dla alkanów reakcja halogenowania zachodzi w sposób analogiczny – w obecności światła lub ciepła, a produktami są odpowiednie halogenki alkilowe. Poniżej przedstawiono reakcje substytucji rodnikowejsubstytucja rodnikowasubstytucji rodnikowej dla cykloheksanu oraz cyklopentanu.

R1Bc897vyloHm1

Ilustracja przedstawia przykłady reakcji chlorowania i bromowania cykloalkanów. Pierwsza reakcja to reakcja cykloheksanu z cząsteczką chloru. Cząsteczka cykloheksanu zbudowana z sześcioczłonowego pierścienia nasyconego, w którym wyszczególnione dwa atomy wodoru związane z jednym z atomów węgla budującego sześciokątny pierścień. Dodać cząsteczkę chloru Cl2. Strzałka w prawo, pod wpływem światła lub temperatury następuje reakcja. Za strzałką produkty, cząsteczka chlorocykloheksanu zbudowana z sześcioczłonowego pierścienia nasyconego, w którym wyszczególnione atom wodoru oraz atom chloru związane z jednym z atomów węgla budującego sześciokątny pierścień. Dodać cząsteczkę chlorowodoru HCl. Druga reakcja to reakcja cyklopentanu z cząsteczką bromu. Cząsteczka cyklopentanu zbudowana z pięcioczłonowego pierścienia nasyconego. Dodać cząsteczkę bromu Br2. Strzałka w prawo, pod wpływem światła lub temperatury następuje reakcja. Za strzałką produkty, cząsteczka bromocyklopentanu zbudowana z pięcioczłonowego pierścienia nasyconego, w którym jeden z atomów węgla budujący pięciokątny pierścień podstawiony jest atomem bromu. Dodać cząsteczkę bromowodoru HBr — Przykłady reakcji bromowania i chlorowania cykloalkanów
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Reakcja halogenowania cykloalkanów zachodzi zgodnie z mechanizmem substytucji rodnikowej. Zatem reakcja ta przebiega łańcuchowo i złożona jest z trzech etapów. Etap pierwszy to inicjacja, w której cząsteczka halogenu ( ${Cl}_{2}$ , ${Br}_{2}$ ) pod wpływem światła rozpada się, tworząc rodnikirodnikrodniki, czyli atomy z niesparowanym elektronem ( $Cl \cdot$ , $Br \cdot$ ). Drugim etapem jest propagacja, w której rodniki halogenowe atakują cząsteczki cykloalkanów, tym samym dając rodniki alkilowe ( $R \cdot$ ) i eliminując atomy wodoru z cząsteczki. Powstają wówczas rodniki wodoru ( $H \cdot$ ). Rodnik alkilowy powoduje rozpad kolejnej cząsteczki halogenu. Procesy te powtarzają się, następuje ciągłe odtwarzanie rodników aż do momentu wyczerpania substratów. Wówczas rodniki łączą się, dzięki czemu powstają produkty główne oraz uboczne. Jest to trzeci etap substytucji rodnikowej, zwany terminacją.

Ciekawostka

Cyklopropan, jako najbardziej reaktywny homolog w szeregu homologicznymszereg homologicznyszeregu homologicznym cykloalkanów, ulega również reakcjom addycji – typowym dla ich izomerów, czyli alkenów. Wynika to z dużych naprężeń w cząsteczce, spowodowanych małym kątem pomiędzy wiązaniami. To sprawia, że wiązania kowalencyjne pomiędzy atomami węgla są osłabione i cyklopropan jest podatny na działanie czynników elektrofilowych, analogicznie jak alkeny.

addycja bromu;

W wyniku reakcji addycji bromu następuje rozerwanie pierścienia i powstaje dibromopochodna alkanu, czyli $1$ , $3$ -dibromopropan.

R1Lug1htb2JnN1

Ilustracja przedstawia przykład reakcji addycji bromu do cyklopropanu. Cząsteczka cyklopropanu zbudowana z trójczłonowego pierścienia nasyconego. Dodać cząsteczkę bromu Br2. Strzałka w prawo, nad strzałką woda, za strzałką cząsteczka 1,3-dibromopropanu zbudowana z trójwęglowego łańcucha, w którym pierwszy oraz trzeci atom węgla podstawione są każdy jednym atomem bromu. — Przykładowa reakcja addycji bromu do cykloalkanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

addycja wodoru;

W wyniku addycji wodoru do cyklopropanu, pod wpływem katalizatora niklowego i w temperaturze $100 ° C$ , pierścień rozrywa się i powstaje propan.

RvL5qUCWtq7OP1

Ilustracja przedstawia przykład reakcji addycji wodoru do cyklopropanu. Cząsteczka cyklopropanu zbudowana z trójczłonowego pierścienia nasyconego. Dodać cząsteczkę wodoru H2. Strzałka w prawo, pod wpływem katalizatora niklowego i temperatury następuje reakcja, za strzałką cząsteczka propanu zbudowana z trójwęglowego łańcucha nasyconego. — Przykładowa reakcja addycji wodoru do cykloalkanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

addycja kwasu siarkowego( $VI$ );

W wyniku addycji kwasu siarkowego( $VI$ ) do cyklopropanu powstaje ester – wodorosiarczan( $VI$ ) propylu.

R1etedoFzGdzS1

Ilustracja przedstawia przykład reakcji cyklopropanu z kwasem siarkowym(<math aria‑label="sześć">VI). Cząsteczka cyklopropanu zbudowana z trójczłonowego pierścienia nasyconego. Dodać cząsteczkę kwasu siarkowego(<math aria‑label="sześć">VI) H2SO4. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka wodorosiarczanu(<math aria‑label="sześć">VI) propylu zbudowanego z trójwęglowego łańcucha nasyconego, w którym pierwszy atom węgla podstawiony jest grupą OSO3H. — Przykładowa reakcja cykloalkanu z kwasem siarkowym(VI)
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

addycja wody wobec kwasu siarkowego( $VI$ ).

W wyniku addycji wody wobec kwasu siarkowego( $VI$ ) do cyklopropanu powstaje alkohol – propan- $1$ -ol.

R1MALCzwyjhyu1

Ilustracja przedstawia przykład reakcji cyklopropanu z wodą. Cząsteczka cyklopropanu zbudowana z trójczłonowego pierścienia nasyconego. Dodać cząsteczkę wody H2O. Strzałka w prawo, nad strzałką cząsteczka kwasu siarkowego(<math aria‑label="sześć">VI), za strzałką cząsteczka propan-1-olu zbudowanego z trójwęglowego łańcucha nasyconego, w którym pierwszy atom węgla podstawiony jest grupą hydroksylową OH. — Przykładowa reakcja addycji wody do cykloalkanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Dla zainteresowanych

Cyklobutan jest drugim najbardziej reaktywnym cykloalkanem. Ulega jednak jedynie reakcji addycji wodoru, ze względu na mniejsze naprężenia w cząsteczce niż w przypadku cyklopropanu. W wyniku addycji wodoru do cyklobutanu, pod wpływem katalizatora niklowego i w temperaturze $200 ° C$ , pierścień rozrywa się i powstaje butan.

RNAmrwQJ6Zmiy

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji addycji wodoru do cząsteczki cyklobutanu. Cząsteczka cyklobutanu zbudowanego z czteroczłonowego pierścienia nasyconego. Dodać cząsteczkę wodoru. Strzałka w prawo nad strzałką nikiel Ni oraz temperatura. Za strzałką cząsteczka butanu zbudowanego z czterowęglowego łańcuch nasyconego. — Reakcja addycji wodoru do cykloalkanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

spalanie

proces fizykochemiczny, którego podstawą jest przebiegająca z dużą szybkością reakcja utleniania, polegająca na gwałtownym łączeniu się substancji spalanej (paliwa) z utleniaczem, której towarzyszy wydzielanie się dużej ilości energii i zazwyczaj płomień

spalanie całkowite

zachodzi wtedy, gdy cała ilość spalanej substancji ulega utlenieniu; spalaniu całkowitemu towarzyszy wydzielanie się tlenku węgla( $IV$ )

spalanie niecałkowite

zachodzi wtedy, gdy niecała ilość spalanej substancji ulega utlenieniu; spalaniu niecałkowitemu towarzyszy pojawienie się sadzy lub tlenku węgla( $II$ )

reakcja utleniania‑redukcji (reakcja redoks)

reakcja, w której dochodzi do przeniesienia jednego lub więcej elektronów od atomu, jonu lub cząsteczki donora (czyli reduktora) do akceptora (czyli utleniacza)

utleniacz

cząsteczka lub jon, który w reakcjach redoks przyjmuje elektrony, zmniejszając tym samym swój stopień utlenienia

reduktor

cząsteczka lub jon, który w reakcjach redoks oddaje elektrony, zwiększając swój stopień utlenienia

szereg homologiczny

związki organiczne tej samej klasy (mające podobne właściwości fizyczne), których cząsteczki różnią się między sobą liczbą grup metylenowych

substytucja

reakcja chemiczna, w której następuje podstawienie atomu lub grupy atomów innym atomem lub grupą atomów

substytucja rodnikowa

reakcja substytucji (podstawienia), zachodząca z wytworzeniem rodników; charakterystyczna dla wielu klas związków organicznych

rodnik

indywiduum zbudowane z jednego lub powiązanych ze sobą atomów, z niesparowanym elektronem na powłoce walencyjnej jednego z atomów; w umownym zapisie oznacza się go kropką

Bibliografia

Daniela B., Wojciech S., Przemysław Sz., Chemia organiczna. Kurs podstawowy, Warszawa 2006.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Physical and Chemical properties of Cykloalkane, Hydrocarbon Assignment Help, online: www.expertsmind.com (dostęp: 17.03.2021)

Wprowadzenie

Grafika interaktywna

Cykloalkany

Jakie są właściwości chemiczne cykloalkanów?

Jakim reakcjom ulegają cykloalkany?

Słownik

Bibliografia