U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o ugljikovodicima čiji se ugljikovi atomi međusobno slažu u prstenove.
ISHODI UČENJA
Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:
- Što su ciklički ugljikovodici?
- Kako dijelimo cikličke ugljikovodike?
- Pojasni princip imenovanja cikličkih ugljikovodika!
- Gdje u prirodi pronalazimo cikloalkane?
- O čemu ovisi stabilnost cikloalkana?
- Koji je cikloalkan najreaktivniji i zašto?
- Koja je konformacija cikloheksana najstabilnija i zašto?
- Kakav može biti položaj supstituenata na cikloheksanu i koji od njih ima nižu energiju?
- Navedi fizikalna svojstva cikloalkana!
- Koje kemijske reakcije karakteriziraju stabilne cikloalkane? Napiši primjere tih kemijskih reakcija!
- Koje kemijske reakcije karakteriziraju nestabilne cikloalkane? Napiši primjere tih kemijskih reakcija!
- Navedi načine laboratorijskog dobivanja cikloalkana! Potkrijepi kemijskim reakcijama!
- Navedi područja upotrebe najvažnijih cikloalkana!
Ciklički ugljikovodici su posebna skupina ugljikovodika gdje su atomi ugljika zasićeni ili nezasićeni i složeni u prsten. Ugljikovodike građene od jednog prstena nazivamo MONOCIKLIČKIM, a one građene od više prstenova POLICIKLIČKIM UGLJIKOVODICIMA. Za nas od najvećeg interesa su ciklički ugljikovodici sa jednostrukim vezama između ugljikovih atoma, CIKLOALKANI, te će u nastavku najviše riječi biti upravo o njima.
Opća formula cikloalkana je CnH2n.
Imenovanje cikličkih ugljikovodika
Cikličke ugljikovodike imenujemo tako da dodamo prefiks CIKLO- (grč. kyklos = krug) na naziv ravnolančastog, alifatskog ugljikovodika sa istim brojem C-atoma. Položaj supstituenata označava se brojevima, po mogućnosti što nižima. Supstituenti se navode abecedenim redom.
Prostorni oblici cikličkih ugljikovodika
Cikloalkani su vrlo stabilni spojevi, a njihova stabilnost objašnjava se njihovim oblikom koji zauzimaju u prostoru, tj. njihovom konformacijom. Na stabilnost prostornih oblika utječe kutna napetost i odstupanje od zvjezdastog rasporeda tzv. torzijska napetost. Najnestabilniji cikloalkan je ujedno i najjednostavniji cikloalkan, ciklopropan. Tetradearski prostorni oblik je najstabilniji oblik u prostoru, a svako odstupanje od takvog oblika smanjuje stablnost spoja. Ako se prisjetimo, tetraedarski kut iznosi 109,5 °. Kod ciklopropana odstupanje od idealnog, tetraedarskog kuta iznosi čak 49 °, dok kod ciklobutana ta vrijednost iznosi 19 °. Veće odstupanje od idealnog kuta znači i veću kutnu napetost. Najstabilniji cikloalkani su ciklopentan i cikloheksan gdje su odstupanja neznatna.
Konformacije cikloheksana detaljno su ispitane i utvrđeno je da raspored ugljika u njegovoj strukturi nije planaran, već da je struktura cikloheksana izlomljena. Kutovi između veza iznose 109,5 °. Njegove dvije krajnje konformacije kod kojih nema kutne napetosti su konformacija stolice ili sedla i konformacija kolijevke. Rotacijom oko jednostrukih veza konformacije mogu međusobno prelaziti jedna u drugu. Prijelaz jedne konformacije u drugu nazivamo interkonverzijom.
Konformacija stolice ili sedla je najstabilnija konformacija cikloheksana, dok je konformacija kolijevke nestabilna zbog zasjenjenog rasporeda atoma što rezultira torzijskom napetošću.
Supstituenti na prstenu mogu zauzimati dva položaja: ekvatorijalni i aksijalni položaj.
Ekvatorijalni položaj je u “ravnini” prstena, a aksijalni položaj je okomit na “ravninu” prstena.
Ekvatorijalni položaj supstituenta stabilniji je od aksijalnog zbog manjih interakcija sa ostalim supstituentima.
Svojstva cikličkih ugljikovodika
Fizikalna svojstva
Cikloalkani su najzastupljeniji ugljikovodici u nafti sa masenim udjelom od 25 do 75 %. Stoga su se u početku nazivali naftenima. Njihova fizikalna svojstva slična su svojstvima alkana. Ciklopropan i ciklobutan su plinovi, a ciklopentan i cikloheksan tekućine. Slabo su topljivi u vodi.
Kemijska svojstva
Cikloalkani su vrlo zapaljivi te u radu sa njima treba biti vrlo oprezan. Kemijski najreaktivniji cikloalkani su dva najjednostavnija, ciklopropan i ciklobutan. Zašto? Upravo zbog nestabilnosti svojih prstenova podložni su napadu atoma ili atomskih skupina, tj. za njih su karakteristične reakcije adicije u kojima su produkti alkani ili halogenalkani (najčešće).
U navedenim primjerima vidimo da dolazi do pucanja prstena i nastajanja ravnolančanih struktura.
Za ciklopentan i cikloheksan kao najstabilnije cikloalkane su karakteristične reakcije supstitucije (slično alkanima) koje se događaju djelovanjem UV zračenja po istom mehanizmu kao i kod alkana. Prisjeti se reakcije supstitucije kod alkana u Temi UGLJIKOVODICI !
ZADATAK:
Pokušaj napisati kemijsku reakciju cikloheksana sa molekulom klora!
Dobivanje cikličkih ugljikovodika
Cikloalkani su kao što smo vidjeli na početku Teme sastavni dio nafte te se iz nje i dobivaju.
Laboratorijski se cikloalkani mogu prirediti na više načina. Primjerice, najvažniji cikloalkan, cikloheksan možemo dobiti hidrogeniranjem benzena djelovanjem katalizatora u uvjetima visoke temperature i tlaka:
Cikloalkane možemo dobiti i ciklizacijom dihalogenalkana:
Upotreba cikloalkana
Gospodarski najznačajniji cikloalkan je cikloheksan, bezbojna, hlapljiva i zapaljiva tekućina prepoznatljivog mirisa sličnog deterdžentu. Netopljiv je u vodi, a najviše se upotrebljava kao otapalo za masti i ulja, boje i lakove. Važan je prekursor za sintezu polimernih materijala, primjerice najlona.
Ciklopentan je bezbojna i zapaljiva tekućina koja se kao i cikloheksan upotrebljava kao otapalo za masti te je sastavni dio ljepila, boja, smola, benzina, duhana. Pirolizom ciklopentana nastaje eten ili etilen koji je važan monomer za sintezu različitih polimera. Koje polimere gradi eten ili etilen pogledaj u Temi NEZASIĆENI UGLJIKOVODICI! Pare ciklopentana koriste se za izradu poliuretanske pjene poznatije pod nazivom PUR pjena koja se koristi kao materijal za izolaciju.
Ciklopropan se koristi kao anestetik dok upotreba ciklobutana nije značajna.
Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!
Odgovori
Morate biti prijavljeni da biste objavili komentar.