Cicloalcanos: propriedades, reações, usos, exemplos

Os cicloalcanos são uma família de hidrocarbonetos saturados com uma fórmula geral de C n H 2n coincidindo com alcenos; com a diferença de que a aparente insaturação não se deve a uma ligação dupla, mas a um anel ou ciclo. É por isso que eles são considerados isômeros de alcenos.

Eles são formados quando alcanos lineares unem as extremidades de suas cadeias para criar uma estrutura fechada. Assim como os alcanos, os cicloalcanos podem exibir diferentes tamanhos, massas moleculares, substituições ou mesmo sistemas compostos por mais de um anel (policíclico).

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Alguns cicloalcanos monocíclicos. Fonte: Mephisto spa via Wikipedia.

Caso contrário, quimicamente e fisicamente eles são semelhantes aos alcanos. Eles têm apenas carbonos e hidrogênios, são moléculas neutras e, portanto, interagem pelas forças de Van der Walls. Eles também servem como combustíveis, liberando calor ao queimar na presença de oxigênio.

Por que os cicloalcanos são mais instáveis ​​do que os de cadeia aberta? Pode-se suspeitar do motivo observando os exemplos de cicloalcanos representados na imagem acima como um pássaro: existem tensões e impedimentos estereoquímicos (espaciais).

Observe que quanto menos carbonos (listados em azul), mais fechada é a estrutura; e o contrário ocorre quando aumentam, tornando-se um colar.

Cicloalcanos pequenos são gasosos e, à medida que seus tamanhos aumentam, aumentam suas forças intermoleculares. Consequentemente, eles podem ser líquidos capazes de dissolver moléculas e gorduras apolares, lubrificantes ou sólidas que mostram cores e qualidades escuras, como o asfalto.

Propriedades físicas e químicas

Polaridade

Sendo composta apenas de carbonos e hidrogênios, átomos que por si só não diferem muito na eletronegatividade, isso torna as moléculas de cicloalcano apolar e, portanto, carece do momento dipolar.

Eles não podem interagir através de forças dipolo-dipolo, mas dependem especificamente das forças de Londres, que são fracas, mas aumentam com a massa molecular. É por isso que pequenos cicloalcanos (com menos de cinco carbonos) são gasosos.

Interações intermoleculares

Por outro lado, por serem anéis, os cicloalcanos têm uma área de contato maior, o que favorece as forças de Londres entre suas moléculas. Assim, eles são agrupados e interagem melhor em comparação aos alcanos; e, portanto, seus pontos de ebulição e fusão são mais altos.

Além disso, uma vez que tendo dois menos átomos de hidrogénio (C n H 2n para cicloalcanos e C n H 2n + 2 para alcanos), eles são mais leves; e adicionando a isso o fato de sua maior área de contato diminuir o volume ocupado por suas moléculas e, portanto, elas são mais densas.

Saturação

Por que os cicloalcanos são classificados como hidrocarbonetos saturados? Porque eles não têm como incorporar uma molécula de hidrogênio; a menos que o anel seja aberto e, nesse caso, eles se tornariam alcanos simples. Para que um hidrocarboneto seja considerado saturado, ele deve ter o número máximo possível de ligações CH.

Estabilidade

Quimicamente, eles são muito semelhantes aos alcanos. Ambos têm links CC e CH, que não são tão fáceis de quebrar para criar outros produtos. No entanto, suas estabilidades relativas diferem, o que pode ser testado experimentalmente medindo-se os aquecimentos de combustão (ΔH comb ).

Por exemplo, quando ΔH comb é comparado com propano e ciclopropano (representado por um triângulo na imagem), ele possui 527,4 kcal / mol e 498,9 kcal / mol, respectivamente.

O detalhe é que o ciclopropano, com base nos aquecimentos da combustão de alcanos, deve ter um pente de ΔH mais baixo (471 kcal / mol) porque são três grupos metileno, CH 2 ; mas, na realidade, libera mais calor, refletindo uma instabilidade maior que o estimado. Diz-se que esse excesso de energia é devido às tensões dentro do anel.

E, de fato, essas tensões governam e diferenciam a reatividade ou estabilidade dos cicloalcanos, em relação aos alcanos, contra reações específicas. Desde que as tensões não sejam muito altas, os cicloalcanos tendem a ser mais estáveis ​​que seus respectivos alcanos.

Nomenclatura

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Alguns exemplos de cicloalcanos substituídos para testar as regras da nomenclatura. Fonte: Gabriel Bolívar

A nomenclatura governada pela IUPAC para cicloalcanos não difere muito da dos alcanos. A regra mais simples de todas é colocar o prefixo cyclo no nome do alcano a partir do qual o cicloalcano é formado.

Por exemplo, o n-hexano, CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , ciclo-hexano (representado por um hexágono na primeira imagem) é obtido. O mesmo acontece com o ciclopropano, ciclobutano, etc.

No entanto, esses compostos podem sofrer substituições de um de seus hidrogênios. Quando o número de carbono do anel é maior que o dos substituintes alquil, o anel é tomado como a cadeia principal; Este é o caso de a) para a imagem acima.

Observe que em a) o ciclobutano (o quadrado), tem mais carbonos do que o grupo propil a ele ligado; então este composto é denominado propilciclobutano.

Se houver mais de um substituinte, eles deverão ser nomeados em ordem alfabética e de maneira que possuam o menor número possível de localizador. Por exemplo, b) é chamado: 1-bromo-4-fluoro-2-butilciclo-heptano (e não 1-bromo-5-fluoro-7-butilciclo-heptano, o que seria incorreto).

E finalmente, quando o substituinte alquil tem mais carbonos que o anel, diz-se que este último é o grupo substituinte da cadeia principal. Assim, c) é chamado: 4-ciclohexilnonano.

Estrutura

Além dos cicloalcanos substituídos, é conveniente focar apenas em suas bases estruturais: os anéis. Estes foram representados na primeira imagem.

Observá-los pode dar origem à falsa ideia de que tais moléculas são planas; mas, com exceção do ciclopropano, suas superfícies são “ziguezagues”, com os carbonos caindo ou subindo em relação ao mesmo plano.

Isso ocorre porque, para começar, todos os carbonos têm hibridação sp 3 e, portanto, possuem geometrias tetraédricas com ângulos de ligação de 109,5º. Mas, se a geometria dos anéis for cuidadosamente observada, é impossível que seus ângulos sejam esses; por exemplo, os ângulos dentro do triângulo ciclopropano são 60 °.

Isso é conhecido como tensão angular. Quanto maiores os anéis, o ângulo entre os elos de corrente contínua é mais próximo de 109,5 °, o que causa uma diminuição na referida tensão e um aumento na estabilidade do cicloalcano.

Outro exemplo é observado no ciclobutano, cujos ângulos de conexão são 90º. Já no ciclopentano seus ângulos são 108º e, a partir do ciclohexano, diz-se que a tensão angular deixa de exercer um efeito desestabilizador tão acentuado.

Conformações

Além da tensão angular, existem outros fatores que contribuem para o estresse vivenciado pelos cicloalcanos.

Os links CC não podem girar sem mais, pois isso implicaria que toda a estrutura “estremeceria”. Assim, essas moléculas podem adotar conformações espaciais muito bem definidas. O objetivo desses movimentos é reduzir as tensões causadas pela eclipsação dos átomos de hidrogênio; isto é, quando eles estão frente a frente.

Por exemplo, as conformações do ciclobutano se assemelham a uma borboleta que bate as asas; os do ciclopentano, um envelope; os do ciclohexano, um barco ou cadeira, e quanto maior o anel, maior o número e as formas que eles podem assumir no espaço.

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Investimentos entre conformação de cadeira e tipo barco para ciclo-hexano. Fonte: Keministi [CC0].

A imagem acima mostra um exemplo de tais conformações para o ciclo-hexano. Observe que o suposto hexágono plano realmente se parece mais com uma cadeira (à esquerda da imagem) ou com um barco (à direita). Um hidrogênio é representado com uma letra vermelha e outro com uma letra azul, para indicar como suas posições relativas mudam após os investimentos.

Em (1), quando o hidrogênio é perpendicular ao plano do anel, diz-se que ele está na posição axial; e quando é paralelo a isso, diz-se que está em posição equatorial.

Reacções

As reações que os cicloalcanos podem sofrer são as mesmas dos alcanos. Ambos queimam na presença de excesso de oxigênio em reações típicas de combustão para produzir dióxido de carbono e água. Além disso, ambos podem sofrer halogenações, nas quais um hidrogênio é substituído por um átomo de halogênio (F, Cl, Br, I).

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Reações ao ciclopentano. Fonte: Gabriel Bolívar

As reações de combustão e halogenação do ciclopentano são mostradas acima. Uma mole de queima na presença de calor e de 7,5 moles de oxigio molecular para se decompor em CO 2 e H 2 O. Em do outro lado, na presença de radiação ultravioleta e bromo, substituindo um H por Br, libertando uma molécula de gás de HBr.

Usos

O uso de cicloalcanos depende em grande parte do seu número de carbono. Os mais leves e, portanto, gasosos, serviram para alimentar as lâmpadas de gás da iluminação pública.

Enquanto isso, os líquidos têm utilidades como solventes para óleos, gorduras ou produtos comerciais de natureza não polar. Entre estes, podem ser mencionados ciclopentano, ciclo-hexano e ciclo-heptano. Eles também são frequentemente usados ​​em operações de rotina em laboratórios de petróleo ou na formulação de combustíveis.

Se forem mais pesados, podem ser usados ​​como lubrificantes. Por outro lado, eles também podem representar o material de partida para a síntese de drogas; como a carboplatina, que inclui um anel ciclobutano em sua estrutura.

Exemplos de cicloalcanos

Finalmente, voltamos ao início do artigo: a imagem com vários cicloalcanos não substituídos.

Para memorizar os cicloalcanos, pense nas figuras geométricas: triângulo (ciclopropano), quadrado (ciclobutano), pentágono (ciclopentano), hexágono (ciclohexano), heptágono (cicloheptano), decágono (ciclodecano), pentadecágono (ciclopentadecano) e assim por diante .

Quanto maior o anel, menos se assemelha à sua respectiva figura geométrica. Já foi visto que o ciclohexano é tudo menos um hexágono; o mesmo é mais evidente com o ciclotetradecano (catorze carbonos).

Chega um momento em que eles se comportam como colarinhos que podem ser dobrados para minimizar as tensões de seus laços e eclipses.

Referências

  1. Morrison, RT e Boyd, R., N. (1987). Quimica Organica. 5ª Edição. Editorial Addison-Wesley Interamerican.
  2. Carey F. (2008). Quimica Organica. (Sexta edição). Mc Graw Hill
  3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Química Orgânica Aminas (10ª edição). Wiley Plus
  4. Química LibreTexts. (2 de junho de 2019). Nomeação de cicloalcanos. Recuperado de: chem.libretexts.org
  5. Wikipedia (2019). Cicloalcano Recuperado de: en.wikipedia.org
  6. Clark Jim (2015). Introdução de alcanos e cicloalcanos. Recuperado de: chemguide.co.uk
  7. James Ashenhurst (2019). Conformações e cicloalcanos. Master Organic Chemistry Recuperado de: masterorganicchemistry.com
  8. Fernández Germán. (sf). Teoria dos cicloalcanos. Quimica Organica. Recuperado de: quimicaorganica.org

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