Cikloalkánok

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából.

A cikloalkánok (vagy más néven cikloparaffinok) egy vagy több gyűrűt tartalmazó telített szénhidrogének. (A telített szénhidrogének másik csoportját a nyílt láncú alkánok alkotják.) Az egy gyűrűt tartalmazó cikloalkánok neve: monocikloalkán. Ezek a nyílt láncú alkánokból vezethetők le, gondolatban két hidrogénatom elvételével. Homológ sort alkotnak, a legegyszerűbb képviselőjük a ciklopropán. Nevük a velük megegyező szénatomszámú alkán nevéből vezethető le, a ciklo- szó hozzáillesztésével. További monocikloalkánok: ciklobután, ciklopentán, ciklohexán, cikloheptán, ciklooktán. Általános képletük: C_nH_2n.

A gyűrűk száma alapján a monocikloalkánok mellett di-, tri- és tetracikoalkánokat is megkülönböztetnek. Az egynél több gyűrűt tartalmazó cikloalkánok összefoglaló neve: policikloalkán. A cikloalkánok általános összegképlete C_nH_2(n-k)+2, ahol n a szénatomszám, k a gyűrűk száma.

Tartalomjegyzék 1 Csoportosításuk és elnevezésük 2 Téralkatuk 2.1 A ciklohexán téralkata 3 Fizikai tulajdonságaik 4 Kémiai tulajdonságaik 5 Előállításuk 6 Előfordulásuk, jelentőségük 7 Források

[szerkesztés] Csoportosításuk és elnevezésük

Az egy gyűrűt tartalmazó cikloalkánok a monocikloalkánok. A több gyűrűt tartalmazó cikloalkánok neve policikloalkán. Ezek az alapján csoportosíthatók, hogy a gyűrűjüknek hány közös atomjuk van.

Léteznek olyan cikloalkánok, amelyek egynél több gyűrűt tartalmaznak, de a gyűrűknek nincs közös atomjuk. Az ilyen cikloalkánok az izolált gyűrűs policikloalkánok. Bennük a gyűrűk vagy közvetlenül, vagy egy vagy több szénatomon keresztül kapcsolódnak össze. Közvetlenül összekapcsolódó gyűrűket tartalmaz például az 1,1'-biciklohexán. Ha a gyűrűk nem közvetlenül kapcsolódnak, nevük a szénhidrogén nevéből képzendő, a kapcsolódó gyűrűket szubsztituensként kell feltüntetni. (például 1-ciklohexil-2-ciklopentil-etán).

A spiránok olyan policikloalkánok, amelyekben a két szomszédos gyűrűnek egy közös szénatomja van. A közös szénatom neve: spiroatom. A spiránok nevét a velük megegyező szénatomszámú alkán nevéből kell képezni a spiro- előtaggal. A név után szögletes zárójelben kell feltüntetni a két gyűrű nem közös szénatomjainak a számát.

Ha a gyűrűk két közös atomot tartalmaznak, kondenzált gyűrűs, ha kettőnél többet, áthidalt gyűrűs policikloalkánokról van szó. Nevüket a velük megegyező szénatomszámú nem elágazó láncú alkánok nevéből képzik, ezek biciklo-, triciklo-, tetraciklo-, stb. előtagot kapnak a bennük található nem izolált gyűrűk száma alapján. Elnevezésük bonyolult.

Egyes policikloalkánok neve aromás vegyületekéből származik (perhidrofenantrén, perhidroantracén).

[szerkesztés] Téralkatuk

A cikloalkánok sp³ hibridizációjúak, bennük a kötésszög elvileg 109,47° lenne. A ciklopropánban azonban a szénatomok egy síkban helyezkednek el, a kötésszög a szénatomok között csak 60°, jelentősen kisebb. Emiatt a ciklopropánmolekulában jelentős feszülés lép fel (Baeyer-féle feszülési elmélet), ez növeli a molekula energiatartalmát és reakciókészségét. A ciklobután moleklájában is jelentős az eltérés a normál C-C kötésszögöhz képest. A ciklobutánmolekulában úgy enyhül a feszülés, hogy a molekula elveszti a síkalkatát, a feszültség azonban így is nagy. Ha a ciklopentán gyűrűje sík alkatú lenne, a szénatomok közti kötésszög 108° lenne, tehát a torzulás és a feszültség nem lenne jelentős. Azonban ilyen gyűrű esetén az összes hidrogénatom fedőállásban lenne, ami kedvezőtlen. A ciklopentán gyűrűje nem sík-, hanem vagy boríték, vagy csavart alakú. Így a feszültség jelentősen alacsonyabb, a ciklopentán stabilitása nem sokkal kisebb, mint az alkánoké.

[szerkesztés] A ciklohexán téralkata

A ciklohexánnak kétféle olyan gyűrűje is kialakulhat, amiben nincs eltérés a szénatomra jellemző tetraéderes kötésirányoktól. Ezek neve szék-, illetve kádalkat. Ezek konformerek, egymásba könnyen átalakulhatnak. Egymástól ugyanúgy nem különíthetők el, mint az etán nyitott és fedő állása. A kettő közül a székalkat a kedvezőbb, benne az összes CH₂ csoport az energetikailag kedvezőbb nyitott állásban van, a kádalkatú gyűrűben egymáshoz képest fedőállású CH₂ csoportok is találhatók. A kádalkatú ciklohexánnak nagyobb az energiatartalma, mint a székalkatúnak, a kádalkat energiatartalmát az is növeli, hogy benne két hidrogénatom nagyon közel kerül egymáshoz. Emiatt csavart kád konformáció alakul ki. A cikohexánban a szék és a csavart kád alkatú molekulák mólaránya körülbelül 2000:1. A székalkatú ciklohexánmolekulában minden hidrogénatom axiális vagy ekvatoriális helyzetben lehet. Az axiális hidrogénatomok a gyűrű síkjára merőlegesen helyezkednek el, az ekvatoriális hidrogénatomok közel a gyűrű síkjában találhatók.

A ciklohexánnak kétféle székalkata lehetséges, ezek (kádformán keresztül) átalakulhatnak egymásba. Az átalakulás neve: gyűrűátfordulás. A ciklohexán esetén a kétféle székforma egymástól nem megkülönböztethető, a kettő között csak annyi a különbség, hogy az eredetileg axiális helyzetben lévő hidrogénatomok ekvatoriális helyzetbe kerültek, és fordítva. A ciklohexán szubsztituált származékaiban, például a metilciklohexán esetén különbséget lehet tenni a kétféle konformer között. A különbség az, hogy egyikben a metilcsoport axiális, a másikban ekvatoriális térállású. A kettő közül az ekvatoriális helyzetű metilcsoportot tartalmazó változat sokkal stabilabb, a metilciklohexán 95%-a ilyen helyzetű metilcsoportot tartalmaz. Ennek az az oka, hogy axiális helyzetben a hidrogénatomok eleve is zsúfoltabbak, a hidrogénatomok metilcsoporttal való helyettesítése feszültséget okoz. A gyűrűátfordulás nagyon gyors, a két változat nem különíthető el egymástól.

[szerkesztés] Fizikai tulajdonságaik

A két legkisebb szénatomszámú monocikloalkán, a ciklopropán és a ciklobután szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú. A homológ sor 5-13 tagú gyűrűt tartalmazó tagjai folyadékok, a ciklotetradekán (C₁₄H₂₈) és az annál nagyobb szénatomszámúak pedig szilárdak. Az oldhatóságuk az alkánokra hasonlít. Apoláros vegyületek, apoláros oldószerekben (benzolban, éterben, kloroformban) jól oldódnak, vízben oldhatatlanok.

[szerkesztés] Kémiai tulajdonságaik

A ciklopropán nagyon reakcióképes vegyület, kémiai tulajdonságai inkább az alkénekre, mint az alkánokra emlékeztetnek. Brómmal nem szubsztitúciós, hanem addíciós reakcióba lép. A reakcióban a ciklopropán háromtagú gyűrűje felnyílik, nyílt láncú halogénezett alkánszármazék, 1,3-diklórpropán keletkezik. (A ciklobután és a nála nagyobb gyűrűtagszámú cikloalkánok brómmal viszont szubsztitúciós reakcióba lépnek.) Hasonó módon, gyűrűfelnyílás mellett addícionál hidrogén-jodidot és katalitikusan aktivált hidrogént is, 1-jód propán, illetve propán keletkezése közben. A cikloalkánok (a ciklopropán is) klórral az alkánokhoz hasonlóan szubsztitúciós reakcióba lépnek. A ciklohexán magas hőmérsékleten és katalizátor jelenlétében benzollá dehidrogénezhető. A ciklohexán oxidációjakor ciklohexanon keletkezik, ami fonots műanyagipari alapanag.

[szerkesztés] Előállításuk

Cikloalkánok előállíthatók telítetlen gyűrűs vagy aromás szénhidrogének hidrogénnel való telítésével. A ciklopentánt főként a kőolajban előforduló ciklopentadién, a ciklohexánt benzol, a dekalint naftalin hidrogénezésével állítják elő, a hidrogénezést katalizátor jelenlétében végzik. α,ω-dihalogénezett szénhidrogénekből is előállíthatók cikloalkánok Wurtz-szintézissel. A szintézist nátriummal végzik, a cikloalkán mellett nátrium-halogenid keletkezik. A ciklobutánt leggyakrabban ezzel a módszerrel állítják elő 1,4-dibróm-butánból. A ciklopropánt főként 1,3-diklórpropánból szintetizálják nátrium-jodid jelenlétben cinkkel, ez a reakció módosított Wurtz-szintézisnek tekinthető.

[szerkesztés] Előfordulásuk, jelentőségük

A cikloalkánok a természetben főként a kőolajban fordulnak elő. A magas cikloparaffintartalmú kőolaj neve: nafténbázisú kőolaj. Az élő szervezetekben előforduló, biológiailag igen jelentős policikloalkán-származékok a szteroidok.

[szerkesztés] Források

• Bot György: A szerves kémia alapjai
• Furka Árpád: Szerves kémia
• Kovács Kálmán, Halmos Miklós: A szerves kémia alapjai