3.2. Cikloalkani

  • Opisuje svojstva, sastav i vrstu odabranih spojeva.

  • Primjenjuje kemijsko nazivlje i simboliku u okviru koncepta.

  • Istražuje ulogu odabranih spojeva.

  • Izvodi pokuse u okviru koncepata: Tvari, Promjene i procesi, Energija.

  • Primjenjuje stehiometrijske odnose množine tvari na temelju jednadžbe kemijskih reakcija u okviru tema.

  • Prikazuje modelima čestičnu građu tvari.

Uvod

Ugljikovi atomi u zasićenim ugljikovodicima mogu se vezati u prstenove. U prstenu su svi ugljikovi atomi vezani jednostrukom kovalentnom vezom. Takvi ugljikovodici dobivaju prefiks ciklo- (grč. kyklos – krug) te se općenito nazivaju  . U prirodi su nađeni cikloalkani koji u prstenu imaju od tri do više od trideset ugljikovih atoma. Cikloalkani su prvi put pronađeni i izolirani iz nafte.

Ugljikovi atomi u zasićenim ugljikovodicima mogu se vezati u prstenove.

U prstenu su svi ugljikovi atomi vezani jednostrukom kovalentnom vezom.

Takvi ugljikovodici dobivaju prefiks ciklo- (grč. kyklos – krug) te se općenito nazivaju cikloalkani.

U prirodi su nađeni cikloalkani koji u prstenu imaju od tri do više od trideset ugljikovih atoma.

Cikloalkani su prvi put pronađeni i izolirani iz nafte.

Slika 1.

Cikloalkani

Cikloalkani su najzastupljeniji ugljikovodični spojevi u nafti s masenim udjelom od 25 do 75 %. Zbog toga se za njih ranije koristio naziv nafteni.

Fotografija prikazuje crtež crne bačve iz koje istječe nafta. Nafta koja je istekla na bijelu površinu se razlila u mrlje koje podsjećaju na kontinente.

Cikoalkani zbog zatvaranja ugljikovodičnog lanca u prsten imaju u sastavu dva vodikova atoma manje od lančastih alkana pa je njihova opća formula:

CnH2nC_{\mathit{n}}H_{2\mathit{n}}

Cikloalkani s jednim prstenom u strukturi nazivaju se monociklični ugljikovodici. Istražite što su policiklični ugljikovodici i kako mogu biti sastavljeni.

Video 1.

Sastav nafte

Sastav nafte
0

Imenovanje cikloalkana

1. Naziv cikloalkana tvori se dodavanjem predmetka ciklo- nazivu nerazgranatog alkana s istim brojem ugljikovih atoma.

Pri tom se prstenovi često prikazuju jednostavnim geometrijskim likovima: trokut predstavlja ciklopropan, četverokut ciklobutan, peterokut ciklopentan, a šesterokut cikloheksan.

1. Naziv cikloalkana tvori se dodavanjem predmetka ciklo-

nazivu nerazgranatog alkana s istim brojem ugljikovih atoma.

Pri tom se prstenovi često prikazuju jednostavnim geometrijskim likovima:

trokut predstavlja ciklopropančetverokut ciklobutan

peterokut ciklopentan, a šesterokut cikloheksan.

Imenovanje cikloalkana

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule cikloalana i geometrijske likove po kojima se imenuju.Na slici su ciklopropan (trokut, ciklobutan (kvadrat), ciklopentan (peterokut), cikloheksan (šesterokut.

2. U supstituiranim cikloalkanima položaj nekog atoma ili atomske skupine vezanih na prsten označava se rednim brojem. Kod cikloalkana s više supstituenata redni brojevi se određuju tako da supstituenti budu na što manjem broju vodeći računa o abecednom redu. Brojimo od ugljika u prstenu na kojem se nalazi supstituent čiji naziv započinje slovom koje je prije po abecedi.

1,2-dimetilciklopropan

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule 1,2-dimetilciklopropana.

1-etil-3-metilcikloheptan

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule 1-etil-3-metilcikloheptana.

1-etil-2,4-dimetilciklopentan

Fotografija prikazuje strukturu 1-etil-2,4-dimetilciklopentana.

1-klor-2-metil-4-propilciklopentan

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule 1-klor-2-metil-4-propilciklopentana.

3. Jednovalentni radikali izvedeni iz cikloalkana dobivaju imena tako da se nastavak -an u imenu cikloalkana zamijeni nastavkom -il

Jednovalentni radikali izvedeni iz ciklalkana

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekula jednovalentnih aradilakala izvedenih iz cikloalkana: ciklopropil, ciklobutil-, ciklopentil-, cikloheksil-, 1-metilcikloheksil-.

4. Kod jednovalentnih radikala cikloalkana, predmetak ciklo- se ubraja u abecedni red. 

2-ciklobutil-4-metilheksan

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule 2-ciklobutil-4-metilheksana.

5. Ako je broj ugljikovih atoma u prstenu veći ili jednak broju ugljikovih atoma u najduljem vezanom lancu, spoj se imenuje kao cikloalkan. Kada je broj ugljikovih atoma u veznom lancu veći od broja ugljikovih atoma u prstenu, spoj se imenuje kao alkan.

ciklopropilbutan

Fotografija prikazuje ciklopropilbutan.Shematski je prikazan kao trokut kojem je vrha okrenut udesno (podsjeća  na vrh strelice). Iz vrha izlazi polupravac. Zapisana je i molekulska formula, obojana crvenom bojom, CH2CH2CH2CH3 (onemogućeno je indeksiranje sppojeva).

ciklobutilcikloheksan

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule ciklobutilcikloheksana.

Promislite i odgovorite

Odaberite točno sustavno ime spoja:

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule 3-etil-1,1-dimetilcikloheksana.

Odaberite točno sustavno ime spoja:

Fotografija prikazuje strukturu 1-etil-2,4-dimetilciklopentana.

Sustavno ime prikazanog spoja je ciklobutilciklobutan.

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule ciklobutilciklobutana.

Odaberite točno sustavno ime spoja.

Fotografija prikazuje strukturnu formulu molekule 2-ciklopropilbutana.

Kod jednovalentnih radikala cikloalkana predmetak ciklo- se ubraja u abecedni red. 

1/5

Prostorni oblici molekula cikloalkana

Molekule cikloalkana su trodimenzijske strukture, a njihova svojstva ovise o razmještaju atoma u prostoru. Svaki prostorni razmještaj atoma u molekuli cikloalkana čini jednu konformaciju. Molekule cikloalkana se također mogu javljati u različitim konformacijama. Najveći broj cikličkih spojeva u prirodi ima ciklopentansku ili cikloheksansku strukturu jer su to najstabilnije cikličke strukture.

Za razliku od njih, molekule ciklopropana i ciklobutana su nestabilne, što značajno utječe na njihova fizička i kemijska svojstva. Nestabilnost se javlja kao posljedica velikog odstupanja valentnog kuta C–C veze u prstenu s tri (49 °) odnosno četiri (19 °) ugljikova atoma od tetraedarskog kuta (109,5 °). Zbog toga takve molekule imaju veću energiju od odgovarajućih alkana, a za odstupanje se kaže da u prsten unosi kutnu napetost.

Molekule cikloalkana su trodimenzijske strukture.

Njihova svojstva ovise o razmještaju atoma u prostoru.

Svaki prostorni razmještaj atoma u molekuli cikloalkana čini jednu konformaciju.

Molekule cikloalkana se također mogu javljati u različitim konformacijama.

Najveći broj cikličkih spojeva u prirodi ima ciklopentansku ili cikloheksansku strukturu.

To su najstabilnije cikličke strukture.

 

Za razliku od njih, molekule ciklopropana i ciklobutana su nestabilne.

To značajno utječe na njihova fizička i kemijska svojstva.

Nestabilnost se javlja kao posljedica velikog odstupanja valentnog kuta C–C veze

u prstenu s tri (49 °) odnosno četiri (19 °) ugljikova atoma od tetraedarskog kuta (109,5 °).

Zbog toga takve molekule imaju veću energiju od odgovarajućih alkana.

Za odstupanje se kaže da u prsten unosi kutnu napetost.

Slika 2.

Trodimenzijski modeli rotirajućih molekula

Fotografija prikazuje shemu trodimenzijskog modela rotirajućih molekula ciklopropana, ciklobutana, ciklopentana i cikloheksana.
Problemski zadatak

Promotrite trodimenzijske modele rotirajućih molekula i uočite razlike u njihovoj građi. Zaključite po čemu se planarna molekula ciklopropana razlikuje od ostalih cikličkih molekula.

ciklopropan

conf.poster.alt
6351 -OEChem-02282012223D 9 9 0 0 0 0 0 0 0999 V2000 0.3185 0.8057 0.0000 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.8570 -0.1271 0.0000 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.5386 -0.6786 0.0000 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.5329 1.3483 -0.9120 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.5329 1.3483 0.9121 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.4342 -0.2127 0.9120 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.4342 -0.2126 -0.9121 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.9012 -1.1357 -0.9121 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.9012 -1.1356 0.9121 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 3 1 0 0 0 0 1 4 1 0 0 0 0 1 5 1 0 0 0 0 2 3 1 0 0 0 0 2 6 1 0 0 0 0 2 7 1 0 0 0 0 3 8 1 0 0 0 0 3 9 1 0 0 0 0 M END > <PUBCHEM_COMPOUND_CID> 6351 > <PUBCHEM_CONFORMER_RMSD> 0.4 > <PUBCHEM_CONFORMER_DIVERSEORDER> 1 > <PUBCHEM_MMFF94_PARTIAL_CHARGES> 9 1 -0.2 2 -0.2 3 -0.2 4 0.1 5 0.1 6 0.1 7 0.1 8 0.1 9 0.1 > <PUBCHEM_EFFECTIVE_ROTOR_COUNT> 0.6 > <PUBCHEM_PHARMACOPHORE_FEATURES> 0 > <PUBCHEM_HEAVY_ATOM_COUNT> 3 > <PUBCHEM_ATOM_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ATOM_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ISOTOPIC_ATOM_COUNT> 0 > <PUBCHEM_COMPONENT_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CACTVS_TAUTO_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CONFORMER_ID> 000018CF00000001 > <PUBCHEM_MMFF94_ENERGY> 4.9922 > <PUBCHEM_FEATURE_SELFOVERLAP> 0 > <PUBCHEM_SHAPE_FINGERPRINT> 139733 1 17906453581894984133 21015797 1 18411699885074131015 > <PUBCHEM_SHAPE_MULTIPOLES> 61.74 0.99 0.99 0.62 0.16 0.05 0 -0.05 0 -0.16 0 0 0 0 > <PUBCHEM_SHAPE_SELFOVERLAP> 106.192 > <PUBCHEM_SHAPE_VOLUME> 42.8 > <PUBCHEM_COORDINATE_TYPE> 2 5 10 $$$$

ciklobutan

conf.poster.alt
9250 -OEChem-02282012233D 12 12 0 0 0 0 0 0 0999 V2000 0.1277 -1.0560 0.1716 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.0561 -0.1276 -0.1716 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.0559 0.1277 -0.1717 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.1276 1.0559 0.1717 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1638 -1.3547 1.2256 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2351 -1.9436 -0.4564 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.3548 -0.1637 -1.2255 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.9437 -0.2349 0.4565 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.9437 0.2350 0.4563 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.3546 0.1638 -1.2256 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.2349 1.9437 -0.4563 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.1636 1.3546 1.2256 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 3 1 0 0 0 0 1 5 1 0 0 0 0 1 6 1 0 0 0 0 2 4 1 0 0 0 0 2 7 1 0 0 0 0 2 8 1 0 0 0 0 3 4 1 0 0 0 0 3 9 1 0 0 0 0 3 10 1 0 0 0 0 4 11 1 0 0 0 0 4 12 1 0 0 0 0 M END > <PUBCHEM_COMPOUND_CID> 9250 > <PUBCHEM_CONFORMER_RMSD> 0.4 > <PUBCHEM_CONFORMER_DIVERSEORDER> 1 > <PUBCHEM_MMFF94_PARTIAL_CHARGES> 0 > <PUBCHEM_EFFECTIVE_ROTOR_COUNT> 0.8 > <PUBCHEM_PHARMACOPHORE_FEATURES> 1 4 1 2 3 4 rings > <PUBCHEM_HEAVY_ATOM_COUNT> 4 > <PUBCHEM_ATOM_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ATOM_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ISOTOPIC_ATOM_COUNT> 0 > <PUBCHEM_COMPONENT_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CACTVS_TAUTO_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CONFORMER_ID> 0000242200000001 > <PUBCHEM_MMFF94_ENERGY> 10.2833 > <PUBCHEM_FEATURE_SELFOVERLAP> 5.074 > <PUBCHEM_SHAPE_FINGERPRINT> 139733 1 8646777689593707742 21015797 1 9294416426632740868 5943 1 12864386048997726562 > <PUBCHEM_SHAPE_MULTIPOLES> 82.32 1.18 1.18 0.65 0 0 0 0 -0.1 0 0.1 0 0 -0.01 > <PUBCHEM_SHAPE_SELFOVERLAP> 150.926 > <PUBCHEM_SHAPE_VOLUME> 54.5 > <PUBCHEM_COORDINATE_TYPE> 2 5 10 $$$$

ciklopentan

conf.poster.alt
9253 -OEChem-02282012283D 15 15 0 0 0 0 0 0 0999 V2000 -1.0551 -0.6580 0.2446 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.9716 0.7805 -0.2349 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2952 -1.2327 -0.1536 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.4469 1.1915 0.1309 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.2846 -0.0814 0.0130 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.1742 -0.6896 1.3340 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.8887 -1.2020 -0.2082 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.1092 0.8265 -1.3217 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.7240 1.4220 0.2327 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.5683 -2.1041 0.4489 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2713 -1.5481 -1.2036 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.8210 1.9934 -0.5127 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.4759 1.5560 1.1648 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.8979 -0.2164 0.9106 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.9655 -0.0323 -0.8435 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 3 1 0 0 0 0 1 6 1 0 0 0 0 1 7 1 0 0 0 0 2 4 1 0 0 0 0 2 8 1 0 0 0 0 2 9 1 0 0 0 0 3 5 1 0 0 0 0 3 10 1 0 0 0 0 3 11 1 0 0 0 0 4 5 1 0 0 0 0 4 12 1 0 0 0 0 4 13 1 0 0 0 0 5 14 1 0 0 0 0 5 15 1 0 0 0 0 M END > <PUBCHEM_COMPOUND_CID> 9253 > <PUBCHEM_CONFORMER_RMSD> 0.4 > <PUBCHEM_CONFORMER_DIVERSEORDER> 1 > <PUBCHEM_MMFF94_PARTIAL_CHARGES> 0 > <PUBCHEM_EFFECTIVE_ROTOR_COUNT> 1 > <PUBCHEM_PHARMACOPHORE_FEATURES> 1 5 1 2 3 4 5 rings > <PUBCHEM_HEAVY_ATOM_COUNT> 5 > <PUBCHEM_ATOM_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ATOM_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ISOTOPIC_ATOM_COUNT> 0 > <PUBCHEM_COMPONENT_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CACTVS_TAUTO_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CONFORMER_ID> 0000242500000001 > <PUBCHEM_MMFF94_ENERGY> 1.5477 > <PUBCHEM_FEATURE_SELFOVERLAP> 5.074 > <PUBCHEM_SHAPE_FINGERPRINT> 16714656 1 18049175650263077436 20096714 4 18411419518193811928 21015797 1 9286753934404286723 21040471 1 18121217580275734301 5943 1 13003490908672847703 > <PUBCHEM_SHAPE_MULTIPOLES> 102.9 1.42 1.41 0.65 0.03 0 0 0 0.02 0.01 -0.02 -0.02 0 0.09 > <PUBCHEM_SHAPE_SELFOVERLAP> 193.452 > <PUBCHEM_SHAPE_VOLUME> 62.5 > <PUBCHEM_COORDINATE_TYPE> 2 5 10 $$$$

cikloheksan

conf.poster.alt
8078 -OEChem-02282012283D 18 18 0 0 0 0 0 0 0999 V2000 -0.0435 -1.4573 -0.2258 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.2404 -0.7663 0.2258 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.2838 -0.6910 0.2258 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.2838 0.6911 -0.2257 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.2404 0.7662 -0.2258 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0435 1.4573 0.2258 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.0460 -1.5425 -1.3194 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.0739 -2.4771 0.1741 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.3129 -0.8111 1.3194 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.1083 -1.3026 -0.1742 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.1821 -1.1746 -0.1741 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.3588 -0.7314 1.3195 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.1821 1.1746 0.1742 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.3590 0.7315 -1.3194 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.3129 0.8110 -1.3195 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.1083 1.3025 0.1741 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0459 1.5425 1.3195 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0738 2.4771 -0.1742 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 3 1 0 0 0 0 1 7 1 0 0 0 0 1 8 1 0 0 0 0 2 4 1 0 0 0 0 2 9 1 0 0 0 0 2 10 1 0 0 0 0 3 5 1 0 0 0 0 3 11 1 0 0 0 0 3 12 1 0 0 0 0 4 6 1 0 0 0 0 4 13 1 0 0 0 0 4 14 1 0 0 0 0 5 6 1 0 0 0 0 5 15 1 0 0 0 0 5 16 1 0 0 0 0 6 17 1 0 0 0 0 6 18 1 0 0 0 0 M END > <PUBCHEM_COMPOUND_CID> 8078 > <PUBCHEM_CONFORMER_RMSD> 0.4 > <PUBCHEM_CONFORMER_DIVERSEORDER> 1 > <PUBCHEM_MMFF94_PARTIAL_CHARGES> 0 > <PUBCHEM_EFFECTIVE_ROTOR_COUNT> 1.2 > <PUBCHEM_PHARMACOPHORE_FEATURES> 1 6 1 2 3 4 5 6 rings > <PUBCHEM_HEAVY_ATOM_COUNT> 6 > <PUBCHEM_ATOM_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ATOM_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ISOTOPIC_ATOM_COUNT> 0 > <PUBCHEM_COMPONENT_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CACTVS_TAUTO_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CONFORMER_ID> 00001F8E00000001 > <PUBCHEM_MMFF94_ENERGY> -3.5609 > <PUBCHEM_FEATURE_SELFOVERLAP> 5.074 > <PUBCHEM_SHAPE_FINGERPRINT> 16714656 1 18049457116586536972 20096714 4 17907303508551530834 21040471 1 18338796835377353517 29004967 10 17753336657820641491 > <PUBCHEM_SHAPE_MULTIPOLES> 123.48 1.68 1.68 0.67 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 > <PUBCHEM_SHAPE_SELFOVERLAP> 230.793 > <PUBCHEM_SHAPE_VOLUME> 75.9 > <PUBCHEM_COORDINATE_TYPE> 2 5 10 $$$$

Na modelu cikloheksana moguće je atome ugljika postaviti u prostoru tako da veze među njima zatvaraju točno tetraedarski kut (109,5°). Pri tom nastaju dva oblika molekule – oblik stolice i oblik kolijevke.

Idealan oblik molekule cikloheksana predstavlja konformacija stolice jer se atomi vodika nalaze na međusobno najvećoj udaljenosti (u zvjezdastoj konformaciji), a kutovi su tetraedarski.

Oblik stolice koji podsjeća na konformaciju cikloheksana.

Fotografija prikazuje vrtnu ležaljku koja je primjer oblika molekule ciklokesna u konformaciji stolice.

Izvrtanjem molekule, odnosno rotacijom oko jednostrukih veza, konformacija stolice prelazi u nepovoljniju konformaciju kolijevke. Prijelaz jedne konformacije u drugu naziva se interkonverzija.

Problemski zadatak

Promotrite raspored atoma vodika u obje konformacije molekula cikloheksana  i objasnite zašto molekula cikloheksana ima veću energiju u konformaciji kolijevke nego u konformaciji stolice.

Slika 3.

Interkonverzija molekule cikloheksana

Interkonverzija molekule cikloheksana iz konformacije stolice preko konformacije kolijevke u drugi ekvivalentni oblik stolice događa se pri sobnoj temperaturi.

Fotografija prikazuje model konformacije stolice ili sedla, kolijevke ili čamca pa opet stolice ili sedla.
Slika 4.

Model molekule cikloheksanau konformaciji stolice 2D

Fotografija prikazuje model molekule cikloheksana u konformaciji stolice 2D.

Na molekuli cikloheksana razlikuju se atomi vodika koji stoje okomito na ravninu prstena i nazivaju se aksijalni atomi vodika te atomi vodika koji leže vodoravno u ravnini prstena i nazivaju se ekvatorijalni atomi vodika.

 

Trodimenzijski model molekule cikloheksana u konformaciji stolice.

Fotografija prikazuje 3-d model molekule cikloheksana.
Problemski zadatak

Koristeći rotirajući model molekule cikloheksana dostupan na mrežnom mjestu 1 pratite kako se mijenja položaj vodikovih atoma tijekom interkonverzije iz jedne konformacije u drugu. U stručnoj literaturi potražite koliki je udio molekula u uzorku cikloheksana u konformaciji kolijevke.

Povežite sljedeće pojmove.

konformacija stolice

tetraedarski kut

ciklobutan                        

kutna napetost

izvrtanje prstena

oblik omotnice

ciklopropan                    

interkonverzija

ciklopentan

90°

Stabilnost molekule cikloalkana

Energija kemijske veze može se procijeniti na osnovi entalpija izgaranja. Kako se molekule u homolognom nizu cikloalkana razlikuju za skupinu –CH2– dovoljno je izmjeriti molarne entalpije izgaranja za homologni niz cikloalkana i dobivene vrijednosti podijeliti brojem –CH2– skupina. Tako dobivene vrijednosti predstavljaju molarnu entalpiju izgaranja za jednu –CH2– skupinu.

Energija kemijske veze može se procijeniti na osnovi entalpija izgaranja.

Molekule se u homolognom nizu cikloalkana razlikuju za skupinu –CH2.

Dovoljno je izmjeriti molarne entalpije izgaranja za homologni niz cikloalkana

i dobivene vrijednosti podijeliti brojem –CH2– skupina.

Tako dobivene vrijednosti predstavljaju molarnu entalpiju izgaranja za jednu –CH2– skupinu.

1. tablica: entalpije izgaranja cikloalkana

cikloalkan

broj C-atoma u prstenu

ΔcH (poCH2skupini)/kJmol1\Delta _c\mathit{H\space \left(po-CH_2-skupini\right)}/kJmol^{–1}

ciklopropan

3

696

ciklobutan

4

685

ciklopentan

5

663

cikloheksan

6

658

cikloheptan

7

662

ciklooktan

8

663

Podatci pokazuju da su molekule ciklopropana i ciklobutana bogatije energijom od molekula ostalih cikloalkana u nizu.

U molekuli ciklopropana atomi ugljika leže u jednoj ravnini, a veze među atomima ugljika međusobno zatvaraju kut od 60°, a ne uobičajeni tetraedarski kut. To znači da se elektronski oblaci slabo preklapaju.

Shematski prikaz preklapanja elektronskih oblaka u molekuli cikloropana.

Fotografija prikazuje preklapanja elektronskih oblaka u molekuli ciklopropana.

Na stabilnost prstenaste molekule, dakle, utječe što bolje preklapanje elektronskih oblaka, što manje odstupanje od tetraedarskog kuta i što veća udaljenost između atoma vodika ili supstituenata u molekuli.

Riješeni primjer

Nacrtajte dvije konformacije stolice svakog od navedenih spojeva i navedite za svaku metilnu skupinu je li aksijalna ili ekvatorijalna:

a) trans-1,2-dimetilcikloheksan 

b) cis-1,2-dimetilcikloheksan

a)

conf.poster.alt
23313 -OEChem-02282012513D 24 24 0 1 0 0 0 0 0999 V2000 0.6502 0.7188 -0.2882 C 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.6502 -0.7189 0.2882 C 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.6314 1.4678 0.1162 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.6315 -1.4678 -0.1158 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.8903 0.7064 -0.2846 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.8904 -0.7062 0.2843 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.8717 1.5289 0.1555 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.8714 -1.5290 -0.1556 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.6730 0.6562 -1.3850 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.6732 -0.6562 1.3850 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.6489 2.4585 -0.3540 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.6388 1.6321 1.2015 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.6492 -2.4584 0.3547 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.6389 -1.6328 -1.2010 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.9585 0.6618 -1.3785 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.7759 1.2463 0.0690 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.9591 -0.6615 1.3782 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.7759 -1.2461 -0.0695 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.9536 1.5575 1.2472 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.7979 1.1079 -0.2468 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.8050 2.5611 -0.2054 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.7977 -1.1080 0.2465 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.8047 -2.5612 0.2054 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.9531 -1.5578 -1.2473 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 3 1 0 0 0 0 1 7 1 0 0 0 0 1 9 1 0 0 0 0 2 4 1 0 0 0 0 2 8 1 0 0 0 0 2 10 1 0 0 0 0 3 5 1 0 0 0 0 3 11 1 0 0 0 0 3 12 1 0 0 0 0 4 6 1 0 0 0 0 4 13 1 0 0 0 0 4 14 1 0 0 0 0 5 6 1 0 0 0 0 5 15 1 0 0 0 0 5 16 1 0 0 0 0 6 17 1 0 0 0 0 6 18 1 0 0 0 0 7 19 1 0 0 0 0 7 20 1 0 0 0 0 7 21 1 0 0 0 0 8 22 1 0 0 0 0 8 23 1 0 0 0 0 8 24 1 0 0 0 0 M END > <PUBCHEM_COMPOUND_CID> 23313 > <PUBCHEM_CONFORMER_RMSD> 0.4 > <PUBCHEM_CONFORMER_DIVERSEORDER> 2 1 3 > <PUBCHEM_MMFF94_PARTIAL_CHARGES> 0 > <PUBCHEM_EFFECTIVE_ROTOR_COUNT> 1.2 > <PUBCHEM_PHARMACOPHORE_FEATURES> 1 6 1 2 3 4 5 6 rings > <PUBCHEM_HEAVY_ATOM_COUNT> 8 > <PUBCHEM_ATOM_DEF_STEREO_COUNT> 2 > <PUBCHEM_ATOM_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ISOTOPIC_ATOM_COUNT> 0 > <PUBCHEM_COMPONENT_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CACTVS_TAUTO_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CONFORMER_ID> 00005B1100000002 > <PUBCHEM_MMFF94_ENERGY> 6.2046 > <PUBCHEM_FEATURE_SELFOVERLAP> 5.074 > <PUBCHEM_SHAPE_FINGERPRINT> 16714656 1 17834117446343080230 18185500 45 18123750021969029887 21040471 1 18337673138746581213 23552423 10 18260833712926160998 241688 4 18263364694066916425 2748010 2 18409166610500006597 29004967 10 18117003380034745761 5084963 1 18058721391103440251 66348 1 18265895748374875412 > <PUBCHEM_SHAPE_MULTIPOLES> 164.64 2.59 1.99 0.67 0.04 0 0 0 0 -0.6 0 0.02 0 0.15 > <PUBCHEM_SHAPE_SELFOVERLAP> 312.117 > <PUBCHEM_SHAPE_VOLUME> 101.7 > <PUBCHEM_COORDINATE_TYPE> 2 5 10 $$$$

b)

conf.poster.alt
16628 -OEChem-02282012523D 24 24 0 1 0 0 0 0 0999 V2000 -0.4175 0.9765 -0.3929 C 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.8867 -0.4977 -0.4589 C 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.0886 1.0651 -0.6972 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.0412 -1.4145 0.4391 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.9298 0.1529 0.1929 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.4486 -1.2924 0.1295 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.7476 1.6748 0.9319 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.3741 -0.6646 -0.1445 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.9425 1.5332 -1.1811 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.7433 -0.8335 -1.4960 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.4371 2.0999 -0.5963 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.2541 0.7843 -1.7456 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.3492 -2.4579 0.2986 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.2145 -1.1786 1.4960 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.8966 0.5069 1.2298 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.9787 0.2023 -0.1216 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.6442 -1.6959 -0.8718 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.0228 -1.9036 0.8350 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.3466 2.6943 0.9395 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1.8297 1.7566 1.0745 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.3329 1.1469 1.7954 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.5942 -0.4601 0.9081 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.9804 0.0070 -0.7610 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -2.6961 -1.6905 -0.3538 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 0 1 3 1 0 0 0 0 1 7 1 0 0 0 0 1 9 1 0 0 0 0 2 4 1 0 0 0 0 2 8 1 0 0 0 0 2 10 1 0 0 0 0 3 5 1 0 0 0 0 3 11 1 0 0 0 0 3 12 1 0 0 0 0 4 6 1 0 0 0 0 4 13 1 0 0 0 0 4 14 1 0 0 0 0 5 6 1 0 0 0 0 5 15 1 0 0 0 0 5 16 1 0 0 0 0 6 17 1 0 0 0 0 6 18 1 0 0 0 0 7 19 1 0 0 0 0 7 20 1 0 0 0 0 7 21 1 0 0 0 0 8 22 1 0 0 0 0 8 23 1 0 0 0 0 8 24 1 0 0 0 0 M END > <PUBCHEM_COMPOUND_CID> 16628 > <PUBCHEM_CONFORMER_RMSD> 0.4 > <PUBCHEM_CONFORMER_DIVERSEORDER> 1 2 3 4 > <PUBCHEM_MMFF94_PARTIAL_CHARGES> 0 > <PUBCHEM_EFFECTIVE_ROTOR_COUNT> 1.2 > <PUBCHEM_PHARMACOPHORE_FEATURES> 1 6 1 2 3 4 5 6 rings > <PUBCHEM_HEAVY_ATOM_COUNT> 8 > <PUBCHEM_ATOM_DEF_STEREO_COUNT> 2 > <PUBCHEM_ATOM_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_DEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_BOND_UDEF_STEREO_COUNT> 0 > <PUBCHEM_ISOTOPIC_ATOM_COUNT> 0 > <PUBCHEM_COMPONENT_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CACTVS_TAUTO_COUNT> 1 > <PUBCHEM_CONFORMER_ID> 000040F400000001 > <PUBCHEM_MMFF94_ENERGY> 7.3993 > <PUBCHEM_FEATURE_SELFOVERLAP> 5.074 > <PUBCHEM_SHAPE_FINGERPRINT> 12423570 1 12432911302522348688 137420 1 16186425991457344121 16945 1 18188766270369922382 18185500 45 18410570699543797711 21040471 1 17758395557906416892 23552333 60 18333728013737672385 23552423 10 18261395490337842198 241688 4 18046060463164665426 24536 1 17841410554288475254 29004967 10 17967249831812147385 5084963 1 18334293115670194878 > <PUBCHEM_SHAPE_MULTIPOLES> 164.64 2.39 1.78 0.86 0.38 0.18 -0.05 -0.49 0.07 0.02 -0.3 0.04 0.21 -0.3 > <PUBCHEM_SHAPE_SELFOVERLAP> 312.686 > <PUBCHEM_SHAPE_VOLUME> 101.6 > <PUBCHEM_COORDINATE_TYPE> 2 5 10 $$$$

1. Nacrtajte dvije konformacije stolice molekule cikloheksana i odredite C1.

1/8

Molekule cikloheksana u dvije konformacije stolice

Fotografija prikazuje molekule cikloheksana u dvije konformacije stolice.
2/8

2. Odredite položaj metilnih skupina vodeći računa o cis i trans položaju. Kod trans izomera supstituenti na dva susjedna ugljikova atoma nalaze se na suprotnim stranama veze u prstenu. Kod cis izomera supstituenti na dva susjedna ugljikova atoma nalaze se sa iste strane veze u prstenu.

3/8

a) položaj metilnih skupina u trans spoju

Fotografija prikazuje položaj metilnih skupina u trans- spoju
4/8

b) položaj metilnih skupina u cis spoju

Fotografija prikazuje strukturnu formulu položaja metilnih skupina u cis spoju.
5/8

3. Odredite je li metilna skupina u aksijalnom ili ekvatorijalnom položaju.

6/8

Aksijalni, ekvatorijalni položaj skupina

Fotografija prikazuje strukturnu formulu cikloalkana koja prikazuje aksijalni ekvatorijalni položaj skupina.
7/8

Strukturne formule cikoalkana

Fotografija prikazuje strukturne formule cikoalkana.
8/8

Fizikalna svojstva cikloalkana

Fizikalna svojstva cikloalkana slična su svojstvima alkana. Vrelište cikloheksana povisuje se s povećanjem relativne molekulske mase.

Problemski zadatak

Proučite tablicu s vrijednostima tališta i vrelišta nekih cikloalkana. Obrazložite zašto na vrijednost tališta, osim relativne molekulske mase, utječe i oblik molekule.

2. tablica: tališta i vrelišta nekih cikloalkana

spoj

tt/ °C

tv/ °C

ciklopropan

–127

–33

ciklobutan

–90

13

ciklopentan

–94

49

cikloheksan

7

81

Istražite zašto je gustoća cikloalkana veća od gustoće odgovarajućih alkana.

 

Kemijska svojstva cikloalkana

Kemijska svojstva cikloalkana s većim brojem ugljikovih atoma u prstenu slična su svojstvima alkana. Ovakvi cikloalkani, kao i alkani, teško reagiraju s drugim elementima i spojevima pa se nazivaju i cikloparafini (lat. parum affinis – slabo privlačan). Na primjer, reakcije supstitucije s halogenim elementima događaju se putem slobodnih radikala kao i kod alkana, kada se reakcijska smjesa ozrači ultraljubičastim svjetlom.

Kemijska svojstva cikloalkana s većim brojem ugljikovih atoma u prstenu

slična su svojstvima alkana.

Ovakvi cikloalkani, kao i alkani, teško reagiraju s drugim elementima i spojevima.

Nazivaju se i cikloparafini (lat. parum affinis – slabo privlačan).

Na primjer, reakcije supstitucije događaju se putem slobodnih radikala kao i kod alkana.

To se događa kada se reakcijska smjesa ozrači ultraljubičastim svjetlom.

Reakcija supstitucije halogenim elementom putem slobodnih radikala

Fotografija prikazuje reakciju supstitucije halogenim elementom putem slobodnih radikala. Cikloheksanu (prikazan kao šesterokut) se dodaje klor uz ozračenje ultraljubičastim svjetlom. Produkt su klorcikloheksan i HCl.

Cikloalkani s malim brojem ugljikovih atoma u prstenu pokazuju drugačija svojstva od cikloalkana s većim brojem ugljikovih atoma u prstenu. Tako ciklopropan i ciklobutan u istim uvjetima ulaze u reakciju adicije i daju spojeve otvorena lanca.

Tako se adicijom broma na molekulu ciklopropana dobije 1,3-dibrompropan, a adicijom broma na ciklobutan dobije se 1,4-dibrombutan. 

Cikloalkani s malim brojem ugljikovih atoma u prstenu

pokazuju drugačija svojstva od cikloalkana s većim brojem ugljikovih atoma u prstenu. 

Ciklopropan i ciklobutan u istim uvjetima ulaze u reakciju adicije.

Daju spojeve otvorena lanca.

Tako se adicijom broma na molekulu ciklopropana dobije 1,3-dibrompropan.

Adicijom broma na ciklobutan dobije se 1,4-dibrombutan

Dvije kemijske reakcije adicije

Fotografija prikazuje dvije kemijske reakcije adicije. Prva je adicija broma na ciklopropan (prikazan kao trokut). Produkt je 1,3-dibrompropan. Druga je adicija broma na ciklo butan (prikazan kao pravokutnik). Produkt je 1,4-dibrombutan.

Ciklopropan i ciklobutan su zbog kutne napetosti u prstenu reaktivniji u odnosu na druge cikloalkane.

Hidrogeniranjem ciklopropana nastaje propan, a hidrogeniranjem ciklobutana nastaje butan.

Dvije kemijske rekacije hidrogeniranja

Fotografija prikazuje dvije kemijske rekacije hidrogeniranja. Prva je hidrogeniranje ciklopropana (prikazan kao trokut) pa se dodavanjem vodika dobije propan. Druga je hidrogeniranje ciklobutana (prikazan kao kvadrat) pa se dodavanjem vodika dobije butan.
Slika 5.

Ciklopropan, učinkovit anestetik

Ciklopropan je vrlo učinkovit anestetik koji već u malim količinama izaziva neosjetljivost na bol. Njegov je nedostatak što čini eksplozivne smjese sa zrakom.

Fotografija prikazuje  anesteziologa kako pacijentu postavlja masku za anesteziju.

Sljedećim pokusom ispitajte neka svojstva cikoheksana i donesite zaključke. 

1. pokus

Fotografija prikazuje ukapavanje prozirne tekućine u epruvetu kapaljkom.

Kemijska svojstva cikloheksana

Pročitaj

Dobivanje cikloalkana

Budući da su cikloalkani najzastupljeniji ugljikovodici u nafti i nalaze se u svim oblicima nafte i frakcijama nafte industrijski se dobivaju iz nafte.

Slika 6.

Naftna bušotina

Fotografija prikazuje strojeve na bušotini nafte.

U laboratorijskim uvjetima mogu se dobiti reakcijom ciklizacije od dihalogenalkana pri čemu se eliminira molekula halogena.

Reakcija ciklizacije dihalogenalkana

Fotografija prikazuje reakciju ciklizacije dihalogenalkana pri čemu se eliminira molekula halogena (natrija ili cinka).

Tako se, primjerice, od 1,3-diklorpropana može pripraviti ciklopropan.

Reakcija ciklizacije 1,3-diklorproana

Fotografija prikazuje reakciju ciklizacije 1,3-diklorproana. Dodavnjem cinka uz djelovanje vode, etanola i natrijevog jodida pri temperaturi od 250 Celzijevih stupnjeva. Produkt je ciklopropan i cinkov klorid.

Cikloheksan se može dobiti hidrogeniranjem benzena.

Dobivanje cikloheksana hidrogeniranjem benzena

Fotografija prikazuje dobivanje cikloheksana hidrogeniranjem benzena. Benzen je prikazan kao šesterokut koji ima na svako drugoj stranici paralelni pravac (dvostruku vezu). Dodan mu je vodik te je produkt ciklokesan.

Istražite koji se spoj krije iza trivijalnog imena dekalin i otkrijte kako se sintetizira te koji mu je sustavni naziv.

Eksplozija na platformi za crpljenje nafte.

Fotografija prikazuje požar na naftnoj platformi u moru i četiri broda koja ga gase.

Pare koje nastaju iznad nafte smjesa su alkana i cikloalkana, a pri određenom sastavu smjese sa zrakom može doći do snažne eksplozije. Takve se havarije događaju na tankerima koji prevoze naftu ili na naftnim bušotinama. Osim velikih materijalnih gubitaka, posljedica je i ekološko onečišćenje okoliša.

Istražite zašto dolazi do eksplozija vezanih za naftu i koje se kemijske reakcije zbivaju tijekom eksplozije.

Promislite i odgovorite

Molekulska formula cikloalkana je:

Reaktivnost malih cikloalkana posljedica je:

Odaberite točno sustavno ime spoja:

Fotografija prikazuje strukturnu formulu 4-klor-2-etil-1-metilcikloheksana.

U obje konformacije cikloheksana, valentni kut između ugljikovih atom je 109,5°.

Dopunite pojam koji nedostaje.

Ciklopropan i ciklobutan ulaze u reakcije

.

Dopunite pojam koji nedostaje.

Cikloalkani s više ugljikovih atoma u prstenu ulaze u reakcije

.

1/6