Cikloalkánok

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Az első négy monocikloalkán, a ciklopropán, a ciklobután, a ciklopentán és a ciklohexán.

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: CnH2n.

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 CnH2(n-k)+2, ahol n a szénatomszám, k a gyűrűk száma.

Csoportosításuk és elnevezésük[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 (vagy spirovegyületek) 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 triviális neve aromás vegyületekéből származik (perhidrofenantrén, perhidroantracén).

Téralkatuk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 molekulájában is jelentős az eltérés a normál C-C kötésszöghöz 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 (torziós- vagy Pitzer-feszültség). 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.

A ciklohexán téralkata[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A ciklohexán székalkata. Az axiális helyzetű hidrogénatomok piros, az ekvatoriális helyzetűek kék színnel vannak jelölve.

A ciklohexánnak kétféle olyan gyűrűje is kialakulhat, amelyben 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.

Stabilitásuk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A cikloalkánok relatív stabilitása az égéshők összehasonlításával jellemezhető. A normál alkánok égéshőadatai alapján megadható az egy CH2-csoportra eső átlagos égéshőérték. Ha ettől több hő szabadul fel egy cikloalkán égése során, akkor az a kérdéses vegyület kevésbé stabil voltára utal. Az adatokból következtetni lehet a gyűrűfeszültség nagyságára.[1]

Cikloalkánok égéshőadatai[2][3]
cikloalkán égéshő
(kJ/mol)
egy CH2 csoportra
eső égéshő (kJ/mol)
gyűrűfeszültség
(kJ/mol)
ciklopropán 2091 697,1 115,5
ciklobután 2744 686,2 110,5
ciklopentán 3320 664,0 27,2
ciklohexán 3952 658,6 0,0
cikloheptán 4636 662,3 26,4
ciklooktán 5309 663,6 40,2
ciklononán 5979 664,4 52,7
ciklodekán 6636 663,6 50,2
cikloundekán 7289 662,7 46,0
ciklododekán 7912 659,4 10,0
ciklotridekán 8581 660,2 21,8
ciklotetradekán 9222 658,6 0,0
ciklopentadekán 9885 659,0 6,3
n-alkán 658,6

Fizikai tulajdonságaik[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 alkánokéhoz hasonló. Apoláros vegyületek, apoláros oldószerekben (benzolban, éterben, kloroformban) jól oldódnak, vízben oldhatatlanok.

Kémiai tulajdonságaik[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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-dibrómpropán keletkezik. (A ciklobután és a nála nagyobb gyűrűtagszámú cikloalkánok brómmal viszont szubsztitúciós reakcióba lépnek.) Hasonló módon, gyűrűfelnyílás mellett addícionál hidrogén-jodidot és katalitikusan aktivált hidrogént is, 1-jódpropán, 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, amely fontos műanyagipari alapanyag.

Előállításuk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.

Előfordulásuk, jelentőségük[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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

Hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Antus Sándor, Mátyus Péter. Szerves kémia II. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó, 144. o. ISBN 963-19-5714-4 (2005) 
  2. University Chemistry Volume I. (Hozzáférés: 2009. október 22.)
  3. Basic Principles of Organic Chemistry, second edition pp. 464. (Hozzáférés: 2009. október 22.)