الألكانات الحلقية: الخصائص ، التفاعلات ، الاستخدامات ، الأمثلة - كيمياء - 2025

و ألكان حلقي هي عائلة من الهيدروكربونات المشبعة مع الصيغة العامة للC _ن H _2N بالتزامن مع الألكينات. مع الاختلاف في أن عدم التشبع الظاهر لا يرجع إلى رابطة مزدوجة ، بل إلى حلقة أو دورة. هذا هو السبب في أنها تعتبر أيزومرات الألكينات.

تتشكل هذه عندما تنضم الألكانات الخطية إلى نهايات سلاسلها لإنشاء هيكل مغلق. كما هو الحال مع الألكانات ، يمكن أن تظهر الألكانات الحلقية أحجامًا مختلفة أو كتلًا جزيئية أو بدائل أو حتى أنظمة تتكون من أكثر من حلقة واحدة (متعددة الحلقات).

بعض الألكانات الحلقية أحادية الحلقة. المصدر: Mephisto spa عبر ويكيبيديا.

خلاف ذلك ، فهي تشبه الألكانات كيميائيا وفيزيائيا. لديهم فقط الكربون والهيدروجين ، وهي جزيئات محايدة وبالتالي تتفاعل عن طريق قوى فان دير وولز. كما أنها تعمل كوقود ، وتطلق الحرارة عندما تحترق في وجود الأكسجين.

لماذا الألكانات الحلقية غير مستقرة أكثر من نظيراتها من السلسلة المفتوحة؟ يمكن الاشتباه في السبب من خلال ملاحظة أمثلة الألكانات الحلقية من عين الطائر الموضحة في الصورة أعلاه: هناك توترات وعوائق فلكية (مكانية).

لاحظ أنه كلما قل عدد الكربونات الموجودة (المدرجة باللون الأزرق) ، زاد إغلاق الهيكل ؛ والعكس يحدث عندما يزدادون ويصبحون مثل القلادة.

الألكانات الحلقية الصغيرة غازية ، ومع زيادة أحجامها تزداد قوىها بين الجزيئات. وبالتالي ، يمكن أن تكون سوائل قادرة على إذابة الدهون والجزيئات القطبية أو مواد التشحيم أو المواد الصلبة التي تتميز بألوان وخصائص داكنة مثل تلك الموجودة في الأسفلت.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

قطبية

من خلال كونها تتكون فقط من الكربون والهيدروجين ، الذرات التي لا تختلف كثيرًا في حد ذاتها في الكهربية ، فإن هذا يجعل جزيئات السيكلو ألكان قطبية وبالتالي تفتقر إلى عزم ثنائي القطب.

لا يمكنهم التفاعل من خلال قوى ثنائي القطب ، لكنهم يعتمدون بشكل خاص على قوى لندن ، وهي ضعيفة ولكنها تزداد مع الكتلة الجزيئية. هذا هو السبب في أن الألكانات الحلقية الصغيرة (التي تحتوي على أقل من خمسة ذرات كربون) تكون غازية.

التفاعلات بين الجزيئات

من ناحية أخرى ، نظرًا لأنها حلقات ، فإن الألكانات الحلقية لها منطقة تلامس أكبر ، مما يفضل قوى لندن بين جزيئاتها. وبالتالي ، فإنها تتجمع وتتفاعل بطريقة أفضل مقارنة بالألكانات ؛ ومن ثم تكون نقاط الغليان والانصهار أعلى.

أيضًا ، نظرًا لأن لديهم ذرتين هيدروجين أقل (C _n H _2n للألكانات الحلقيّة و C _n H _{2n + 2} للألكانات) ، فهي أخف ؛ وإضافة إلى ذلك ، فإن مساحة الاتصال الأكبر ، يتناقص الحجم الذي تشغله جزيئاته ، وبالتالي فهي أكثر كثافة.

التشبع

لماذا يتم تصنيف الألكانات الحلقية على أنها هيدروكربونات مشبعة؟ لأن ليس لديهم طريقة لدمج جزيء الهيدروجين ؛ ما لم يتم فتح الحلقة ، وفي هذه الحالة ستصبح ألكانات بسيطة. لكي يتم اعتبار الهيدروكربون مشبعًا ، يجب أن يحتوي على أكبر عدد ممكن من روابط CH.

المزيد

كيميائيا هم يشبهون جدا الألكانات. كلاهما له روابط CC و CH ، والتي ليس من السهل كسرها لإنتاج منتجات أخرى. ومع ذلك ، تختلف ثباتاتها النسبية ، والتي يمكن التحقق منها تجريبياً عن طريق قياس درجات حرارة الاحتراق (_مشط ΔH).

على سبيل المثال ، عند مقارنة _مشط ΔH للبروبان وسيكلوبروبان (يمثله مثلث في الصورة) ، يكون لديك 527.4 كيلو كالوري / مول و 498.9 كيلو كالوري / مول ، على التوالي.

التفصيل هو أن البروبان الحلقي ، بناءً على حرارة احتراق الألكانات ، يجب أن يكون له _مشط ΔH أقل (471 كيلو كالوري / مول) لأنها تتكون من ثلاث مجموعات ميثيلين ، CH ₂ ؛ لكنها في الواقع تطلق حرارة أكثر مما يعكس عدم استقرار أكبر مما هو متوقع. ثم يقال أن هذه الطاقة الزائدة ناتجة عن الضغوط داخل الحلقة.

وفي الواقع ، تتحكم هذه التوترات في تفاعل أو استقرار السيكلو ألكانات وتميزها ، فيما يتعلق بالألكانات ، ضد تفاعلات محددة. طالما أن الضغوط ليست عالية جدًا ، فإن الألكانات الحلقية تميل إلى أن تكون أكثر ثباتًا من الألكانات الخاصة بها.

التسمية

بعض الأمثلة على الألكانات الحلقية المستبدلة لاختبار قواعد التسمية. المصدر: غابرييل بوليفار.

لا تختلف تسمية IUPAC للألكانات الحلقية كثيرًا عن تلك الخاصة بالألكانات. أبسط قاعدة على الإطلاق هي أن تسبق cyclo- لاسم الألكان الذي يتكون منه الألكان الحلقي.

وهكذا ، على سبيل المثال ، من n-hexane ، CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ ، يتم الحصول على الهكسان الحلقي (يمثله شكل سداسي في الصورة الأولى). يحدث الشيء نفسه مع cyclopropane ، cyclobutane ، إلخ.

ومع ذلك ، يمكن أن تخضع هذه المركبات لبدائل أحد الهيدروجين. عندما يكون عدد الكربون في الحلقة أكبر من عدد بدائل الألكيل ، يتم أخذ الحلقة على أنها السلسلة الرئيسية ؛ هذه هي حالة أ) للصورة أعلاه.

لاحظ أنه في (أ) يحتوي cyclobutane (المربع) على كربونات أكثر من مجموعة البروبيل الملحقة به ؛ ثم يسمى هذا المركب باسم propylcyclobutane.

إذا كان هناك أكثر من بديل واحد ، فيجب تسميتهم بالترتيب الأبجدي وبطريقة يكون لديهم أقل عدد ممكن من أرقام تحديد المواقع. على سبيل المثال ، ب) يسمى: 1-برومو-4-فلورو-2-بوتيل سيكلوهيبتان (وليس 1-برومو-5-فلورو-7-بوتيل سيكلوهيبتان ، والذي سيكون غير صحيح).

وأخيرًا ، عندما يحتوي بديل الألكيل على كربونات أكثر من الحلقة ، يُقال أن الأخيرة هي المجموعة البديلة للسلسلة الرئيسية. وهكذا ، ج) يسمى: 4-سيكلوهكسيلنونان.

بناء

إذا تركنا جانبا الألكانات الحلقية المستبدلة ، فمن الملائم التركيز فقط على قواعدها الهيكلية: الحلقات. تم تصوير هذه في الصورة الأولى.

يمكن أن تؤدي مراقبتها إلى فكرة خاطئة مفادها أن هذه الجزيئات مسطحة ؛ ولكن باستثناء البروبان الحلقي ، فإن أسطحه "متعرجة" ، حيث ترتفع أو تنخفض الكربون بالنسبة إلى نفس المستوى.

هذا يرجع إلى حقيقة أن كل ذرات الكربون لها تهجين sp ³ في البداية ، وبالتالي فهي تقدم هندسة رباعية السطوح بزوايا رابطة تساوي 109.5º. ولكن ، إذا تمت ملاحظة هندسة الحلقات بعناية ، فمن المستحيل أن تكون زواياها هذه ؛ على سبيل المثال ، الزوايا داخل مثلث البروبان الحلقي هي 60 درجة.

هذا ما يعرف بالضغط الزاوي. كلما كانت الحلقات أكبر ، كانت الزاوية بين روابط CC أقرب إلى 109.5 درجة ، مما يؤدي إلى انخفاض في التوتر المذكور وزيادة في استقرار السيكلو ألكان.

لوحظ مثال آخر في السيكلوبوتان ، الذي تبلغ زواياه الرابطة 90 درجة. في السيكلوبنتان ، تكون زواياه 108 درجة ، ومن الهكسان الحلقي يُقال إن الإجهاد الزاوي يتوقف عن ممارسة مثل هذا التأثير الملحوظ المزعزع للاستقرار.

المطابقة

بالإضافة إلى الإجهاد الزاوي ، هناك عوامل أخرى تساهم في الإجهاد الذي تتعرض له السيكلو ألكانات.

لا يمكن لسندات CC أن تدور ببساطة ، لأن هذا يعني أن الهيكل بأكمله سوف "يهتز". وبالتالي ، يمكن لهذه الجزيئات أن تتبنى تشكيلات مكانية محددة جيدًا. والغرض من هذه الحركات هو تقليل الضغوط التي يسببها كسوف ذرات الهيدروجين. أي عندما يكونون مقابل بعضهم البعض.

على سبيل المثال ، تشبه تركيبات السيكلوبوتان فراشة ترفرف بجناحيها ؛ تلك من السيكلوبنتان ، مغلف ؛ تلك الموجودة في الهكسان الحلقي ، والقارب أو الكرسي ، وكلما كانت الحلقة أكبر ، زاد العدد والأشكال التي يمكن أن تتخذها في الفضاء.

الانعكاسات بين الشكل الشبيه بالكرسي والقارب للهكسان الحلقي. المصدر: Keministi.

تُظهر الصورة العلوية مثالاً لمثل هذه المطابقات مع الهكسان الحلقي. لاحظ أن الشكل السداسي المسطح المفترض يشبه الكرسي (على يسار الصورة) أو القارب (على اليمين). يتم تمثيل أحد الهيدروجين بحرف أحمر والآخر بحرف أزرق للإشارة إلى كيفية تغير مواضعهما النسبية بعد الانقلابات.

في (1) ، عندما يكون الهيدروجين عموديًا على مستوى الحلقة ، يقال إنه في الوضع المحوري ؛ وعندما تكون موازية لها ، يقال إنها في موقع استوائي.

تفاعلات

التفاعلات التي يمكن أن تخضع لها الألكانات الحلقية هي نفسها التفاعلات للألكانات. كلاهما يحترق في وجود الأكسجين الزائد في تفاعلات الاحتراق النموذجية لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء. وبالمثل ، يمكن أن يخضع كلاهما للهالوجينات ، حيث يتم استبدال الهيدروجين بذرة هالوجين (F ، Cl ، Br ، I).

تفاعلات السيكلوبنتان. المصدر: غابرييل بوليفار.

يتم عرض تفاعلات الاحتراق والهالوجين للسيكلوبنتان على سبيل المثال أعلاه. يحترق أحد الخلد في وجود الحرارة و 7.5 مول من الأكسجين الجزيئي ليتحلل إلى CO ₂ و H ₂ O. من ناحية أخرى ، في وجود الأشعة فوق البنفسجية والبروم ، فإنه يستبدل H واحدًا واحد Br ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء غازي بواسطة HBr.

التطبيقات

يعتمد استخدام الألكانات الحلقية بشكل كبير على عدد الكربون الخاص بها. كانت الأخف وزنا ، وبالتالي الغازية ، تستخدم في السابق لتشغيل مصابيح الغاز في الإنارة العامة.

السوائل ، من جانبها ، لها أدوات مساعدة كمذيبات للزيوت أو الدهون أو المنتجات التجارية ذات الطبيعة غير القطبية. من بينها ، يمكن ذكر السيكلوبنتان ، الهكسان الحلقي و السيكلوهيبتان. كما أنها تستخدم بشكل متكرر في العمليات الروتينية في مختبرات النفط ، أو في صياغة الوقود.

إذا كانت أثقل ، فيمكن استخدامها كمواد تشحيم. من ناحية أخرى ، يمكن أن تمثل أيضًا المادة الأولية لتركيب الأدوية ؛ مثل كاربوبلاتين ، والذي يتضمن حلقة سيكلوبوتان في هيكلها.

أمثلة على السيكلو ألكانات

أخيرًا ، نعود إلى بداية المقال: الصورة التي تحتوي على العديد من الألكانات الحلقية غير المستبدلة.

لحفظ الألكانات الحلقية ، فكر فقط في الأشكال الهندسية: مثلث (البروبان الحلقي) ، مربع (سيكلوبوتان) ، خماسي (سيكلوبنتان) ، سداسي الأضلاع (هكسان حلقي) ، سباعي الأضلاع (سيكلوهيبتان) ، عشري (سيكلوهيبتان) ، خماسي عشري (سيكلوبنتاديكان) ، وخماسي عشري (سيكلوبنتاديكان)..

كلما كبرت الحلقة ، قل تشابهها مع الشكل الهندسي الخاص بها. لقد رأينا بالفعل أن الهكسان الحلقي ما هو إلا مسدس ؛ يتضح الشيء نفسه مع السيكلوتيتراديكان (أربعة عشر ذرة كربون).

هناك نقطة يتصرفون فيها مثل القلائد التي يمكن طيها لتقليل ضغوط روابطهم والكسوف.

المراجع

1. موريسون ، آر تي وبويد ، آر ، إن (1987). الكيمياء العضوية. 5 الطبعة. افتتاحية أديسون ويسلي Interamericana.
2. كاري ف. (2008). الكيمياء العضوية. (الطبعة السادسة). ماك جراو هيل.
3. غراهام سولومونز تي دبليو ، كريج ب. فريهل. (2011). الكيمياء العضوية. الأمينات. (الطبعة العاشرة). وايلي بلس.
4. الكيمياء LibreTexts. (02 يونيو 2019). تسمية السيكلو ألكانات. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
5. ويكيبيديا. (2019). سيكلو ألكان. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
6. كلارك جيم. (2015). إدخال الألكانات والألكانات الحلقية. تم الاسترجاع من: chemguide.co.uk
7. جيمس أشينهورست. (2019). المطابقة و Cycloalkanes. ماجستير الكيمياء العضوية. تم الاسترجاع من: masterorganicchemistry.com
8. فرنانديز جيرمان. (سادس). نظرية الألكانات الحلقية. الكيمياء العضوية. تم الاسترجاع من: quimicaorganica.org