Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
C
YKLOALKANY 1
godz.
1.
Wzór sumaryczny: CnH2n (n = liczba naturalna) - alkany o budowie cyklicznej (zamkniętej); przykłady: cyklopropan (C3H6), cyklobutan (C4H8), cyklopentan (C5H10), cykloheksan (C6H12).
2.
Nomenklatura
3.
Budowa pierścienia
3.1.
Cyklopropanu - wiązania C-C o charakterze pośrednim między wiązaniem σ i π
jako skutek niewspółosiowego nakładania się orbitali tylu sp 3 (tzw. wiązania zgięte lub bananowe).
• Wzór rzutowy Newmana i model pierścienia cyklopropanu - wszystkie wiązania C-H w konformacjach naprzeciwległych.
3.2.
Cyklobutanu - wiązania C-C mają charakter wiązań zgiętych, ale ich odkształcenie jest mniejsze niż w cyklopropanie.
• Wzór rzutowy Newmana i model pierścienia cyklobutanu - pofałdowanie pierścienia powoduje rozsunięcie atomów wodoru w przestrzeni, czyli zmniejszenie naprężeń w porównaniu w pierścieniem cyklopropanu.
3.3.
Cyklopentanu - budowa kopertowa pierścienia; pierścień pozbawiony naprężeń ze względu na wychylenie jednego z atomów węgla poza płaszczyznę pozostałych atomów węgla.
• Wzór rzutowy Newmana - dwie sąsiednie grupy CH2 w konformacji naprzemianległej.
• Wzory perspektywiczne cyklopropanu, cyklobutanu i cyklopentanu.
3.4.
Cykloheksanu - pierścień pozbawiony naprężeń, ponieważ nie wszystkie atomy węgla leżą w jednej płaszczyźnie; pierścień może przybierać różne kształty (konformacje) wynikające z obrotu wokół wiązań C-C.
• Konformacja krzesłowa - wzór perspektywiczny.
• Konformacja łodziowa - wzór perspektywiczny.
• Względna trwałość konformacji pierścienia cykloheksanu - konformacja krzesłowa - korzystniejsza energetycznie, wszystkie atomy wodoru sąsiednich grup CH2 są w położeniach naprzemianległych.
• Nazewnictwo wiązań w konformacji krzesłowej - wiązania aksjalne (a) i wiązania ekwatorialne (e).
a
a
a
a
a
a
e
e
a
a
e
e
e
e
e
e
e
e
a
a
a
e
e
a
a
a
a
a
wiązania aksjalne (a)
wiązania ekwatorialne (e)
wiązania aksjalne (a)
i ekwatorialne (e)
• Inwersja pierścienia cykloheksanu.
1
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
a
a
a
e
a
1
5
6
1 6
e
5
4
e
4
e
e
e
3
2
1
2
2
1
a
3
a
e
a
a
a
konformer krzesłowy A
konformer łodziowy
konformer krzesłowy B
Dla niepodstawionego cykloheksanu konformery krzesłowe A i B mają taką samą energię.
• Konformacje krzesłowe monopodstawionych pochodnych cykloheksanu (na przykładzie metylocykloheksanu) - w monopodstawionych pochodnych cykloheksanu konformery z podstawnikami w pozycji ekwatorialnej są trwalsze (posiadają niższą energię wewnętrzną) od tych z podstawnikami w pozycji aksjalnej
4.
Izomeria geometryczna w cykloalkanach (izomeria cis- trans) - za punkt odniesienia przyjmuje się płaszczyznę, na której leży szkielet pierścienia (chociażby w przybliżeniu)
5.
Równowaga konformacyjna dipodstawionych pochodnych cykloheksanu 5.1.
W 1,2-dipodstawionym cykloheksanie na przykładzie:
• Cis- 1,2-dimetylocykloheksanu
oba konformery mają taką samą energię wewnętrzną
CH3
cis-1,2-dimetylocykloheksan
CH3
H3C
H3C
CH3 CH3
konforner e,a
konforner a,e
• Trans- 1,2-dimetylocykloheksanu
CH3
trans-1,2-dimetylocykloheksan
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
konforner e,e
konforner a,a
trwalszy konformer (o niższej energii wewnętrznej) 5.2.
W 1,3-dipodstawionym cykloheksanie na przykładzie:
• Cis- 1,3-dimetylocykloheksanu - konformer (e,e) trwalszy (o niższej energii wewnętrznej) niż konformer (a,a)
2
Konspekt wykładu „Chemia Organiczna” dla studentów Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej
• Trans-1,3-dimetylocykloheksanu - oba konformery (a,e i e,a) mają taką samą energię wewnętrzną
5.3.
W 1,4-dipodstawionym cykloheksanie na przykładzie:
• Cis- 1,4-dimetylocykloheksanu - oba konformery (a,e i e,a) mają taką samą energię wewnętrzną
• Trans- 1,4-dimetylocykloheksanu - konformer (e,e) trwalszy (o niższej energii wewnętrznej) niż konformer (a,a)
6.
Reakcje cykloalkanów
6.1.
Cyklopropanu
• Uwodornienie katalityczne - otrzymanie propanu
• Addycja (przyłączenie) kwasu siarkowego - otrzymanie kwasu propylosiarkowego
• Addycja wody w obecności kwasu siarkowego – otrzymanie propan-1-olu
• Addycja bromu – otrzymanie 1,3-dibromopropanu
6.2.
Cyklobutanu; uwodornienie katalityczne - otrzymanie butanu 6.3.
Cykloalkanów o pierścieniach pięcio- i sześcioczłonowych - cykloalkany o pierścieniach pięcio- i sześcioczłonowych ulegają takim samym reakcjom jak alkany, tj. chlorowaniu i bromowaniu w obecności promieniowania nadfioletowego i/lub w podwyższonej temperaturze
3