Cicloalcani

Cicloalcanii au un inel și numai legături simple între carboni. Pentru un singur inel, formula este ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}$. Ciclopropanul este ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6$, ciclobutanul ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$, ciclohexanul ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$. Prefixul „ciclo-” arată inelul. Moleculele sunt saturate, deși formula lor are doi H mai puțin decât a alcanului aciclic cu același număr de carboni. Inelele de trei și patru atomi au tensiune structurală și se deschid prin adiție.

Structura și tensiunea. Unghiul legăturilor carbonului $s{p}^3$ este $109^{\circ }28^{\prime }$. În ciclopropan atomii de carbon formează un triunghi, cu unghiuri de $60^{\circ }$, iar în ciclobutan unghiurile sunt de aproximativ $90^{\circ }$; legăturile sunt forțate, adică inelul este tensionat și se deschide ușor. Pentagonul ciclopentanului are unghiuri de $108^{\circ }$, apropiate de cel tetraedric, deci tensiunea este mică. Ciclohexanul nu este un hexagon plan, cu unghiuri de $120^{\circ }$: adoptă conformația scaun, cu unghiuri de $109^{\circ }28^{\prime }$, fără tensiune. De aceea ciclopentanul și ciclohexanul sunt stabili ca alcanii, iar ciclopropanul și ciclobutanul sunt reactivi.

Denumirea și izomeria. Numele se formează prin prefixul „ciclo-” înaintea numelui alcanului cu același număr de atomi de carbon; ramificațiile se numerotează astfel încât locanții să fie cei mai mici, iar la locanți egali primul în ordine alfabetică primește numărul 1. Pentru ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$ există cinci cicloalcani izomeri: ciclopentan, metilciclobutan, etilciclopropan, 1,1-dimetilciclopropan și 1,2-dimetilciclopropan; ultimul are izomeri cis și trans, deoarece rotația în jurul legăturilor inelului este blocată. Cicloalcanii sunt izomeri cu alchenele având același număr de atomi de carbon (izomerie inel–catenă), de exemplu ciclopentanul și pent-1-ena.

Proprietăți fizice. Ciclopropanul și ciclobutanul sunt gaze, iar ciclopentanul și ciclohexanul sunt lichide care fierb la $49{}^{\circ }\mathrm{C}$, respectiv $81{}^{\circ }\mathrm{C}$, mai sus decât pentanul și hexanul. Sunt insolubili în apă și mai puțin denși decât ea.

Proprietăți chimice. Ciclopropanul și ciclobutanul dau adiții cu deschiderea inelului: ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6+{\mathrm{H}}_2\stackrel{\mathrm{Ni}}{\to }{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8$, ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2\to \mathrm{BrC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{Br}$ și ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6+\mathrm{HBr}\to \mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{Br}$. Ciclopentanul și ciclohexanul dau, ca alcanii, substituție: ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\stackrel{\mathrm{h}\nu }{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{11}\mathrm{Cl}+\mathrm{HCl}$. Ciclohexanul se dehidrogenează la benzen: ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}\to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6+3{\mathrm{H}}_2$. Arderea completă este ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}+\frac{3n}{2}{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{nC}{\mathrm{O}}_2+\mathrm{n}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Exemplu rezolvat 1. Denumim și calculăm formula pentru un ciclohexan cu o grupă etil și o grupă metil în pozițiile 1 și 3.

1. Inelul are $6$ atomi de carbon, deci baza este ciclohexan.
2. Locanții posibili sunt $1,3$ în ambele sensuri de numerotare; etil precede metil în ordine alfabetică, deci primește numărul 1.
3. Numele este 1-etil-3-metilciclohexan.
4. Atomii de carbon sunt $6+2+1=9$; molecula are un inel, deci ${\mathrm{C}}_9{\mathrm{H}}_{18}$, $M=126g/mol$.

Exemplu rezolvat 2. Se hidrogenează $21\mathrm{g}$ de ciclopropan ($M=42g/mol$).

1. $n=21/42=0,5\mathrm{mol}$.
2. Un mol de ciclopropan adiționează un mol de ${\mathrm{H}}_2$, deci sunt necesari $0,5\mathrm{mol}$, adică $11,2\mathrm{L}$ în condiții normale.
3. Se formează $0,5\mathrm{mol}$ propan, adică $22\mathrm{g}$. Cu brom, aceeași cantitate dă $0,5\mathrm{mol}$ 1,3-dibromopropan, adică $101\mathrm{g}$.

Exemplu rezolvat 3. O hidrocarbură are $M=84g/mol$ și $85,71\%$ carbon; nu decolorează apa de brom și dă un singur derivat monoclorurat.

1. $m(\mathrm{C})=84\cdot 0,8571=72\mathrm{g}$, deci $6$ atomi de carbon și $12$ de hidrogen: ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$.
2. Formula ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}$ cu apă de brom nedecolorată exclude o alchenă, deci hidrocarbura este un cicloalcan.
3. Un singur derivat monoclorurat cere ca toți cei $12$ atomi de hidrogen să fie echivalenți. Metilciclopentanul are patru tipuri de hidrogeni (din $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, din CH și din cele două perechi de $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$), iar ceilalți cicloalcani ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$ au cel puțin două tipuri; ciclohexanul are un singur tip, deci hidrocarbura este ciclohexan.

Greșeli frecvente

• Greșit: Ciclohexanul este nesaturat deoarece are ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$.
  Corect: Are numai legături simple C–C.
• Greșit: Ciclopentanul și pent-1-ena sunt aceeași substanță.
  Corect: Sunt izomeri inel–catenă.
• Greșit: Toți cicloalcanii dau reacții de adiție.
  Corect: Numai ciclopropanul și ciclobutanul își deschid inelul; ciclopentanul și ciclohexanul dau substituție ca alcanii.
• Greșit: Ciclohexanul este un hexagon plan cu unghiuri de $120^{\circ }$.
  Corect: Are conformația scaun, cu unghiuri de $109^{\circ }28^{\prime }$.
• Greșit: Ciclohexanul și benzenul au același număr de atomi de hidrogen.
  Corect: Ciclohexanul are ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$, iar benzenul ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6$.

Înainte și după