Најважније из лекције
Циклоалкани (\( \text{C}_n\text{H}_{2n} \)): засићени циклични угљоводоници.
Угаони напон и стабилност: Мали прстенови (циклопропан \( 60^\circ \), циклобутан \( \approx 90^\circ \)) имају велики Бајеров напон и нестабилни су. Већи прстенови су стабилни јер заузимају непланарне конформације: циклопентан конформацију „коверте”, а циклохексан најстабилнију конформацију „столице” (без угаоног напона, садржи 6 аксијалних и 6 екваторијалних веза).
Изомерија: Поред структурне, дисупституисани деривати показују и cis-trans геометријску изомерију (cis = са исте стране, trans = са супротних страна равни прстена).
Реактивност: Мали прстенови реагују адицијом уз отварање прстена (\( \text{C}_3\text{H}_6 + \text{H}_2 \rightarrow \text{пропан} \)), док циклопентан и циклохексан подлежу супституцији попут алкана (\( \text{C}_6\text{H}_{12} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{хлорциклохексан} + \text{HCl} \)).
Угаони напон и стабилност: Мали прстенови (циклопропан \( 60^\circ \), циклобутан \( \approx 90^\circ \)) имају велики Бајеров напон и нестабилни су. Већи прстенови су стабилни јер заузимају непланарне конформације: циклопентан конформацију „коверте”, а циклохексан најстабилнију конформацију „столице” (без угаоног напона, садржи 6 аксијалних и 6 екваторијалних веза).
Изомерија: Поред структурне, дисупституисани деривати показују и cis-trans геометријску изомерију (cis = са исте стране, trans = са супротних страна равни прстена).
Реактивност: Мали прстенови реагују адицијом уз отварање прстена (\( \text{C}_3\text{H}_6 + \text{H}_2 \rightarrow \text{пропан} \)), док циклопентан и циклохексан подлежу супституцији попут алкана (\( \text{C}_6\text{H}_{12} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{хлорциклохексан} + \text{HCl} \)).
Карбоциклична једињења су органска једињења чији су молекули изграђени од атома угљеника међусобно повезаних у прстенасте структуре.
Циклоалкани су засићени циклични угљоводоници (засићена карбоциклична једињења) у којима су сви атоми угљеника у прстену повезани једноструким \( \sigma \) везама.
\[ \text{C}_n\text{H}_{2n} \quad (n \ge 3) \]
Општа формула за циклоалкане са једним прстеном
Најједноставнији представници:
- Циклопропан: \( \text{C}_3\text{H}_6 \) (трочлани прстен)
- Циклобутан: \( \text{C}_4\text{H}_8 \) (четворочлани прстен)
- Циклопентан: \( \text{C}_5\text{H}_{10} \) (петочлани прстен)
- Циклохексан: \( \text{C}_6\text{H}_{12} \) (шесточлани прстен)
Одредите молекулску формулу циклоалкана који садржи 8 атома угљеника.
На основу опште формуле \( \text{C}_n\text{H}_{2n} \), за \( n = 8 \):
\[ \text{C}_8\text{H}_{2 \cdot 8} = \text{C}_8\text{H}_{16} \]
Одговор: Молекулска формула циклооктана је \( \text{C}_8\text{H}_{16} \).
Угаони (Бајеров) напон настаје услед одступања валентног угла између \( \text{C–C} \) веза у прстену од оптималног тетраедарског угла за \( \text{sp}^3 \)-хибридизован угљеник (\( 109{,}5^\circ \)).
Што је угаони напон већи, то је молекул нестабилнији и хемијски реактивнији!
| Циклоалкан | Структура и угао | Најстабилнија конформација | Особине стабилности |
|---|---|---|---|
| Циклопропан | Планаран прстен, углови \( 60^\circ \) | Планаран облик | Велики угаони напон и одбијање суседних \( \text{C–H} \) веза; веома нестабилан. |
| Циклобутан | Непланаран (пресавијен), углови \( \approx 90^\circ \) | Пресавијена конформација | Мањи угаони напон од циклопропана, али и даље знатно нестабилан. |
| Циклопентан | Непланаран, унутрашњи углови блиски \( 108^\circ \) | „Коверта” | Минималан напон у прстену, знатно стабилнији молекул. |
| Циклохексан | Непланаран, сви углови су \( 109{,}5^\circ \) | „Столица” (најстабилнија), „лађа” (мање стабилна) | Потпуно одсуство угаоног напона; изузетно стабилан молекул. |
У конформацији „столице” циклохексана постоје две врсте \( \text{C–H} \) веза:
- Аксијалне везе (6): постављене нормално (усправно) у односу на просечну раван прстена (3 усмерене нагоре, 3 надоле).
- Екваторијалне везе (6): леже готово у равни прстена (пружају се бочно ка спољашњости).
Правила номенклатуре:
- Основа назива је име циклоалкана према броју угљеникових атома у прстену са префиксом цикло- (нпр. циклопентан).
- Супституенти (алкил-групе) наводе се испред основног назива.
- Атоми угљеника у прстену нумеришу се тако да супституенти добију најмање могуће бројеве (нпр. 1,2,4-триметилциклохексан, а не 1,2,5-триметилциклохексан).
Геометријски (cis-trans) изомери су стереоизомери код којих супституенти заузимају различит просторни распоред у односу на раван прстена:
- cis- изомер: оба супституента се налазе са исте стране равни прстена (оба изнад или оба испод).
- trans- изомер: супституенти се налазе са супротних страна равни прстена (један изнад, други испод).
- cis-1,2-диметилциклохексан - обе \( \text{–CH}_3 \) групе су са исте стране прстена.
- trans-1,2-диметилциклохексан - једна \( \text{–CH}_3 \) група је изнад, а друга испод равни прстена.
Именујте једињење чији петочлани прстен има етил-групу на положају 1 и метил-групу на положају 3 који се налазе са различитих страна равни прстена.
Пошто су групе са различитих (супротних) страна равни прстена, користи се префикс trans-.
Назив: trans-1-етил-3-метилциклопентан.
Назив: trans-1-етил-3-метилциклопентан.
Физичка својства:
- Циклопропан и циклобутан су гасови на собној температури.
- Циклопентан и циклохексан су течности.
- Неполарни су, практично нерастворни у води, а добро се растварају у неполарним органским растварачима.
Хемијско понашање малих прстенова (реакције отварања прстена):
Услед великог угаоног напона, циклопропан и циклобутан лако ступају у реакције раскидања \( \text{C–C} \) \( \sigma \) веза:
Услед великог угаоног напона, циклопропан и циклобутан лако ступају у реакције раскидања \( \text{C–C} \) \( \sigma \) веза:
- Хидрогеновање циклопропана и циклобутана: \[ \text{C}_3\text{H}_6 + \text{H}_2 \xrightarrow{p, t^\circ, \text{кат.}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_3 \quad (\text{пропан}) \] \[ \text{C}_4\text{H}_8 + \text{H}_2 \xrightarrow{p, t^\circ, \text{кат.}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3 \quad (\text{бутан}) \]
- Халогеновање циклопропана уз отварање прстена: \[ \text{C}_3\text{H}_6 + \text{Br}_2 \xrightarrow{p, t^\circ} \text{CH}_2\text{Br–CH}_2\text{–CH}_2\text{Br} \quad (\text{1,3-дибромпропан}) \] (Циклобутан не реагује са бромом или хлором уз отварање прстена под овим условима).
Хемијско понашање стабилних прстенова (реакције супституције):
Циклопентан и циклохексан немају значајан угаони напон, па се понашају као ациклични алкани - подлежу фотохемијском халогеновању (супституцији) уз очување прстена: \[ \text{C}_6\text{H}_{12} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{C}_6\text{H}_{11}\text{Cl} + \text{HCl} \quad (\text{хлорциклохексан}) \]
Циклопентан и циклохексан немају значајан угаони напон, па се понашају као ациклични алкани - подлежу фотохемијском халогеновању (супституцији) уз очување прстена: \[ \text{C}_6\text{H}_{12} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{C}_6\text{H}_{11}\text{Cl} + \text{HCl} \quad (\text{хлорциклохексан}) \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Напишите молекулску формулу за:
а) 1,2-диметилциклобутан
б) метилциклопентан
а) 1,2-диметилциклобутан
б) метилциклопентан
Сви моноциклични циклоалкани имају општу формулу \( \text{C}_n\text{H}_{2n} \).
а) 1,2-диметилциклобутан има укупно \( 4 \text{ (прстен)} + 2 \text{ (метил-групе)} = 6 \) атома угљеника: \[ \text{C}_6\text{H}_{2 \cdot 6} = \mathbf{\text{C}_6\text{H}_{12}} \] б) Метилциклопентан има \( 5 \text{ (прстен)} + 1 \text{ (метил-група)} = 6 \) атома угљеника: \[ \text{C}_6\text{H}_{2 \cdot 6} = \mathbf{\text{C}_6\text{H}_{12}} \]
а) 1,2-диметилциклобутан има укупно \( 4 \text{ (прстен)} + 2 \text{ (метил-групе)} = 6 \) атома угљеника: \[ \text{C}_6\text{H}_{2 \cdot 6} = \mathbf{\text{C}_6\text{H}_{12}} \] б) Метилциклопентан има \( 5 \text{ (прстен)} + 1 \text{ (метил-група)} = 6 \) атома угљеника: \[ \text{C}_6\text{H}_{2 \cdot 6} = \mathbf{\text{C}_6\text{H}_{12}} \]
Задатак 2 (средњи): Наведите називе свих структурних изомера циклоалкана са молекулском формулом \( \text{C}_7\text{H}_{14} \) који садрже петочлани прстен.
Петочлани прстен (циклопентан) има 5 угљеникових атома. Преостала 2 угљеникова атома могу бити распоређена као једна етил-група или две метил-групе:
- Етилциклопентан (прстен са једном \( \text{–CH}_2\text{CH}_3 \) групом)
- 1,1-Диметилциклопентан (обе \( \text{–CH}_3 \) групе на истом C атому)
- 1,2-Диметилциклопентан (по једна \( \text{–CH}_3 \) група на суседним C атомима)
- 1,3-Диметилциклопентан (по једна \( \text{–CH}_3 \) група на положајима 1 и 3)
Задатак 3 (средњи): Објасните зашто циклопропан реагује са бромом дајући 1,3-дибромпропан, док циклохексан у сличним условима не отвара прстен већ подлеже супституцији.
Објашњење: Циклопропан има трочлани планарни прстен са угловима веза од \( 60^\circ \), што јако одступа од идеалног тетраедарског угла (\( 109{,}5^\circ \)). Због великог Бајеровог (угаоног) напона, \( \text{C–C} \) везе у циклопропану лако се раскидају дајући производ адиције са отвореним низом (1,3-дибромпропан).
Циклохексан заузима конформацију „столице” у којој су сви углови \( 109{,}5^\circ \) и нема угаоног напона, па је прстен изузетно стабилан и реагује попут алкана искључиво реакцијама супституције.
Циклохексан заузима конформацију „столице” у којој су сви углови \( 109{,}5^\circ \) и нема угаоног напона, па је прстен изузетно стабилан и реагује попут алкана искључиво реакцијама супституције.
Задатак 4 (тежак): Израчунајте запремину кисеоника (при нормалним условима: \( V_m = 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} \)) потребну за потпуно сагоревање \( 7\text{ g} \) метилциклобутана.
1. Молекулска формула и моларна маса метилциклобутана:
Метилциклобутан има 5 C атома: \( \text{C}_5\text{H}_{10} \). \[ M(\text{C}_5\text{H}_{10}) = 5 \cdot 12\text{ g/mol} + 10 \cdot 1\text{ g/mol} = 70\text{ g/mol} \] 2. Количина метилциклобутана: \[ n(\text{C}_5\text{H}_{10}) = \frac{m}{M} = \frac{7\text{ g}}{70\text{ g/mol}} = 0{,}1\text{ mol} \] 3. Једначина реакције сагоревања: \[ \text{C}_5\text{H}_{10} + \frac{15}{2}\text{O}_2 \longrightarrow 5\text{CO}_2 + 5\text{H}_2\text{O} \] Однос количина је: \( n(\text{O}_2) = 7{,}5 \cdot n(\text{C}_5\text{H}_{10}) \). \[ n(\text{O}_2) = 7{,}5 \cdot 0{,}1\text{ mol} = 0{,}75\text{ mol} \] 4. Запремина кисеоника при нормалним условима: \[ V(\text{O}_2) = n(\text{O}_2) \cdot V_m = 0{,}75\text{ mol} \cdot 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} = \mathbf{16{,}8\text{ dm}^3} \] Одговор: Потребно је \( 16{,}8\text{ dm}^3 \) кисеоника.
Метилциклобутан има 5 C атома: \( \text{C}_5\text{H}_{10} \). \[ M(\text{C}_5\text{H}_{10}) = 5 \cdot 12\text{ g/mol} + 10 \cdot 1\text{ g/mol} = 70\text{ g/mol} \] 2. Количина метилциклобутана: \[ n(\text{C}_5\text{H}_{10}) = \frac{m}{M} = \frac{7\text{ g}}{70\text{ g/mol}} = 0{,}1\text{ mol} \] 3. Једначина реакције сагоревања: \[ \text{C}_5\text{H}_{10} + \frac{15}{2}\text{O}_2 \longrightarrow 5\text{CO}_2 + 5\text{H}_2\text{O} \] Однос количина је: \( n(\text{O}_2) = 7{,}5 \cdot n(\text{C}_5\text{H}_{10}) \). \[ n(\text{O}_2) = 7{,}5 \cdot 0{,}1\text{ mol} = 0{,}75\text{ mol} \] 4. Запремина кисеоника при нормалним условима: \[ V(\text{O}_2) = n(\text{O}_2) \cdot V_m = 0{,}75\text{ mol} \cdot 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} = \mathbf{16{,}8\text{ dm}^3} \] Одговор: Потребно је \( 16{,}8\text{ dm}^3 \) кисеоника.
