Bài 26. Xicloankan

Đồng phân và danh pháp.• Định nghĩa: Xicloankan là một loại hidrocacbon mà trong phân tử chỉ có liên kết đơn và có cấu trúc mạch vòng đơn vòng hoặc đa vòng • Công thức chung : CnH2n n>

I Đồng phân và danh pháp.

• Định nghĩa: Xicloankan là một loại hidrocacbon mà trong phân

tử chỉ có liên kết đơn và có cấu trúc mạch vòng ( đơn vòng

hoặc đa vòng)

• Công thức chung : CnH2n ( n>=3)

3 4

5 6

11 2 3 4 6

* Spiran : Là loại xicloankan 2 vòng có

chung một nguyên tử Cacbon, mỗi vòng sẽ

có cấu trúc thế nào đó để có lợi nhất về

1

2

3 4

5 6 7

8 9

CH3

Spiro[3,6]decan Spiro[4,5]decan 1-metylspiro[4,4]nonan

* Bixicloankan : Lµ lo¹i 2 vßng cã chung

nhau 2 cacbon gäi lµ cacbon cÇu

“Bixiclo” + [c¸c ch÷ sè chØ sè l îng C ë mçi cÇu

nèi, lín tr íc, nhá sau] + tªn Ankan cã sè cacbon b»ng tæng sè cacbon t¹o vßng

4

3

2 1

CH37

Bixiclo[4,4,0]decan 1,7,7-trimetylbixiclo[2,2,1]- -heptan -heptan

- Monoxicloankan có các đồng phân về cỡ

vòng hoặc sự phân nhánh

• Ví dụ:

+ §ång ph©n vÒ sè c¹nh:

+ §ång ph©n trong nh¸nh:

CH3( metylxiclopropan) (Xiclobutan)

- Spiran và bixicloankan : có cùng số nguyên

tử Cacbon cũng là những đồng phân mạch cacbon của nhau:

Ví dụ:

không no bằng 2, chúng là các đồng phân cấu tạo thuộc loại đồng phân nhóm chức

* Các vòng 3,4,5 cạnh : chúng đ ợc coi nh

mặt phẳng

cùng phía của vòng thì gọi là đồng phân Cis.

khác phía thì gọi là đồng phân trans.

(đôi đối quang)

e a

a

e a

e

a e

Liªn kÕt a vµ liªn kÕt e

Ví dụ: tr ờng hợp đồng phân cis và trans

CH3H

H H

H H

H

H H

H

H

H H

H

cấu dạng aa cấu dạng ee

-Đồng phân cis: cũng tồn tại hai dạng

chuyển đổi lẫn nhau nh ng hai dạng này bền t ơng đ ơng:

CH3H

H

CH3

H H

H H

5

6

H H H

CH3

CH3

H

H H

5

6

H

H H

H

H

H H

H

cấu dạng ae cấu dạng ea

Hai dạng của đồng phân cis này là hai

dạng đối quang của nhau Nếu ta quay

quanh trục thẳng đứng của một dạng thì sẽ

đ ợc một dạng đồng nhất với nó và đối xứng với dạng kia qua g ơng

thuyền ; tuy nhiên dạng này không bền do

một số nguyên tử H bị che khuất.

II, Cấu trúc và tính chất vật lý

a, Xiclopropan: 3 nguyên tử

Cacbon nằm trên một mặt

phẳng và tạo thành một tam

giác đều Ba nguyên tử C ở

trạng thái lai hóa sp 3 Góc giữa

các trục obitan lai hóa sp 3 là

b, Xiclobutan:

là khá lớn, vì thế sự xen phủ giữa các obitan

Liên kết ở C-C ở xiclobutan cũng thuộc loại

liên kết hình quả chuối nên kém bền.

thì cả 8 liên kết C-H đều ở các cấu dạng

che khuất hoàn toàn dẫn tới lực đẩy lớn giữa chúng (sức căng pitzo).

* Khi vòng xiclobutan bị gãy gập theo đ ờng chéo thì làm giảm đ ợc lực đẩy tĩnh

điện giữa các obitan

nh ng lại làm tăng sức căng góc

* Vì vậy xiclobutan luôn ở trạng thái biến

đổi trạng thái biến đổi giữa các dạng gập gẫy ( t ơng đ ơng nhau) qua dạng phẳng.

H

H

* Tuy nhiên sự gập gãy so với mặt

phẳng là ít, hàng rào năng l ợng giữa các dạng là rất thấp nên thực tế có thể thể vòng xiclobutan là phẳng

Xiclobutan thuộc loại kém bền

 c, Xiclopentan :

* Nếu xiclopentan có cấu trúc dạng phẳng

thì góc CCC bằng 180 0 gần trùng với góc lai

hóa Tuy không có sức căng góc nh ng khi đó cả

10 liên kết C-H đều ở cấu dạng che khuất, lực

đẩy tĩnh điện giữa chúng rất lớn Vì thế nó không tồn tại ở dạng phẳng mà tồn tại ở dạng

“phong bì” hoặc “nửa ghế”.

+) Dạng phong bì: Có 1 trong 5 nguyên tử C

(luân phiên nhau) lệch ra khỏi mặt phẳng của 4 nguyên tử còn lại

+) Dạng nửa ghế: có 2 nguyên tử các bon (luân

phiên nhau) lệch ra khỏi mặt phẳng chứa 3 nguyên tử C còn lại Các cấu dạng này luôn luôn chuyển đổi cho nhau.

d) Xiclohexan:

C-C nên xiclohexan có vô số cấu dạng khác nhau

Sau đây là giản đồ biến đổi năng l ợng khi chuyển đổi các dạng cấu hình:

* Các Xicloankan với 7 ≤ n ≤ 12 không thể giảm hết đ ợc mọi sức cang nh ở dạng ghế của xiclohexan nên kém bền hơn

xiclohexan

* Các xicloankan với n> 12, mọi sức cang

hầu nh đ ợc loại bỏ Khi n càng lớn, cấu trúc của nó càng gần với ankan không phân

nhánh, tức là không còn sức cang Vi vậy các xicloankan từ 7 đến 12 cạnh kém bền hơn

và khó hinh thành hơn so với xiclohexan và

so với các xicloankan lớn hơn 12 cạnh

+) Loại Bixicloankan: hai vòng có chung 2 nguyên

tử C, gọi là C đầu cầu Khi đó không phải tất cả các vòng đều ở cấu trúc có lợi nhất về năng

l ợng Chẳng hạn đecalin, 2 vòng 6 cạnh đều ở dạng ghế còn ở Camphan thì có 1 vòng 6 cạnh

ở dạng thuyền:

Polyxicloankan h×nh khèi: cã cÊu

tróc tõ c¸c mÆt ®a gi¸c ghÐp l¹i thµnh c¸c khèi ®a diÖn.

C¸c polyxicloankan ®a diÖn nÕu gåm c¸c vßng 3,4 c¹nh th× rÊt kÐm bÒn;

nÕu vßng 5,6 c¹nh th× bÒn h¬n

cis-§ ecalin trans-§ ecalin Camphan

CH3 CH3

CH3

Tetrahedran C4H4 Prisman C6H6 Cuban C8H8

Pentaprisman C10H10 § odecahedran , C20H20 Ademantan , C10H16

2, Tính chất vật lý

a, Tính chất vật lý thông th ờng a, Tính chất vật lý thông th ờng

 Các phân tử xicloankan có cấu

trúc dạng vòng nên có hình dạng gọn gàng hơn, sắp xếp cũng đ ợc khít hơn làm cho lực hút Van đe Van giữa chúng lớn Vì thế nhiệt

độ sôi, nhất là nhiệt độ nóng chảy của nó cao hơn nhiều so với Ankan t ơng ứng.

 Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của Xicloankan biến đổi theo quy luật, nhìn chung tăng theo số

nguyên tử Cacbon trong phân tử.

Sau đây là nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng

chảy và khối l ợng riêng của một vài

Xicloankan

Xicloankan Công thức T 0

s , 0 C t o

nc0C D,g/cm 3 (20 0 C) Xiclopropan

C10H18

C10H18

C8H8

-33 13 49 81 118 149 170 201 195,6 187,3 -

-127 -90 -94 7 -12 14 - 10 -43 -30 130-131

0,703 0,751 0,779 0,810 0,839 - - 0,896 0,870 -

-Các xicloankan nói chung đều nhẹ hơn n ớc

và đều nặng hơn các Ankan có cùng số

nguyên tử cacbon

 Tính tan của xicloankan t ơng tự tính tan của Ankan Nó là loại a dầu mỡ và kị n ớc, chúng hòa tan các hợp chất mạch vòng tốt hơn Ankan

b, Tính chất phổ.

 Phổ của Xicloankan t ơng tự nh ankan

Riêng dao động hóa trị của liên kết C-C ở vòng 3 cạnh thể hiện ở xấp xỉ 3050 cm-1

cao hơn so với ở ankan và các Xicloankan không có sức căng góc

 Các dải đặc tr ng cho dao động biến dạng

“hình kéo” của nhóm CH2 diễn ra trong khoảng 1440-1470 cm-1

III Tính chất hóa học.

Xicloankan và Ankan đều là

những nét khác biệt

1 Phản ứng cộng mở vòng 3, 4 cạnh.

nh anken, khi đó vòng bị mở ra thành hợp chất mạch hở:

Br CH

CH CH

Br

Br

I CH CH

CH

HI  → 3 3 2+

3 2

3

80 , 0 CH CH CH H

2 Ni → C+

5 6 2

2 3

100

, 6

6

0

H C CH

CH CH

H C AlCl 3 C→ − +

xóc t¸c trong nh÷ng qu¸ tr×nh hidrocracking.

+ H2 Ni

1200C CH3CH2CH2CH3

khi có nhôm clorua hoặc bromua xúc tác,

xiclopropan bị đồng phân hóa propen, các xicloankan khác đồng phân hóa thành vòng

3 Ph¶n øng thÕ

trë lªn khi t¸c dông víi halogen sinh ra ph¶n

4 Ph¶n øng oxi hãa.

CO 2 , H 2 O vµ táa nhiÖt

Q

O nH

CO n

O 2

3

H

Thiêu nhiệt tính cho 1 nhóm CH2 biến đổi

IV Điều chế và ứng dụng

 a Trong phòng thí nghiệm a Trong phòng thí nghiệm: ng ời

ta dùng phản ứng đóng vòng các hợp chất không vòng:

bằng Na, Zn.

n=5, 6; hiệu suất thấp khi n > 6

-NaBr (hoặc ZnBr2)

* §iÒu chÕ xeton vßng råi khö chóng

COO COO

CH-COOH

t0C -CO2 (CH2)n C=O

(CH2)n C=O hçn th«ng Zn + HCl (CH2)n+1

b, Trong công nghiệp.

 Các xicloankan nh xiclopentan, xiclohexan

và các dẫn xuất ankyl của chúng là thành phần chính trong dầu mỏ (từ 30% - 60%) Khi ch ng cất dầu mỏ ng ời ta thu đ ợc nhiều xicloankan vòng 5,6 cạnh ở phân đoạn sôi

600 – 900 Từ phân đoạn này ng ời ta tinh cất tiếp theo để thu lấy xiclohexan,

metylxiclopentan…dùng trong công

nghiệp

2 ứng dụng.

trong nhiên liệu động cơ và dầu nhờn.

dùng làm nguyên liệu sản xuất nilon-6 và nilon-6,6.

Xiclohexan và đồng đẳng đ ợc dùng để

sản xuất Benzen, toluen, xilen, Ngoài ra nó còn đ ợc dung để làm dung môi cho những chất ít phân cực.

O

NOH

NH O

Xclohexanoxim Caprolactam Capron

HOOC(CH2)4COOH H2N(CH2)6NH2 nilon6,6axit adipic

Một vài nghiên cứu gần đây cho thấy

xicloankan còn đ ợc sử dụng làm thuốc trừ

sâu hoặc thuốc gây vô sinh cho côn trùng,

chim và một số động vật khác nhằm kiểm

soát số l ợng của các loài có hại

Nhóm Xicloankan methylated tetrahidro

xicloheptan[1,2-c:4,3-c'] dipyrazoles và

bezon[1,2-c:4,3-c']diprazoles còn đ ợc dùng nh bronchodinator (một hợp chất rất có ích trong việc ngăn cản các tế bào ung th )

 Người ta còn sử dụng fluorinated

cycloalkane sulfonate như là một chất phụ gia thêm vào NH4 trong quá trình nghiên cứu cải tiến hợp chất hoà tan khắc ăn mòn

chứa phụ gia hoạt động bề mặt tan Phụ

gia này có khả năng ngăn chặn sự giảm

sức căng bề mặt để tăng hơi ẩm chất nền

và giúp ích cho việc sản xuất vòng hoà

tan Đặc biệt, nó có liên quan tới việc tận dụng sunfat xicloankan flonat làm chất

phụ gia ngăn sức ép (sức căng) bề mặt

“Bài viết của chúng tôi đ ợc thực hiện để t ởng nhớ tới các nhà khoa học đã hy sinh cống

hiến suốt cả cuộc đời cho sự nghiệp

Xicloankan của chúng ta.”

Nhóm 8 l u bút