Cicloalcanos: propriedades, reações, usos, exemplos - Ciência - 2023

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o cicloalcanos são uma família de hidrocarbonetos saturados com uma fórmula geral de C_nH_2n que coincide com o dos alcenos; com a diferença de que a aparente insaturação não se deve a uma dupla ligação, mas a um anel ou ciclo. É por isso que são considerados isômeros de alcenos.

Estes são formados quando alcanos lineares se unem às extremidades de suas cadeias para criar uma estrutura fechada. Tal como acontece com os alcanos, os cicloalcanos podem apresentar diferentes tamanhos, massas moleculares, substituições ou mesmo sistemas compostos por mais de um anel (policíclico).

Caso contrário, eles são quimicamente e fisicamente semelhantes aos alcanos. Eles têm apenas carbonos e hidrogênios, são moléculas neutras e, portanto, interagem por meio de forças de Van der Walls. Eles também servem como combustíveis, liberando calor quando queimam na presença de oxigênio.

Por que os cicloalcanos são mais instáveis do que seus equivalentes de cadeia aberta? O motivo pode ser suspeitado observando-se de um olho de pássaro os exemplos de cicloalcanos representados na imagem acima: existem tensões e impedimentos estéricos (espaciais).

Observe que quanto menos carbonos houver (listados em azul), mais fechada será a estrutura; e o contrário ocorre quando aumentam, tornando-se como um colar.

Os pequenos cicloalcanos são gasosos e, à medida que seus tamanhos aumentam, também aumentam suas forças intermoleculares. Conseqüentemente, eles podem ser líquidos capazes de dissolver gorduras e moléculas apolares, lubrificantes ou sólidos que apresentam cores escuras e qualidades como as do asfalto.

Propriedades físicas e químicas

Polaridade

Por ser composto apenas de carbonos e hidrogênios, átomos que não diferem muito em eletronegatividade, torna as moléculas do cicloalcano apolares e, portanto, carecem de momento dipolar.

Eles não podem interagir por meio de forças dipolo-dipolo, mas dependem especificamente das forças de Londres, que são fracas, mas aumentam com a massa molecular. É por isso que os pequenos cicloalcanos (com menos de cinco carbonos) são gasosos.

Interações intermoleculares

Por outro lado, por serem anéis, os cicloalcanos possuem uma área de contato maior, o que favorece as forças de London entre suas moléculas. Assim, eles se agrupam e interagem melhor em relação aos alcanos; e, portanto, seus pontos de ebulição e fusão são mais elevados.

Além disso, uma vez que eles têm dois átomos de hidrogênio a menos (C_nH_2n para cicloalcanos e C_nH_{2n + 2} para alcanos), eles são mais leves; e somando-se a isso o fato de sua maior área de contato, o volume ocupado por suas moléculas diminui e, portanto, elas são mais densas.

Saturação

Por que os cicloalcanos são classificados como hidrocarbonetos saturados? Porque eles não têm como incorporar uma molécula de hidrogênio; a menos que o anel seja aberto, caso em que eles se tornariam alcanos simples. Para um hidrocarboneto ser considerado saturado, ele deve ter o número máximo possível de ligações C-H.

Estabilidade

Quimicamente, eles são muito semelhantes aos alcanos. Ambos têm ligações C-C e C-H, que não são tão fáceis de quebrar para dar origem a outros produtos. No entanto, suas estabilidades relativas diferem, o que pode ser verificado experimentalmente medindo seus calores de combustão (ΔH_pente).

Por exemplo, ao comparar o ΔH_pentepara propano e ciclopropano (representados por um triângulo na imagem), tem 527,4 kcal / mol e 498,9 kcal / mol, respectivamente.

O detalhe é que o ciclopropano, baseado nos calores de combustão dos alcanos, deve ter um ΔH_pente inferior (471 kcal / mol) porque são três grupos metileno, CH₂; mas, na realidade, ele libera mais calor, refletindo uma instabilidade maior do que a estimada. Esse excesso de energia é então considerado devido às tensões dentro do anel.

E, de fato, essas tensões governam e diferenciam a reatividade ou estabilidade dos cicloalcanos, em relação aos alcanos, contra reações específicas. Desde que as tensões não sejam muito altas, os cicloalcanos tendem a ser mais estáveis do que seus respectivos alcanos.

Nomenclatura

A nomenclatura IUPAC para cicloalcanos não difere muito daquela para alcanos. A regra mais simples de todas é prefixar cicloalcano ao nome do alcano a partir do qual o cicloalcano é formado.

Assim, por exemplo, a partir de n-hexano, CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃, você obtém ciclohexano (representado por um hexágono na primeira imagem). O mesmo acontece com ciclopropano, ciclobutano, etc.

No entanto, esses compostos podem sofrer substituições de um de seus hidrogênios. Quando o número de carbonos no anel é maior do que o dos substituintes alquil, o anel é considerado como a cadeia principal; este é o caso de a) para a imagem acima.

Observe que em a) o ciclobutano (o quadrado) tem mais carbonos do que o grupo propila a ele ligado; então, este composto é denominado propilciclobutano.

Se houver mais de um substituinte, eles devem ser nomeados em ordem alfabética e de forma que tenham o menor número possível de números localizadores. Por exemplo, b) é chamado de: 1-bromo-4-fluoro-2-butilcicloheptano (e não 1-bromo-5-fluoro-7-butilcicloheptano, o que seria incorreto).

E, finalmente, quando o substituinte alquil tem mais carbonos do que o anel, este último é então considerado o grupo substituinte da cadeia principal. Assim, c) é denominado: 4-ciclohexilnonano.

Estrutura

Deixando de lado os cicloalcanos substituídos, é conveniente focar apenas em suas bases estruturais: os anéis. Eles foram retratados na primeira imagem.

Observá-los pode levar à falsa idéia de que tais moléculas são planas; mas com exceção do ciclopropano, suas superfícies estão em "ziguezague", com carbonos subindo ou descendo em relação ao mesmo plano.

Isso ocorre porque todos os carbonos são hibridizados sp para começar.³, e portanto apresentam geometrias tetraédricas com ângulos de ligação de 109,5º. Mas, se a geometria dos anéis for cuidadosamente observada, é impossível que seus ângulos sejam estes; por exemplo, os ângulos dentro do triângulo de ciclopropano são 60º.

Isso é conhecido como tensão angular. Quanto maiores os anéis, o ângulo entre as ligações C-C é mais próximo de 109,5 °, o que provoca uma diminuição na referida tensão e um aumento na estabilidade do cicloalcano.

Outro exemplo é observado no ciclobutano, cujos ângulos de ligação são de 90º. No ciclopentano, seus ângulos são de 108º, e no ciclohexano diz-se que a tensão angular deixa de exercer um efeito desestabilizador tão acentuado.

Conformações

Além do estresse angular, existem outros fatores que contribuem para o estresse experimentado pelos cicloalcanos.

As ligações C-C não podem simplesmente girar, pois isso implicaria que toda a estrutura “tremeria”. Assim, essas moléculas podem adotar conformações espaciais muito bem definidas. O objetivo desses movimentos é reduzir as tensões causadas pelo eclipse dos átomos de hidrogênio; isto é, quando eles estão opostos um ao outro.

Por exemplo, as conformações do ciclobutano se assemelham a uma borboleta batendo as asas; aqueles do ciclopentano, um envelope; as do ciclohexano, um barco ou cadeira, e quanto maior o anel, maior o número e as formas que podem assumir no espaço.

A imagem superior mostra um exemplo de tais conformações para o ciclohexano. Observe que o suposto hexágono plano realmente se parece mais com uma cadeira (à esquerda da imagem) ou um barco (à direita). Um hidrogênio é representado por uma letra vermelha e outro por uma letra azul, para indicar como suas posições relativas mudam após as inversões.

Em (1), quando o hidrogênio está perpendicular ao plano do anel, diz-se que está na posição axial; e quando é paralelo a ele, diz-se que está na posição equatorial.

Reações

As reações que os cicloalcanos podem sofrer são as mesmas que para os alcanos. Ambos queimam na presença de excesso de oxigênio em reações típicas de combustão para produzir dióxido de carbono e água. Da mesma forma, ambos podem sofrer halogenações, nas quais um hidrogênio é substituído por um átomo de halogênio (F, Cl, Br, I).

As reações de combustão e halogenação para o ciclopentano são mostradas a título de exemplo acima. Um mol dele queima na presença de calor e 7,5 moles de oxigênio molecular para se decompor em CO₂ e H₂O. Por outro lado, na presença de radiação ultravioleta e bromo, ele substitui um H por um Br, liberando uma molécula gasosa de HBr.

Formulários

O uso de cicloalcanos é altamente dependente de seu número de carbono. Os mais leves e, portanto, gasosos, já foram usados para alimentar as lâmpadas a gás da iluminação pública.

Os líquidos, por sua vez, têm utilidade como solventes para óleos, gorduras ou produtos comerciais de natureza apolar. Entre estes, podem ser mencionados o ciclopentano, o ciclohexano e o cicloheptano. Eles também são usados com muita frequência em operações de rotina em laboratórios de petróleo, ou na formulação de combustíveis.

Se forem mais pesados, podem ser usados como lubrificantes. Por outro lado, também podem representar a matéria-prima para a síntese de fármacos; como a carboplatina, que inclui um anel de ciclobutano em sua estrutura.

Exemplos de cicloalcanos

Finalmente, voltamos ao início do artigo: a imagem com vários cicloalcanos não substituídos.

Para memorizar cicloalcanos, basta pensar nas figuras geométricas: triângulo (ciclopropano), quadrado (ciclobutano), pentágono (ciclopentano), hexágono (ciclohexano), heptágono (cicloheptano), decágono (ciclodecano), pentadecágono (ciclopentadecano) e assim por diante .

Quanto maior o anel, menos se assemelha à sua respectiva figura geométrica. Já foi visto que o ciclohexano é tudo menos um hexágono; o mesmo é mais evidente com o ciclotetradecano (quatorze carbonos).

Chega um ponto em que eles vão se comportar como colares que podem ser dobrados para minimizar o estresse de seus elos e eclipsar.

Referências

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