هیدروکربنهای آلیفاتیک حلقوی

هیدروکربنهای آلیفاتیک ممکن است دارای حلقه باشند یا بعبارتی هیدروکربنهای آلیفاتیک ممکن است بصورت ترکیبات حلقه دار یا حلقوی باشند. حضور حلقه در آنها با پیشوند سیکلو به معنای حلقه مشخص می شود. ممکن است ترکیب بیش از یک حلقه داشته باشد که در اینصورت تعداد حلقه ها قبل از سیکلو مشخص می شود. بعبارتی ترکیبات با دو حلقه، سه حلقه و ... به ترتیب با پیشوند بیسیکلو، تری سیکلو و ... مشخص می شوند.

در اینجا معمولاً نام دسته ها با ترکیب پیشوندهای تعداد حلقه ها و سیکلو با «آلک» و پسوند مناسب (بعنوان مثال آن برای ترکیبات بدون پیوند پای، اِن برای ترکیبات با پیوند دوگانه کربن– کربن و ...) بدست می آید. بعنوان مثال هیدوکربنهای آلیفاتیکی که دو حلقه و سه پیوند دوگانه دارند، میتوانند بیسیکلو آلکاتری اِن نامیده شوند.

بازای هر حلقه دو هیدروژن از فرمول ترکیب کم می شود. بعنوان مثال بیسیکلوآلکانها چهار اتم هیدروژن از آلکانهای هم کربن کمتر دارند و فرمول عمومی آنها بصورت  است.

دقت داشته باشید که تعداد حلقه های یک ترکیب برابر حداقل تعداد پیوندهایی است که باید شکسته شوند تا ترکیب از حالت حلقوی بطور کامل خارج شود. بعنوان مثال داریم:

در ترکیبات بالا بعنوان نمونه پیوندهایی که بایستی شکسته شوند تا ترکیب از حالت حلقوی خارج شود، با  مشخص شده اند.

سیکلوآلکانها

سیکلوآلکانها را میتوان ساده ترین هیدروکربنهای آلیفاتیک حلقه دار درنظر گرفت. سیکلو آلکانها هیدروکربنهای حلقوی هستند که فقط پیوندهای یگانه دارند (بعبارتی پیوندهای دوگانه یا سه گانه کربن– کربن در آنها نداریم). سیکلو آلکانها (البته اگر دقیقتر بخواهیم بگوئیم مونوسیکلو آلکانها) دو اتم هیدروژن از آلکانهای هم کربن کمتر دارند و فرمول عمومی آنها بصورت  (مشابه آلکنها) است و ایزومرهای ساختاری آلکنها محسوب می شوند. واضح است که در اینجا بایستی  باشد.

ایزومری سیکلوآلکانها

ایزومری ساختاری در سیکلو آلکانها بخاطر تغییر اسکلت کربنی بوجود می آید که تغییر اسکلت کربنی می تواند هم از تغییر اندازه حلقه (تعداد اتمهای کربن سازنده حلقه) و هم از تغییر اسکلت کربنی شاخه های موجود بر روی حلقه ناشی شود. مثال بعدی را در نظر بگیرید.

مثال: ایزومرهای ساختاری سیکلو آلکانها بفرمول  را رسم نمائید.

حل:

*****

در اینجا نیز مشابه آلکنها می توانیم ایزومری هندسی داشته باشیم. ایزومری هندسی در سیکلو آلکانها از ممانعت چرخش حول پیوند بعلت وجود حلقه ناشی می شود. در اینجا نیز اگر دو گروه یکسان در یک طرف حلقه باشند، ایزومر سیس و در غیر اینصورت ترانس نامیده می شود.

مثال: ایزومرهای هندسی ممکن برای سیکلوآلکانها بفرمول  را رسم کنید و سیس یا ترانس بودن آنها را مشخص کنید.

حل:

از بین ایزومرهای ساختاری ممکن برای سیکلوآلکانها بفرمول که در مثال قبلی رسم شده اند، آنهایی که دارای ایزومری هندسی هستند، را درنظر می گیریم. خواهیم داشت:

*****

نامگذاری سیکلوآلکانها

در اغلب اوقات که بخشهای زنجیری سیکلو آلکانها از بخش حلقوی آنها کوچکتر است، بخشهای زنجیری بعنوان استخلاف یا شاخه حلقه اصلی در نظر گرفته می شوند و نام سیکلو آلکان با ترکیب محل و نام شاخه ها با نام سیکلو آلکان بدون شاخه بدست می آید. برای سیکلو آلکانهای بدون شاخه نام بصورت همان سیکلو آلکان است که آلک به تعداد اتمهای کربن سازنده حلقه مربوط می شود. شماره گذاری حلقه بایستی از کربنی در حلقه شروع شود و در جهتی ادامه پیدا کند که به شاخه ها در حد امکان شماره های کوچکتری برسد. در اینجا نیز سیس یا ترانس بودن با پیشوند سیس یا ترانس قبل از نام ترکیب معلوم می شود.

مثال: تمام ایزومرهای ساختاری سیکلو آلکانها بفرمول  را رسم و نامگذاری کنید.

حل:

اتیل سیکلوبوتان	متیل سیکلوپنتان	سیکلوهگزان
-دی متیل سیکلو بوتان	-دی متیل سیکلو بوتان	-دی متیل سیکلو بوتان
1-اتیل-1-متیل سیکلوپروپان	(1-متیل اتیل) سیکلوپروپان	پروپیل سیکلوپروپان
-تری متیل سیکلوپروپان	-تری متیل سیکلوپروپان	1-اتیل-2-متیل سیکلوپروپان

*****

خواص فیزیکی سیکلوآلکانها

خواص فیزیکی سیکلو آلکانها مشابه آلکانهاست. بعلت وجود حلقه در سیکلو آلکانها، دمای ذوب و جوش آنها معمولاً از آلکانهای هم کربن قدری بیشتر است. در آلکانها آزادی حرکت بیشتری وجود دارد و یک سر زنجیر نسبت به سر دیگر آن می تواند تغییر موقعیت بدهد و قرار گرفتن مولکولها در کنار یکدیگر را سخت تر کند، در حالیکه در سیکلوآلکانها بعلت اتصال اتمهای کربن ابتدایی و انتهایی زنجیر بهم و تشکیل حلقه آزادی حرکت کمتری وجود دارد و مولکولهای سیکلو آلکانها برای برقراری تماس و نیروهای بین مولکولی وضعیت مناسب تری دارند و از اینرو دمای ذوب و جوش سیکلو آلکانها بالاتر است.

خواص شیمیایی سیکلوآلکانها

در بررسی خواص شیمیایی سیکلو آلکانها بایستی به ناپایداری موجود در حلقه های کوچک سه عضوی و چهار عضوی توجه داشته باشیم. در حلقه های کوچک سه و چهار عضوی، زاویه اتمهای کربن با هم درون حلقه () از زاویه ایده آل برای آنها (زاویه چهاروجهی یا ) انحراف قابل توجهی دارد و این به اصطلاح کشش حلقه منجر به ناپایداری و افزایش واکنش پذیری این حلقه ها می شود.

در سیکلوپروپان زاویه اتمهای کربن با هم برابر  است که از زاویه ایده آل یعنی  انحراف خیلی زیادی نشان می دهد و از اینرو سیکلوپروپان یا بطور کلی حلقه های سه عضوی بسیار ناپایدار و واکنش پذیرند. سیکلو پروپان براحتی در واکنشهای افزایشی شرکت می کند تا حلقه ناپایدار از بین برود و ترکیب زنجیری پایدار تشکیل شود:

در سیکلوبوتان در صورت هم صفحه بودن اتمهای کربن، زاویه اتمهای کربن با هم برابر  خواهد بود. در عمل بعلت هم صفحه نبودن اتمهای کربن، این زاویه قدری بیشتر از  می شود. اما بهرحال همچنان انحراف قابل توجهی از زاویه ایده آل (البته نه باندازه حلقه های سه عضوی) نشان می دهد. از این رو سیکلوبوتان یا بطور کلی حلقه های چهار عضوی هم ناپایدار و بسیار واکنش پذیر محسوب می شوند، البته شرایط لازم برای انجام واکنشهای افزایشی آنها از حلقه های سه عضوی بعلت ناپایداری کمترشان سختتر است. بعنوان مثال داریم:

در حلقه های پنج عضوی و بالاتر، ترکیب حلقوی با خارج شدن از حالت هم صفحه میتواند زوایای نزدیک یا برابر با زوایای ایده آل بخود بگیرد. بعنوان مثال سیکلو هگزان () می تواند مطابق شکل زیر فرم صندلی بخود بگیرد که در آن زوایا حالت ایده آل خود را دارند:

در نتیجه حلقه های پنج عضوی و بالاتر کشش حلقه ندارند و پایدارند و در واکنشهای افزایشی که منجر به شکستن حلقه می شوند، شرکت نمی کنند. سیکلو آلکانها با حلقه های پنج عضوی و بالاتر از نظر خواص شیمیایی کاملاَ مشابه آلکانها هستند.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||