사이클로알칸

Cycloalkane
시클로부탄 볼앤드스틱 모델

유기 화학에서 사이클로알칸(나프텐이라고도 하지만 [1]나프탈렌과는 구별됨)은 단환 포화 탄화수소입니다.즉, 사이클로알칸은 단일 고리(아마도 사이드 체인 포함)를 포함한 구조로 배열된 수소와 탄소 원자만으로 구성되며, 모든 탄소-탄소 결합은 단일이다.20개 이상의 탄소 원자를 가진 더 큰 사이클로알칸은 전형적으로 사이클로파라핀이라고 불립니다.모든 사이클로알칸은 알케인의 [2]이성질체이다.

사이드 체인이 없는 시클로알케인은 작은(시클로프로판 및 시클로부탄), 일반적인(시클로펜탄, 시클로헥산 및 시클로헵탄), 중간(시클로트라이데칸 ~ 시클로트라이드케인) 및 큰(나머지 모두)으로 분류됩니다.

국제순수응용화학연합(IUPAC)의 이 표준 정의 외에도 일부 저자의 용법에서 사이클로알칸이라는 용어는 다환식 [2]포화 탄화수소를 포함한다.어느 경우든 사이클로알칸의 화학식은 CH이며n2(n+1−r), 여기서 n은 탄소원자수, r은 고리수이다.링이 하나뿐인 사이클로알케인의 더 간단한 형태는 CH입니다n2n.

명명법

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노르보르난(일명 바이클로[2.2.1]헵탄)

구조상 하나의 고리를 가진 사이클로알케인은 주쇄에 있는 탄소 원자의 수가 고리 안에 있는 것과 같은 선형 알케인의 이름 앞에 "cyclo"라는 용어를 붙여서 명명된다.예를 들어 3원환을 포함한 사이클로프로판(CH36)의 이름은 주쇄에 탄소원자가 3개인 알칸인 프로판(CH38)에서 유래한다.

이환식 알칸 및 스피로 알칸과 같은 다환식 알칸의 이름은 더 복잡하며, 기본 이름은 고리 시스템의 탄소 수를 나타내며, 접두사(예: "bicclo-")는 링의 각 부분에 있는 탄소 수를 나타내며, 그 앞에 숫자 접두사는 접합부의 배타적 특성을 나타낸다.예를 들어 공유 가장자리를 형성하는 인접한 2개의 탄소 원자를 공유하는 6원환과 4원환으로 이루어진 바이시클로옥탄은 [4.2.0]-바이시클로옥탄이다.6원환의 공유 가장자리를 제외한 부분에는 4개의 탄소가 있다.4원 고리 중 공유 가장자리를 제외한 부분은 2개의 탄소를 가지고 있다.엣지 자체는 그것을 정의하는 두 개의 정점을 제외하고 0개의 탄소를 가지고 있습니다.

화합물 명명에는 여러 가지 규칙(방법 또는 명명법)이 있는데, 이는 이제 막 배우는 사람들에게는 혼란스러울 수 있고 오래된 방식으로 잘 연구된 사람들에게는 불편할 수 있습니다.초보자용 IUPAC 명명법은 항상 개정되고 있기 때문에 최신 소스로부터 배우는 것이 가장 좋습니다.위의 예에서 [4.2.0]-비시클로옥탄은 IUPAC 명명 규칙에 적합하도록 byclo [4.2.0]옥탄으로 표기됩니다.그리고 염소나 메틸기와 같은 분자에 대한 다른 부착의 세부사항을 포함할 필요가 있는 경우 추가 숫자 접두사를 사용할 여지가 있다.화합물의 이름을 붙이는 또 다른 규칙은 일반적인 이름인데, 이것은 약칭이고 화합물에 대한 정보를 적게 준다.일반적인 이름의 예로는 테르피네올이 있는데, 테르피네올의 이름은 그것이 알코올이라는 것(접미사 "-ol"이 이름에 있기 때문에)만 알려줄 수 있고, 그 후에 수산화기(-OH)가 붙어야 합니다.

IUPAC 방법의 예는 인접한 화상에 제시되어 있다.이 예에서는 공유 가장자리를 구성하는 탄소(예를 들어 "헵타-" 또는 7개의 탄소라는 뜻의 "헵탄"과 탄소 간의 단일 결합만을 나타내는 "아네")를 포함한 양쪽 고리의 총 탄소 수를 나타내는 기본 이름이 먼저 나열되어 있습니다.그리고 기본 이름 앞에는 숫자 접두사가 있는데, 이것은 각 링에서 공유되는 탄소를 제외한 각 링의 탄소의 수와 링 사이의 브리지의 탄소의 수를 나열합니다.이 경우, 2개의 탄소가 있는 2개의 링과 1개의 탄소가 있는 단일 브릿지가 있으며, 이 링과 나머지 2개의 링은 제외된다.총 3개의 숫자가 있으며 점으로 구분된 내림차순으로 나열되어 있습니다. [2.2.1].

숫자 프리픽스 앞에는 호출음 수를 나타내는 다른 프리픽스(예: "bicyclo-")가 있습니다.따라서 이름은 바이클로[2.2.1]헵탄입니다.

사이클로알칸의 그룹은 나프텐으로도 알려져 있다.

특성.

사이클로알칸 표

알칸 공식 비등점 [°C] 녹는점 [°C] 액체 밀도 [g·cm−3] (20°C에서)
사이클로프로판 C3H6 −33 −128
사이클로부탄 C4H8 12.5 −91 0.720
사이클로펜탄 C5H10 49.2 −93.9 0.751
사이클로헥산 C6H12 80.7 6.5 0.778
사이클로헵탄 C7H14 118.4 −12 0.811
시클로옥탄 C8H16 149 14.6 0.834
사이클로노난 C9H18 169 10-11 0.8534
사이클로데칸 C10H20 201 9-10 0.871

사이클로알칸은 일반적인 물리적 특성에서 알칸과 유사하지만, 알칸보다 끓는점, 녹는점, 밀도가 높습니다.이것은 링 모양이 더 넓은 접촉 영역을 허용하기 때문에 런던의 힘이 더 강하기 때문입니다.C-C 결합과 C-H 결합만을 포함하고 있어 고리 변형(아래 참조)이 거의 또는 전혀 없는 사이클로알칸의 비활성성은 비사이클릭 알칸과 유사하다.

구성 및 링 변형률

주요 기사:변형률(화학)

사이클로알칸에서 탄소 원자는 sp 하이브리드가 이루어지며3, 이는 가능한 한 이상적인 사면체 결합 각도가 109°28º임을 의미한다.명확한 기하학적 이유로 인해, 3, 4, 그리고 (약간은) 5개의 원자를 가진 고리는 더 좁은 각도만 제공할 수 있다. 따라서 이상적인 사면체 결합 각도로부터의 편차는 위치 에너지의 증가와 전체적인 불안정 효과를 야기한다.수소 원자의 일식은 또한 중요한 불안정 효과이다.시클로알칸의 변형 에너지는 화합물의 기하학적 형상에 의한 에너지의 증가이며, 시클로알칸의 연소 시 실험표준 엔탈피 변화를 평균 결합 에너지를 사용하여 산출한 값과 비교하여 산출한다.분자역학 계산은 특히 [3]: 16–23 중환에서 발생하는 많은 구성을 식별하는데 매우 적합합니다.

고리 변형률은 탄소 원자가 삼각형을 이루고 따라서 60°C–C–C 결합 각도를 갖는 사이클로프로판의 경우 가장 높다.또한 세 쌍의 일식 수소가 있다.링 스트레인은 약 120 kJ−1 mol로 계산됩니다.

사이클로부탄은 약 90°의 결합각을 가진 주름진 정사각형에 탄소 원자를 가지고 있다; "퍼커링"은 수소 원자 사이의 일식 상호작용을 감소시킨다.따라서 링 변형률은 약 110kJ−1 mol로 약간 낮습니다.

이론적인 평면 사이클로펜탄의 경우 C–C–C 결합 각도는 108°로 사면체 각도 측정에 매우 근접할 것이다.실제 사이클로펜탄 분자는 구부러져 있지만, 이는 결합각도가 약간 바뀌어 각도 변형률이 상대적으로 작습니다.일식 상호작용도 감소하여 약 25 kJ−1 [4]몰의 고리 변형률을 남긴다.

사이클로헥산에서는 링의 퍽킹이 이상적인 사면체 결합각을 달성할 수 있기 때문에 링 변형과 일식 상호작용은 무시할 수 있다.시클로헥산의 가장 안정적인 의자 형태에서는 인접한 탄소 원자의 축방향 수소가 반대 방향을 가리키며 사실상 일식 변형을 제거한다.각도 왜곡이 최소화된 중간 크기 고리(7~13개의 탄소 원자) 구성에서는 환형 변형 또는 피처 변형을 생성한다.이러한 링 크기에서는 이러한 변형원 중 하나 이상이 존재해야 하며, 그 결과 변형 에너지가 증가하여 9개의 탄소(약 50 kJ−1 mol)에서 최대가 됩니다.그 후, 변형 에너지는 서서히 감소해 12개의 탄소 원자가 현저하게 감소합니다.14에서 또 다른 현저한 저하가 발생하여 변형률은 10kJ−1 몰과 동등한 수준이 됩니다.큰 링 크기에서는 다이아몬드 [3]격자에 대응하는 접근 가능한 구조가 많기 때문에 변형률이 거의 또는 전혀 없습니다.

링 스트레인은 바이사이클식 시스템에서 상당히 높을 수 있습니다.예를 들어, 바이클로부탄(CH)은46 대규모로 분리 가능한 가장 변형된 화합물 중 하나로 알려져 있으며 변형 에너지는 267 kJ−1 [5][6]mol로 추정됩니다.

반응

단순하고 큰 사이클로알칸은 알칸처럼 매우 안정적이며, 그 반응, 예를 들어 래디칼 연쇄반응은 알칸과 같습니다.

소형 사이클로알케인(특히 사이클로프로판)은 배이어 변형과 링 변형으로 인해 안정성이 떨어집니다.그들은 친전자성 첨가에서는 반응하지 않지만, 친핵성 지방족 치환에서는 반응한다.이러한 반응은 알킬 사이클로알칸의 고리 개방 반응 또는 고리 분해 반응이다.사이클로알칸은 Diels-Alder 반응 후 촉매 수소화 반응으로 형성될 수 있다.중간 고리는 예를 들어 친핵성 치환 반응에서 더 큰 속도를 나타내지만 케톤 환원 반응에서는 더 작은 속도를 보인다.이는 sp-상태에서3 sp-상태로2 또는 그 반대로 변환되고 포화 링에서 불리한 비틀림 변형률의 일부가 완화되는 중간 링의 sp-상태에2 대한 선호 때문이다.sp-상태와3 sp-상태2 사이의 변형 에너지 차이 SI의 분자역학 계산은 많은 산화환원 또는 치환 [7]반응의 속도(logk)와 선형 상관관계를 보여준다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ IUPAC, 화학 용어집, 제2판('골드북') (1997).온라인 수정판 : (2014) "Cycloalkane" . doi : 10 . 1351 / goldbook . C01497
  2. ^ a b "Alkanes & Cycloalkanes". www2.chemistry.msu.edu. Retrieved 2022-02-20.
  3. ^ a b Dragojlovic, Veljko (2015). "Conformational analysis of cycloalkanes" (PDF). Chemtexts. 1 (3). doi:10.1007/s40828-015-0014-0. S2CID 94348487.
  4. ^ McMurry, John (2000). Organic chemistry (5th ed.). Pacific Grove, CA: Brooks/Cole. p. 126. ISBN 0534373674.
  5. ^ Wiberg, K. B. (1968). "Small Ring Bicyclo[n.m.0]alkanes". In Hart, H.; Karabatsos, G. J. (eds.). Advances in Alicyclic Chemistry. Vol. 2. Academic Press. pp. 185–254. ISBN 9781483224213.
  6. ^ Wiberg, K. B.; Lampman, G. M.; Ciula, R. P.; Connor, D. S.; Schertler, P.; Lavanish, J. (1965). "Bicyclo[1.1.0]butane". Tetrahedron. 21 (10): 2749–2769. doi:10.1016/S0040-4020(01)98361-9.
  7. ^ 슈나이더, H.-J.; 슈미트, G.;토마스 F. J. 암화학, Soc, 1983, 105, 3556.https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja00349a031

외부 링크