Struktura

Stereochemie cykloalkanů

Stereochemie cykloalkanů

Cykloalkany jsou méně flexibilní (ohebné) než jejich protějšky s přímým řetězcem, alkany. Zatímco v lineárních molekulách je možná rotace kolem jednoduchých vazeb uhlík – uhlík, rotace kolem jednoduchých vazeb v cykloalkanech je značně omezena. Například v ethanu dochází k volné rotaci kolem vazby C–C a tím se neustále mění prostorový vztah atomů vodíku na jednom atomu uhlíku vůči atomům vodíku na druhém atomu uhlíku.

Tab. 1: Konformace ethanu

obrazek

Na rozdíl od volné rotace kolem jednoduchých vazeb v lineárních alkanech mají cykloalkany volnosti mnohem méně.

 

Cyklopropan

Kruh cyklopropanu je rovinný a napjatý. Toto napětí (také nazývané Baeyerovo pnutí) je příčinou zvýšené reaktivity cyklopropanu v porovnání s alkany. Rotace kolem vazeb uhlík – uhlík není bez otevření kruhu možná.

obrazek

Cyklobutan

Cyklobutan již nemá zcela planární kruh, ale je poněkud přehnutý, jak je vidět z obrázku. Cyklobutan má také napjatý kruh, ale jeho reaktivita je podstatně nižší než u cyklopropanu. U struktury cyklobutanu existuje následující rychlá rovnováha, při níž se struktury rychle překlápí jedna v druhou.

obrazek

Cyklopentan

Cyklopentan zaujímá strukturu připomínající otevřenou dopisní obálku (I) a často se kreslí způsobem (II). Cyklopentan má ještě menší napětí kruhu než cyklobutan a jeho vnitřní úhel (108o) je blízký vazebnému úhlu atomu uhlíku v hybridním stavu sp3. Jeho reaktivita se podobá reaktivitě necyklických alkanů.

obrazek

Cyklohexan

Cyklohexan patří mezi nejstálejší cykloalkany, protože zaujímá takové uspořádání, které nemá žádné napětí kruhu. Cyklohexanový kruh totiž není plochý, nýbrž jeho tvar je lomený.

Cyklohexanové kruhy mohou zaujímat více konformací: židličkovou, zkříženou a vaničkovou.

Tab. 2: Konformace cyklohexanu

obrazek

Název židličková konformace je odvozen od podobnosti se židličkou s opěradlem a podnožkou. Tato konformace je stabilnější, protože je energeticky nejchudší; a za normálních podmínek zaujímá víc než je 99% molekul cyklohexanu právě konformaci židličkovou.

obrazek

Židličková struktura má celkem dva typy vazeb: axiální a ekvatoriální. Axiální vazby míří nahoru a dolů, jsou kolmé k rovině kruhu, po jedné na každém uhlíku. Ekvatoriální vazby leží v rovině kruhu (po obvodu kruhu), také po jedné na každém uhlíku. Každý atom uhlíku má proto jeden axiální a jeden ekvatoriální atom vodíku.

obrazek

Protože má židličková konformace cyklohexanu dva typy vazeb, může i židlička existovat ve dvou izomerních formách, které za normální teploty rychle přecházejí jedna v druhou:

obrazek

 

Kromě židličkové konformace cyklohexanu existuje ještě další jeho konformace, známá jako konformace vaničková. Tato konformace je mnohem méně stabilní než konformace židličková, neboť mezi atomy vodíku na prvním a čtvrtém uhlíku dochází ke stérickému pnutí.

obrazek

 

Přechodová konformace, jíž musí molekula cyklohexanu projít při přeměně jedné židličkové konformace v druhou nebo v konformaci vaničkovou, se nazývá zkřížená konformace (angl. twisted).

obrazek

Geometrická izomerie

V důsledku cyklické struktury mají cykloalkany dvě strany, „horní“ a „dolní“, proto se u substituovaných cykloalkanů běžně setkáváme s geometrickými izomery, které označujeme jako izomery cis-trans. Označování cis a trans již v současnosti nevyhovuje a nahrazuje se tzv. E/Z konvencí.

Izomer Zoba substituenty na stejné straně roviny kruhu, E izomersubstituenty na opačných stranách roviny kruhu. Příkladem může být 1,2-dimethylcyklopropan, kdy jeden izomer má oba methyly na stejné straně kruhu, zatímco druhý je má na stranách opačných. Oba izomery jsou stabilními sloučeninami a nemohou být jeden na druhý převedeny, aniž by se přitom neštěpily a opět nevznikaly chemické vazby.

obrazek

Zdroje

  • FIKR, Jaroslav a Jaroslav KAHOVEC. Názvosloví organické chemie. Olomouc: Rubico, 2002, ISBN 80-7346-017-3.
  • HONZA, Jaroslav a Aleš MAREČEK. Chemie pro čtyřletá gymnázia 2. díl. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2005, ISBN 80-7182-141-1.
  • JANECZKOVÁ, Anna a Pavel KLOUDA. Organická chemie. Ostrava: Nakladatelství Pavel Klouda, 1998, ISBN 80-902155-6-4/9802.
  • KOTLÍK, Bohumír a Květoslava RŮŽIČKOVÁ. Chemie v kostce II.. Havlíčkův Brod: Fragment, 1997, ISBN 80-7200-342-9.
  • PACÁK, Josef. Jak porozumět organické chemii. Praha: Karolinum, 1997, ISBN 80-7184-261-3.
  • SVOBODA, Jiří a kol. Organická chemie I. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická, 2005, ISBN 80-7080-561-7.

 

Pokud není uvedeno jinak, autorem obrázků a animací je Mgr. Michal Bezděk.

Čti také

Stereochemie

Stereochemie se zabývá popisem prostorové stavby molekul a souvislostmi mezi prostorovou stavbou  a  vlastnostmi  molekul.

 

Konformace

Konformací nazýváme různá prostorové uspořádání atomů jedné sloučeniny, která vyplývají z rotace kolem jednoduchých vazeb. Konformační izomer (konformer) je jedna konkrétní konformace, jeden konformer může přejít na druhý, aniž by došlo k přerušení vazby. 

Úkol

Zopakuj si konformace butanu.

Čti také

Prostorové uspořádání cykloalkanů je výsledkem působení především těchto sil:

  • úhlového (Baeyerova) pnutí - je způsobeno deformací vazebných úhlů (vynuceným zvětšením nebo zmenšením vazebných úhlů),
  • torzního (Pitzerova) pnutí - je způsobeno zákrytovým uspořádáním vazeb,
  • stérického pnutí - je vyvoláno odpudivými interakcemi mezi atomy, které se k sobě přiblíží příliš blízko.

Obrázek

Content ethan z k

Zákrytová konformace ethanu

Obrázek

Content ethan nez k

Nezákrytová konformace ethanu

Obrázek

Content prop

3D model cyklopropanu

Obrázek

Content but

3D model cyklobutanu

Obrázek

Content pent

3D model cyklopentanu

Obrázek

Content  idle

Židličková konformace cyklohexanu

Obrázek

Content vana

Vaničková konformace cyklohexanu

Čti také

Monosubstituované cyklohexany

Obsahuje-li molekula cyklohexanu jeden substituent, např. methyl, pak je tento substituent vždy poután k cyklu ekvatoriální vazbou. Kdyby totiž měla vzniknout molekula cyklohexanu s axiálně vázaným substituentem, okamžitě by se díky vnitřní rotaci přeměnila v jinou židličkovou konformaci, v níž by byl substituent poután ekvatoriálně.

Tip

Adamantan

Molekula adamantanu je složena ze tří šestičlenných cyklů uzamčených v židličkové konformaci. Adamantan je proto nejstabilnější ze všech uhlovodíků o složení C10H16Vyhledej strukturu adamantanu a nějaké informace o něm.

 

Steroidy

Šestičlenné cykly najdeme v přírodě např. ve struktuře většiny steroidů. Vyhledej látku, která je základem struktury steroidů.

Obrázek

Content dimethylcyklop2

(Z)-1,2-dimethylcyklopropan

Obrázek

Content dimethylcyklop1

(E)-1,2-dimethylcyklopropan

Procvič si

Vytvořte geometrické izomery:

  1. 1,2-dimethylcyklobutan
  2. 1,3-dimethylcyklobutan

 

Úkol

I u cykloalkanů se můžeme setkat s konstituční izomerií

Vytvořte konstituční izomery cykloalkanů se sumárním vzorcem C4H8 a pojmenujte je.

Logolink