Lọc hóa dầu K51_MDA_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 mặt năng lượng

 Tên gọi của các Spiran gồm các bộ phận hợp thành theo trình

tự sau:

“Spiro” + [số chỉ số lượng cacbon ở mỗi vòng] + tên Ankan tư

ơng ứng với tổng số cacbon tạo vòng ( số ghi từ nhỏ đến lớn)

1

2

3 4

5 6 7

8 9

CH3

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

* Bixicloankan : Là loại 2 vòng có chung nhau 2 cacbon

gọi là cacbon cầu

 Tên gọi:

“Bixiclo” + [các chữ số chỉ số lượng C ở mỗi cầu nối, lớn trước, nhỏ sau] + tên Ankan có số cacbon bằng tổng số cacbon tạo vòng

4

3

2 1

CH37

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

2,6,6-trimetylbixiclo[3,1,1]-2 Đồng phân

 a, Đồng phân cấu tạo

• * Đồng phân mạch cacbon.

Các xicloankan có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về cách thức phân vòng, phân nhánh.

- Monoxicloankan có các đồng phân về cỡ vòng hoặc sự

phân nhánh

• Ví dụ:

+ §ång ph©n vÒ sè c¹nh:

+ §ång ph©n vÒ vÞ trÝ nhãm thÕ:

+ §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:

(Spiro[4,5]decan ) ( Bixiclo[4,4,0] decan )

* Đồng phân nhóm chức

 Monoxicloankan và Anken đều có công thức phân tử

là CnH2n, nhưng trong monoxicloankan chỉ có liên kết C-C tạo vòng còn ở Anken thì có một liên kết C=C đư

ợc coi là nhóm chức Chúng là các đồng phân nhóm chức của nhau Độ không no đều bằng 1

 Các xicloankan chứa 2 vòng, các đien và các ankin

đều có công thức chung là CnH2n-2, độ không no bằng

2, chúng là các đồng phân cấu tạo thuộc loại đồng

phân nhóm chức

b, Đồng phân lập thể

Các xicloankan có thể có đồng phân hình học và quang học, chúng có liên quan mật thiết với nhau và với cấu

dạng của vòng.

Ta xét các trường hợp sau:

 Đồng phân nào có yếu tố không trùng vật - ảnh thì lại có

thêm đối quang của mình

* Các vòng 6 cạnh dạng ghế : các nhóm thế có thể

nối với vòng bởi liên kết a hoặc liên kết e.

Vì vậy tùy thuộc vào vị trí tương đối của chúng mà

có những đồng phân hình học và đồng phân quang học khác nhau

a

e

e a

a

e a

e

a e

Liên kết a và liên kết e

Ví dụ: trường hợp đồng phân cis và trans của

1,2-đimetylxiclohexan:

nhau; nhưng dạng ee bền hơn

CH3H

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 nhưng hai dạng này bền tương đương:

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 được một dạng đồng nhất với nó và đối xứng với dạng kia qua gương.

* Ngoài ra vòng 6 cạnh còn có cấu trúc dạng thuyền ; tuy

nhiên dạng này không bền do một số nguyên tử H bị che khuất.

II, Cấu trúc và tính chất vật lý

1. Cấu trúc.

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 109,5 0 Trên

thực tế sự xen phủ cac obitan nằm

ngoài trục C-C, vì thế liên kết này

b, Xiclobutan:

 Tương tự như xiclopropan, sự sai khác giữa góc lai

hóa tứ diện (109,50) và góc vuông phẳng là khá lớn, vì thế sự xen phủ giữa các obitan sp3 để tạo vòng

xiclobutan là kém hiệu quả Liên kết ở C-C ở

xiclobutan cũng thuộc loại liên kết hình quả chuối nên kém bền

 Nếu vòng xiclobutan là tuyệt đối phẳng 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 đường chéo thì làm giảm được lực đẩy tĩnh điện giữa các obitan

nhưng lại làm tăng sức căng góc

* Vì vậy xiclobutan luôn ở trạng thái biến đổi trạng

thái biến đổi giữa các dạng gập gẫy ( tương đương nhau) qua dạng phẳng.

H

H

* Tuy nhiên sự gập gãy so với mặt phẳng là ít, hàng rào năng lượng 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 1800 gần trùng với góc lai hóa Tuy không

có sức căng góc nhưng 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.

e) Các Xicloankan khác (CH2)n

 Các xicloankan với n > 6 tồn tại dưới dạng gãy gập sao cho giảm được sức căng góc, giảm được lực đẩy giữa các liên kết C-H để đạt được cực tiểu về năng lượng.

 Ví Dụ :

Xicloheptan Xiclooctan Xiclononan

* Các Xicloankan với 7 n 12 không thể giảm hết ≤ ≤

được mọi sức cang như ở dạng ghế của xiclohexan nên kém bền hơn xiclohexan

* Các xicloankan với n> 12, mọi sức cang hầu như đư

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

g, Polyxicloankan.

+) Loại spiran, hai vòng có chung 1 nguyên tử C, mỗi vòng sẽ có cấu trúc sao cho có lợi nhất về mặt năng lượng Chẳng hạn vòng 6 cạnh ở dạng ghế, vòng 5 cạnh

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 nhiÒu.

cis-§ecalin trans-§ecalin Camphan

CH3

Tetrahedran C4H4 Prisman C6H6 Cuban C8H8

Pentaprisman C10H10 §odecahedran , C20H20 Ademantan , C10H16

2, Tính chất vật lý

a, Tính chất vật lý thông thường

 Các phân tử xicloankan có cấu trúc dạng vòng nên có hình dạng gọn gàng hơn, sắp xếp cũng được 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 tương 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 lư

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 nước và đều

nặng hơn các Ankan có cùng số nguyên tử cacbon

 Tính tan của xicloankan tương tự tính tan của Ankan

Nó là loại ưa dầu mỡ và kị nước, chúng hòa tan các hợp chất mạch vòng tốt hơn Ankan

b, Tính chất phổ.

 Phổ của Xicloankan tương tự như 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 trưng 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 hidrocacbon no, vì thế chúng có những tính chất hóa học tương tự nhau Xicloankan

cũng bị halogen hóa, nitro hóa và sunfoclo hóa trong những điều kiện giống như

ankan Tuy nhiên do cấu trúc mạch vòng nên nó có những nét khác biệt

1 Phản ứng cộng mở vòng 3, 4 cạnh.

 Xiclopropan tham gia phản ứng cộng giống như anken, khi đó vòng bị mở ra thành hợp chất mạch hở:

Br CH

CH CH

Br

Br

I CH CH

CH

HI

+

3 2

5 6 2

2 3

100

, 6

6

0

H C CH

CH CH

H C

+

Xiclobutan có phản ứng cộng chỉ với H2 ở nhiệt độ cao hơn so với xiclopropan

 Các vòng 5 cạnh trở lên không có những phản ứng cộng như trên, chúng chỉ bị hidro hóa mở vòng ở nhiệt độ rất cao

(>500 0 C) khi có mặt xúc tác trong những quá trình

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 6 cạnh bền hơn:

4 Ph¶n øng oxi hãa.

 C¸c xicloankan ch¸y hoµn toµn t¹o thµnh CO2, H2O vµ táa nhiÖt

Q

O nH

CO n

O 2

3

H

Thiêu nhiệt tính cho 1 nhóm CH2 biến đổi theo cỡ vòng

IV Điều chế và ứng dụng.

 1 Điều chế

 a Trong phòng thí nghiệma Trong phòng thí nghiệm: người ta

dùng phản ứng đóng vòng các hợp chất không vòng:

* §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 như xiclopentan, xiclohexan và các dẫn xuất ankyl của chúng là thành phần chính trong dầu mỏ (từ 30% - 60%) Khi chưng cất dầu mỏ người

ta thu được nhiều xicloankan vòng 5,6 cạnh ở phân

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

metylxiclopentan…dùng trong công nghiệp

2 ứng dụng.

 Hidrocabon naphtenic là thành phần rất quan trọng trong nhiên liệu động cơ và dầu nhờn

 Các mônoxicloankan mạch nhánh ngắn do đó có chỉ

số octan cao hơn ankan nên làm tăn chất lượng xăng

 Các monoxicloankan với mạch nhánh dài do khó

đông đặc, chúng có độ nhớt cao và ít bị thay đổi theo nhiệt độ vì vậy được dùng để sản xuất dầu nhờn

 Xiclohexan và metylxiclopentan tách từ dầu mỏ được dùng làm nguyên liệu sản xuất nilon-6 và nilon-6,6

Xiclohexan và đồng đẳng được dùng để sản xuất

Benzen, toluen, xilen, Ngoài ra nó còn được 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

được 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 lượng của các loài có hại

Nhóm Xicloankan methylated tetrahidro

xicloheptan[1,2-c:4,3-c'] dipyrazoles và bezon c:4,3-c']diprazoles còn được dùng như bronchodinator (một hợp chất rất có ích trong việc ngăn cản các tế bào ung thư)

[1,2- 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 được thực hiện để tưởng nhớ tới các nhà khoa học đã hy sinh cống hiến suốt cả cuộc đời

cho sự nghiệp Xicloankan của chúng ta.”

Nhóm 8 lưu bút