دربالألكانات الحلقية بالعربي: التسمية، نظرية باير، الكرسي والقارب، التحضير وفتح الحلقة
الألكان الحلقي ألكان مسكّر على نفسه، صيغته CₙH₂ₙ وكل روابطه أحادية. بس حجم الحلقة يغيّر كل شي: الحلقات الصغيرة زواياها مضغوطة فتخزّن إجهاد وتنفتح بسهولة مثل الألكينات، والحلقة السداسية تنطوي لشكل الكرسي وتصير بلا إجهاد. في هذي المحاضرة تتعلم التسمية والثبات ونظرية باير وطرق التحضير والتفاعلات، مع أدوات تفاعلية تسمّي الحلقات وتحسب الإجهاد وتعرض الكرسي والقارب ثلاثي الأبعاد.
وش راح تتعلم في المحاضرة 7؟
1التعريف والتسمية
- الألكانات الحلقية هيدروكربونات أليفاتية مشبعة صيغتها CₙH₂ₙ، وتُسمّى أليسايكلية أو كربوسايكلية، وترسم كمضلعات.
- الحلقة هي الأصل إلا إذا كانت سلسلة الألكيل أطول منها، فتصير الحلقة تفرع cycloalkyl.
- نرقّم من كربون عليه تفرع باتجاه أصغر أرقام، وعند التعادل أبجديًا. وفي الألكين الحلقي الرابطة الثنائية تاخذ 1 و 2.
2تشكل cis/trans والخواص الفيزيائية
- الحلقة لها وجهين: cis التفرعين على نفس الوجه، و trans على وجهين متعاكسين.
- درجات الغليان والانصهار أعلى من الألكانات المستقيمة، وهي أكثف شوي وأقل تطايرًا.
- غير قطبية: ما تذوب في الماء وتذوب في الإيثر والبنزين، وتحترق إلى CO₂ و H₂O.
3الثبات وحرارة الاحتراق
- حرارة الاحتراق: الحرارة الناتجة من حرق مول واحد احتراق كامل، والأعلى لكل CH₂ يعني أقل ثباتًا.
- نقارن لكل CH₂ لأن عدد مجموعات CH₂ يختلف، والمرجع بدون إجهاد 658.6 kJ/mol لكل CH₂.
- طاقة الإجهاد: cyclopropane 115.2 و cyclobutane 109.6 و cyclopentane 27.0 و cyclohexane 0.4 kJ/mol.
4نظرية باير وتشكلات الحلقة
- نظرية باير (1885): الانحراف عن 109.5° يسبب إجهاد زاوية، و d = ½(109°28′ − α).
- تنجح مع الحلقات الصغيرة وتفشل مع cyclohexane لأنه مو مستوي.
- الكرسي أثبت تشكل بلا إجهاد، والقارب فيه إجهاد فراغي (السارية) وإجهاد التوائي (هيدروجينات متطابقة).
5تحضير الألكانات الحلقية
- نزع الهالوجين من α,ω-ثنائي الهاليد بالزنك أو الصوديوم.
- الهدرجة الحفزية للألكينات الحلقية، واختزال كليمنسن للكيتونات الحلقية بـ Zn(Hg)/HCl.
- تفاعل ديلز-ألدر يعطي حلقة سداسية، وتفاعل سيمونز-سميث (CH₂I₂ + Zn-Cu) يعطي حلقي البروبان.
6التفاعلات الكيميائية
- كل الألكانات الحلقية تسوي استبدال: هلجنة بالجذور الحرة وسلفنة بالأوليوم.
- cyclopropane و cyclobutane تنفتح حلقتهم مع Br₂ و HBr و H₂/Ni (80 و 120°C)، و cyclopentane يحتاج 300°C.
- حلقي البروبان المستبدل ينفتح مع HBr حسب ماركوفنيكوف، مثل methylcyclopropane ← 2-bromobutane.
جرّب 5 أسئلة من بنك المدرب
أمثلة من أسئلة المحاضرة. اضغط على السؤال عشان تشوف الإجابة والتفسير.
1. الصيغة العامة للألكانات الحلقية:
- CₙH₂ₙ₊₂
- CₙH₂ₙ ✓
- CₙH₂ₙ₋₂
- CₙHₙ
تسكير الحلقة يشيل ذرتين H من الألكان المفتوح.
2. ليش درجة انصهار cyclohexane (6.5°C) أعلى بكثير من hexane (−95°C)؟
- لأنه قطبي
- لأن الحلقة جزيء متماسك ومتماثل يترتّب في البلورة بسهولة ✓
- لأنه يكوّن روابط هيدروجينية
- لأن كتلته أكبر بكثير
الحلقة صلبة ومتماثلة فتتراص أحسن من السلسلة المرنة.
3. حرارة احتراق أعلى لكل CH₂ تعني إن الحلقة:
- أكثر ثباتًا
- أقل ثباتًا (طاقة مخزّنة أكثر) ✓
- ما فيها إجهاد
- أكبر حجمًا
الطاقة الزايدة اللي تطلع هي طاقة الإجهاد المخزّنة.
4. انحراف باير لكل رابطة في cyclopropane:
- 49°28′
- 24°44′ ✓
- 9°44′
- 0°44′
½(109°28′ − 60°) = ½ × 49°28′ = 24°44′.
5. صح أم خطأ: cyclohexane ينفتح بسهولة مع Br₂ عند حرارة الغرفة.
- صح
- خطأ ✓
cyclohexane بلا إجهاد فما ينفتح، أما cyclopropane فيسوي إضافة وفتح حلقة.
في المدرب أكثر من 35 سؤال لهذي المحاضرة، وكل محاولة تطلع لك 20 سؤال جديد مع تقرير بمستواك. ابدأ الاختبار
أسئلة شائعة
ليش cyclopropane أقل ثباتًا من cyclohexane؟
لأن زاوية cyclopropane 60° بعيدة جدًا عن الزاوية الرباعية 109.5°، فعنده إجهاد زاوية حوالي 115 kJ/mol، وحرارة احتراقه لكل CH₂ أعلى. أما cyclohexane فينطوي لشكل الكرسي وزواياه قريبة من 109.5° فهو تقريبًا بلا إجهاد.
وش هي نظرية باير وليش فشلت مع حلقي الهكسان؟
نظرية باير تقول إن أي انحراف عن الزاوية الرباعية يسبب إجهاد، والانحراف لكل رابطة d = ½(109°28′ − α). فشلت مع cyclohexane لأنها افترضت الحلقة مستوية بزاوية 120°، بينما الحلقة الحقيقية تنطوي لشكل الكرسي وتصير بلا إجهاد.
ليش تشكل الكرسي أثبت من القارب؟
في الكرسي كل الزوايا قريبة من 109.5° وكل روابط C–H متخالفة. في القارب هيدروجيني السارية على C1 و C4 يتزاحمون (إجهاد فراغي)، والهيدروجينات على C2–C3 و C5–C6 متطابقة (إجهاد التوائي)، فطاقته أعلى بحوالي 23 إلى 29 kJ/mol.
ليش حلقي البروبان يسوي تفاعلات إضافة مثل الألكين؟
لأن الإجهاد الكبير يخلي رابطة C–C فيه ضعيفة، وفتح الحلقة يريّحه من الإجهاد. فيتفاعل مع Br₂ و HBr و H₂ وتنفتح الحلقة، أما الحلقات الخماسية والسداسية فتسوي استبدال مثل الألكانات.
جاهز تبدأ؟
شرح تفاعلي، أدوات تطبيقية، كويز في النهاية، وشهادة إتمام إذا جبت 80% أو أكثر.
محاضرات ثانية في الكيمياء العضوية
تسمية الألكانات والألكينات والألكاينات بقواعد IUPAC، مع أدوات ترقيم تفاعلية
المجموعات الوظيفية، التقطير التجزيئي، طرق التحضير، والتفاعلات
التسمية، cis/trans و E/Z، التحضير، الإضافة وماركوفنيكوف، والأكسدة
البنية والتسمية، الحمضية والأسيتيليد، التحضير، الهدرجة cis/trans، وإضافة HX والماء
التعريف وتجربة فوهلر، مركبات الكربون غير العضوية، طرق تمثيل المركبات الست، تفرّد الكربون، والتصنيف والمجموعات الوظيفية
الحث والحمضية، الأسهم والرنين وطاقة الرنين، +M و −M، الرابطة الهيدروجينية، وفرط الاقتران وثبات الكربوكاتيون والألكين
الأيزومرات، الكيرالية وإسقاط فيشر، الإنانتيومرات والميزو، cis/trans و E/Z، تحديد R/S، والنشاط الضوئي والمخلوط الراسمي
التصنيف والتسمية، التحضير من الألكانات والألكينات والكحولات، SN1 و SN2، والنزع E1 و E2 وسايتزيف