Cycloankan | Khái niệm hoá học

Cycloankan hay ankan vòng là các hợp chất hữu cơ với một hay nhiều vòng cacbon trong đó các nguyên tử hiđrô được đính vào phù hợp với công thức C_nH_2n-2x, trong đó x là số cạnh chung cho các vòng (cạnh chung chỉ tính một lần). Do vậy các cycloankan vòng đơn có công thức tổng quát C_nH_2n do không có cạnh nào chung. Các cycloankan với vòng đơn được đặt tên tương tự như các ankan thông thường của chúng với cùng một số lượng nguyên tử cacbon: cycloprôpan, cyclobutan, cyclopentan, cyclohexan,… Các cycloankan lớn hơn, với số nguyên tử cacbon trên 20 thông thường gọi là cycloparafin.

1. Tính chất vật lí thông thường

Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của các xiclan biến đổi theo quy luật, nhìn chung tăng theo số nguyên tử C trong phân tử. Điểm đặc biệt là nhiệt độ sôi và nhất là nhiệt độ nóng chảy của chúng cao hơn nhiều so với các ankan tương ứng (cùng số nguyên tử C). Sở dĩ như vậy là vì phân tử xiclan có hình dạng gọn gàng hơn nên sắp xếp được khít khao hơn làm cho lực hút Vande Van giữa các phân tử lớn hơn.

Nhiệt độ nóng chảy cao bất thường của xiclohexan của cuban và pentanprisman cũng là do hình dạng gọn gàng của chúng gây nên.

Các xiclan và các xicloankan nói chung đều nhẹ hơn nước, và đều nặng hơn các ankan có cùng số nguyên tử C. Điều đó chứng tỏ khoảng cách trung bình giữa các phân tử xicloankan nhỏ hơn so với ankan.

Tính tan của xicloankan tương tự tính tan của ankan. Xicloankan thuộc loại lipophin (ưa dầu mỡ) và hidrophobic (kị nước), chúng hòa tan các hợp chất mạch vòng tốt hơn so với ankan.

2. Tính chất hóa học

Xicloankan và ankan đều là hidrocacbon no, vì thế tính chất hóa học của chúng tương tự nhau. Chẳng hạn, xicloankan cũng bị halogen hóa, nitro hóa và sunfo hóa trong những điều kiện giống như ankan. Dưới đây chỉ nêu những nét khác biệt của xicloankan so với ankan.

a 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

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

Từ 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^oC khi có mặt xúc tác.

b. Phản ứng nhiệt phân

Ở nhiệt độ cao >500^oC và có mặt xúc tác Pt, Ni... xicloankan bị dehidro hóa thành hidrocacbon thơm. Phản ứng này được sử dụng trong phương pháp refoming nhằm tăng chỉ số octan của xăng hoặc để sản xuất hidrocacbon thơm như benzen, toluen và xilen

Khi có nhôm clorua hoặc bromua xúc tác, xicloprophan bị đồng phân hóa thành propen các xicloankan khác đồng phân hóa thành vòng 6 cạnh bền hơn

c. Phản ứng oxi hóa

Các xicloankan cháy hoàn toàn tạo thành CO₂, H₂O và tỏa nhiệt

4. Điều chế

a. Trong công nghiệp

Xicloankan có trong dầu mỏ (Từ 30-60%) dưới dạng vòng 5 hoặc 6 cạnh với các mạch nhánh từ 1 đến hàng chục nguyên tử C, ngoài ra còn có các polixicloankan 2, 3, 4 hoặc 5 vòng. Chúng được gọi chung là hidrocacbon naphtenic hay naphten. Nhiều xicloankan được tách biệt từ dầu mỏ trước khi tổng hợp chúng

b. Trong phòng thí nghiệm

Để điều chế xicloankan, thông thường người ta dùng phản ứng đóng vòng các hợp chất không vòng như

5. Ứng dụng

Hidrocacbon naphtenic là thành phần rất quan trọng trong nhiên liệu động cơ và dầu nhờn. Các monoxicloankan mạch nhánh ngắn do có chỉ số octan cao hơn n-ankan nên làm tăng chất lượng của xăng. Các monoxicloankan với mạch nhánh dài (do khó bị đông đặc hơn) nên giữ được tính linh động của nhiên liệu ở nhiệt độ thấp. Chúng có độ nhớt cao và ít bị thay đổi theo nhiệt độ, vì vậy được dùng để sản xuất dầu nhờn.

Xicloankan có trong dầu mỏ là nguồn nguyên liệu quý cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Chẳng hạn, xiclohexan tách từ phân đoạn sôi 60-90^oC hoặc thu được nhờ đồng phân hóa metylxiclopentan được dùng làm nguyên liệu sản xuất 2 loại tơ poliamit quan trọng là nilon-6 và nilon-6,6.

Xiclohexan và đồng đẳng được dùng để sản xuất benzen, toluen, xilen. Ngoài ra, xiclohexan và decalin còn được dùng làm dung môi cho những chất ít phân cực.