Ciclanos

1. Definição e Fórmula Geral dos Ciclanos

Os ciclanos (ou cicloalcanos) são hidrocarbonetos saturados de cadeia fechada, ou seja, formam anéis de carbonos ligados apenas por ligações simples.

Sua fórmula geral é CₙH₂ₙ, que é a mesma dos alcenos de cadeia aberta.

Mas cuidado! Isso não significa que os ciclanos sejam alcenos.

Na verdade, eles são isômeros de cadeia dos alcenos, pois a diferença entre eles está no formato da estrutura, e não no tipo de ligação.

Pelo IDH = 1 devido ao ciclo, você encontra que 1 = X - $ \frac{Y}{2} $ + 1 → $ \frac{Y}{2} $ = X → Y = 2X, logo um ciclano é $C_XH_{2X}$.

2. Nomenclatura IUPAC Oficial (Ciclo + Prefixo + an + o)

A nomenclatura vai seguir todas aquelas regras que já estudamos.

• Encontra, numera e nomeia a cadeia principal (CP);
• Escreve as ramificações antes da CP, em ordem alfabética, indicando cada uma pelo lugar (número) na CP e pela quantidade (di, tri, ...);
• Escreve as insaturações e os grupos funcionais na CP, sempre indicando pelo lugar (número) na CP e pela quantidade (di,tri, ...).

No caso dos alcanos, em geral, a nomenclatura da CP vai ser:

1. Prefixo: CICLO + Quantidade de carbonos
2. Infixo "-an-".
3. Sufixo "-o”, assim como a de qualquer hidrocarboneto.

A cadeia principal (CP) depende da quantidade de carbonos nas partes abertas e na parte fechada.

Se tiver mais carbono no ciclo, a CP será o ciclo.

Se tiver mais carbono na parte aberta, a CP será a parte acíclica.

Veja alguns exemplos para aprender:

3. Propriedades Gerais e Reatividade dos Ciclanos

Em geral, se você comparar um alcano e um ciclano de mesma quantidade de carbonos, os ciclanos apresentarão maiores valores para suas propriedades físicas.

Isso vale para PF, PE, densidade, etc.

O que explica isso é o fato dos ciclos serem mais compactos, sendo mais difícil de “separá-los”.

Essa analogia que farei é de certa forma errada, pois você não quebra de fato uma molécula em si para transformar de líquido para gasoso,

mas é como se, para fazer um ciclano ebulir, você primeiro gastasse energia para quebrar o ciclo e depois fazer a mudança de fase.

Eu sempre lembro desse jeito, porque facilita você a pensar que ebulir um ciclano é mais complexo que ebulir um alcano, como se você precisasse de mais estapas.

Portanto, você gasta mais energia para mudanças de fase em ciclanos do que em alcanos.

Agora, falando apenas dos ciclanos, nem todos eles são muito estáveis.

Experimentos do século 19 notaram que ciclos pequenos (três ou quatro carbonos) eram muito reativos e sofriam reações de adição facilmente, rompendo o ciclo.

Já um ciclo com 5 carbonos, o ciclopentano, era bem mais estável e preferia reações de substituição, mantendo sua estrutura fechada, ao invés de ser rompido.

E foi daí que surgiu a Teoria das Tensões de Baeyer!

Baeyer propôs que os ciclanos eram aneis planos, e que a sua estabilidade dependia do ângulo de ligação.

Como o carbono tetraédrico tem ângulos de 109°28’, ele acreditava que quanto mais distante desse valor fosse o ângulo de um ciclano, mais instável e reativo ele seria.

Por essa lógica dele, fazia sentido até então:

• Ciclopropano (60°) e ciclobutano (90°) → Altamente tensionados e instáveis.
• Ciclopentano (108°) → Muito próximo de 109°28’, ou seja, o mais estável conhecido na época.

Mas o que acabou com ele foi a descoberta do ciclohexano (120°).

A sua teoria previa que ele seria mais instável que o ciclopentano, mas experimentos mostraram que o ciclohexano era muito muito mais estável. Como isso seria possível?

Para justificar o que os experimentos haviam descoberto, dois químicos criaram uma nova teoria, a Teoria de Sachse e Mohr, defendendo que:

“Os ciclanos de seis ou mais átomos de carbono não são planos, eles são espaciais!”

Como o ciclohexano é espacial, o seu ângulo na verdade não é de 120°, ele é exatamente de 109°28’, eliminando a tensão e sendo mais estável que o ciclopentano.

4. As Conformações do Ciclohexano

OK, o ciclohexano é muito estável, ele é espacial, agora espacial como?

Existem várias formas do ciclohexano se organizar no espaço. Dentre várias, existem duas principais, que são a conformação em barco e a conformação em cadeira.

A forma de cadeira é mais estável que a forma de barco. Essa é uma informação para estar tatuada na alma.

E se você olhar para os desenhos delas, você saberá dizer o porquê disso.

Imagine que os átomos dentro de uma molécula são pessoas extremamente egoístas.

Se você coloca duas pessoas que se odeiam uma do lado da outra dentro de uma sala, elas vão fazer de tudo para se separar.

O ambiente mais estável para todos é quando esses indivíduos ficam o mais longe possível uns dos outros.

O mesmo acontece com os átomos: quando estão muito próximos, a repulsão aumenta, tornando a molécula menos estável.

E em qual das duas conformações os átomos estão mais distantes? Exatamente, na da cadeira. Por isso que ela é a mais estável e quase 100% dos ciclohexanos preferem ela.

E ainda digo mais. Nós podemos classificar os hidrogênios (ou qualquer outro ligante) do ciclohexano em dois: os axiais e os equatoriais.

Os hidrogênios axiais apontam na vertical, enquanto que os equatoriais apontam na “horizontal”, ao redor do anel, como se estivessem na linha do Equador.

A informação que você precisa saber sobre isso vem agora: substituir um hidrogênio equatorial é mais fácil do que substituir um axial, gastando menos energia.

O hidrogênio equatorial é mais reativo pela mesma analogia das duas pessoas que se odeiam.

Substituir um hidrogênio axial faz com que as repulsões sejam maiores, já que os outros átomos ficariam mais próximos.

Essa repulsão recebe o nome de repulsão 1,3-diaxial, mas calma! Se preocupe em entender as coisas, decorar esse nome é o menos importante nisso tudo.

💡 Moral da história: se você se depara com essas duas opções de ramificação para a molécula do isopropilciclohexano, saiba que a correta é a equatorial.

Conclusão

No fim de tudo, com mais experimentos, hoje a gente sabe que todos os ciclos são espaciais.

A única exceção é o ciclopropano, por motivos de geometria mesmo: lembra que o mínimo para determinar um plano são 3 pontos? 😂😂😂

Mas o raciocínio inicial de que a geometria espacial do ciclohexano justificaria sua maior estabilidade (e o porquê dele fazer reações de substituição)

foi o divisor de águas no estudo dos ciclanos para a Química Orgânica.