Cycloalcanes. | Chimie organique 1

Les cycloalcanes sont étudiés dans ce chapitre : nomenclature des cycloalcanes, types de contrainte, conformères, conformation en chaise (conformations sans contrainte du cyclohexane), cyclohexanes substitués.

Nomenclature des Cycloalcanes.

Cycloalcanes : Hydrocarbures saturés qui contiennent au moins un anneau dans leur chaîne carbonée. La formule générale pour les cycloalcanes à un seul anneau est CnH2n, la formule pour les composés à deux anneaux est CnH2n-2, et ainsi de suite. Comment nommer un cycloalcane : Les cycloalcanes sont nommés en utilisant des règles similaires à celles des alcanes, mais le préfixe "cyclo-" précède le nom de la chaîne parente. 1. Trouvez l'anneau contenant le plus grand nombre de carbones : c'est la chaîne principale. 2. Ajoutez le préfixe "cyclo-" et le suffixe "-ane" au nom de la chaîne parente linéaire correspondante. 3. Nommez et numérotez les substituants : - Systèmes mono-substitués : aucun nombre n'est nécessaire pour indiquer l'emplacement du substituant. - Systèmes polysubstitués : commencez à numéroter à partir d'un substituant et choisissez la séquence de numérotation la plus basse possible. Avec 2 substituants différents, numérotez l'anneau pour attribuer le nombre le plus bas au premier substituant dans l'ordre alphabétique. - Composé bicyclique : considérez le plus petit anneau comme un substituant du plus grand. [Image] Alcane avec à la fois un anneau et une longue chaîne : Si le nombre de carbones dans l'anneau est supérieur ou égal au nombre de carbones dans la chaîne la plus longue, le composé est nommé cycloalcane. S'il est inférieur au nombre de carbones dans la chaîne la plus longue, le composé est nommé alcane avec un substituant cycloalkyle. [Image]

Conformateurs

Les conformères (ou isomères de conformation) : Les conformères sont des arrangements différents d'atomes de la même molécule résultant d'une rotation autour d'une seule liaison. La conformation en éclipse est la conformation dans laquelle les liaisons sur un carbone sont directement alignées avec les liaisons sur le carbone adjacent. La conformation en échelons est la conformation dans laquelle les liaisons sur un carbone divisent la liaison R-C-R sur le carbone adjacent. Les conformations en échelons sont plus stables que les conformations en éclipse. Projection de Newman : Une représentation de la conformation d'une molécule. Elle montre les 3 groupes attachés aux 2 atomes de carbone d'une liaison C-C particulière et l'angle dièdre entre eux. Comment dessiner une projection de Newman : 1. Choisissez une liaison C-C particulière. 2. Dessinez un cercle avec un point au centre. - Le cercle représente le carbone arrière. - Le point représente le carbone avant. 3. Identifiez les 3 groupes connectés à l'atome de carbone avant. - Dessinez les liaisons sous forme de 3 lignes se rejoignant au centre du cercle. 4. Identifiez les 3 groupes connectés à l'atome de carbone arrière. - Dessinez les liaisons sous forme de 3 lignes sortant du bord du cercle. 5. Ajoutez les atomes à l'extrémité de chaque liaison.

Projection de Newman des conformères en éclipse et en échelons de 1,2-dichloroéthane résultant d'une rotation autour de la liaison C-C simple.

Contraintes des cycloalcanes

Contrainte de cycle :

Une instabilité qui existe lorsque les liaisons dans une molécule forment des angles anormaux, l'angle de liaison idéal du carbone hybridé sp3 étant de 109,5o. Cela affecte les structures des petits cycloalcanes et entraîne une augmentation de l'énergie potentielle de ces espèces. Contrainte de cycle = contrainte de torsion + contrainte stérique + contrainte d'angle

  • ​​​​​Contrainte de torsion :​​​​​ augmentation de l'énergie causée par les interactions d'éclipse
  • Contrainte stérique :​​​​​ augmentation de l'énergie produite lorsque les atomes sont forcés d'être trop proches les uns des autres et essaient d'occuper le même espace
  • Contrainte d'angle :​​​​​ augmentation de l'énergie produite lorsque les angles de liaison tétraédriques s'écartent de 109,5° (atomes hybridés sp3). Par exemple, le cyclopropane a des angles de liaison égaux à 60°

 
Contrainte des cycloalcanes :

Les plus petits cycloalcanes, le cyclopropane et le cyclobutane, sont les plus contraints car ils présentent une contrainte de cycle particulièrement élevée en raison de l'écart de leurs angles de liaison par rapport à 109,5° et de l'éclipse de leurs hydrogènes

Conformations de cyclohexane.

Conformation en chaise :

Une conformation stable adoptée par le cyclohexane. Sa stabilité résulte de l'élimination de la contrainte angulaire (tous les angles des liaisons sont de 109,5 °) et de la contrainte de torsion (tous les groupes sur les atomes de carbone adjacents sont échelonnés, pas éclipsés). Il existe deux conformations en chaise en équilibre à température ambiante, qui sont formées par un processus de retournement de cycle.

Positions axiales et équatoriales :

Dans une conformation en chaise, chaque atome de carbone a une position axiale et une position équatoriale. Les substituants axiaux sont situés au-dessus et en dessous du cycle le long d'un axe perpendiculaire, tandis que les substituants équatoriaux sont situés dans le plan du cycle autour de l'équateur. Les positions axiales et équatoriales sont interconverties lors d'un retournement de cycle.
 

Cyclohexanes substitués

# Monosubstituted cyclohexane: La conformation la plus stable d'un cyclohexane monosubstitué est celle avec le substituant en position équatoriale : un substituant axial crée des interactions 1,3-diaxiales défavorables, déstabilisant l'une des conformations chaise.
Disubstituted cyclohexane: La conformation dans laquelle les deux substituants sont équatoriaux sera toujours plus stable qu'une conformation avec les deux groupes axiaux. Si les deux substituants sont l'un axial et l'autre équatorial, la conformation la plus stable est celle avec le substituant le plus encombrant en position équatoriale.
CH₃ est plus encombrant que F, le conformère le plus stable est le deuxième (CH₃ en position équatoriale).

Vérifiez vos connaissances sur ce chapitre

Un cycloalcane est un hydrocarbure saturé qui contient au moins un cycle dans son squelette carboné

La formule générale des cycloalcanes à un seul cycle est CnH2n, la formule des composés à deux cycles est CnH2n-2, et ainsi de suite.

Les cycloalcanes sont nommés en utilisant des règles similaires à celles des alcanes, mais le préfixe cyclo- précède le nom de la chaîne parente
  1. Trouvez l'anneau ayant le plus grand nombre de carbones : c'est la chaîne parente
  2. Ajoutez le préfixe cyclo- et le suffixe -ane au nom de la chaîne parente linéaire correspondante
  3. Nommez et numérotez les substituants
    - monosubstituted systems: no number is needed to indicate the location of the substituent
    - polysubstituted systems: start the numbering at one substituent and choose the lowest possible numbering sequence. With 2 different substituents, number the ring to assign the lowest number to the first substituent in alphabetical order
    - bicyclic compound: treat the smaller ring as a substituent of the larger one
Le texte suivant est une description expliquant comment nommer un composé cyclique en fonction du nombre d'atomes de carbone présents dans le cycle par rapport à la chaîne principale. Si le nombre d'atomes de carbone dans le cycle est supérieur ou égal au nombre d'atomes de carbone dans la chaîne principale, le composé est nommé comme un cycloalcane. S'il est inférieur au nombre d'atomes de carbone dans la chaîne principale, le composé est nommé comme un alcanne avec un substituant cycloalkyle. Voici une image illustrant cette règle de nomenclature des cycloalcanes : Veuillez noter que les symboles chimiques et mathématiques présents dans l'image n'ont pas été traduits.

Les conformères sont des arrangements différents des atomes de la même molécule résultant d'une rotation autour d'une seule liaison. La conformation éclipsée est la conformation dans laquelle les liaisons sur un carbone sont directement alignées avec les liaisons sur le carbone adjacent. La conformation décalée est la conformation dans laquelle les liaisons sur un carbone bisèquent la liaison R-C-R sur le carbone adjacent. Les conformations décalées sont plus stables que les conformations éclipsées.

Les isomères structuraux sont des espèces chimiques qui ont la même formule moléculaire mais diffèrent dans la manière dont les atomes sont liés les uns aux autres, tandis que les isomères conformationnels sont des isomères qui ont la même formule moléculaire, les mêmes liaisons, mais diffèrent dans la manière dont les atomes sont orientés dans l'espace (géométrie 3D différente).

Une projection de Newman est une représentation de la conformation d'une molécule. Elle montre les 3 groupes attachés aux 2 atomes de carbone d'une liaison C-C particulière et l'angle dièdre entre eux. Projection de Newman des conformères éclipsés et écartés du 1,2-dichloroéthane résultant d'une rotation autour de la liaison simple C-C. ---------- A Newman projection is a representation of the conformation of a molecule. It shows the 3 groups attached to the 2 carbon atoms of a particular C-C bond and the dihedral angle between them. Newman projection of the eclipsed and the staggered conformers of 1,2-dichloroethane resulting from a rotation around the C-C single bond.
  1. Choisissez une liaison C-C particulière
  2. Dessinez un cercle avec un point au centre
    - le cercle représente le carbone arrière
    - le point représente le carbone avant
  3. Identifiez les 3 groupes liés à l'atome de carbone avant
    Dessinez les liaisons sous forme de 3 lignes se rejoignant au centre du cercle
  4. Identifiez les 3 groupes liés à l'atome de carbone arrière
    Dessinez les liaisons sous forme de 3 lignes partant du bord du cercle
  5. Ajoutez les atomes au bout de chaque liaison

Les conformations écartées et éclipsées d'une molécule interchangent généralement à température ambiante, mais chaque conformation, et donc sa projection de Newman correspondante, n'est pas également stable : les conformations écartées sont plus stables (plus basses en énergie) que les conformations éclipsées

La tension cyclique est une instabilité qui se produit lorsque les liaisons dans une molécule forment des angles anormaux, l'angle de liaison idéal du carbone hybridé sp3 étant de 109,5o. Cela affecte les structures des plus petits cycloalcannes et entraîne une augmentation de l'énergie potentielle de ces espèces. La tension cyclique = tension de torsion + tension stérique + tension d'angle

Les plus petits cycloalcanes, cyclopropane et cyclobutane, sont les plus contraints car ils présentent des tensions d'anneau particulièrement élevées en raison de l'écart de leurs angles de liaisons par rapport à 109.5° et de l'éclipse de leurs hydrogènes

Contrainte de cycle = contrainte de torsion + contrainte stérique + contrainte angulaire

  • Contrainte de torsion : augmentation d'énergie causée par des interactions d'éclipse
  • Contrainte stérique : augmentation d'énergie produite lorsque les atomes sont contraints d'être trop proches les uns des autres et essaient d'occuper le même espace
  • Contrainte angulaire : augmentation d'énergie produite lorsque les angles de liaison tétraédriques s'écartent de 109,5° (atomes hybridés sp3). Par exemple, le cyclopropane a des angles de liaison égaux à 60°

Une conformation chaise est une conformation stable adoptée par le cyclohexane. Sa stabilité résulte de l'élimination de la contrainte angulaire (tous les angles de liaison sont de 109,5°) et de la contrainte de torsion (tous les groupes sur les atomes de carbone adjacents sont décalés, pas éclipsés). Il y a 2 conformations chaise en équilibre à température ambiante qui sont formées par un processus de renversement de cycle

Dans une conformation en chaise, chaque atome de carbone occupe une position axiale et une position équatoriale. Les substituants axiaux sont situés au-dessus et en dessous du cycle le long d'un axe perpendiculaire, tandis que les substituants équatoriaux sont situés dans le plan du cycle autour de l'équateur. Les positions axiales et équatoriales sont interconverties lors d'une rotation du cycle.

La conformation la plus stable d'un cyclohexane monosubstitué est celle avec le substituant en position équatoriale : un substituant axial crée des interactions incompatibles de type 1,3-diaxial, déstabilisant l'une des conformations de chaise.

La conformation dans laquelle les deux substituents sont équatoriaux sera toujours plus stable qu'une conformation avec les deux groupes axiaux. Si les deux substituants sont l'un axial et l'autre équatorial, la conformation la plus stable est celle avec le substituant le plus volumineux en position équatoriale.

CH3 est plus volumineux que F, la conformère la plus stable est la deuxième (CH3 en position équatoriale)