Циклоалканы

В ходе этого занятия вы узнаете, что представляют собой циклоалканы, как вид насыщенных (замкнутых) углеводородов. Узнаете формулу гомологического ряда циклоалканов. Сравните свойства циклоалканов разных циклов, узнаете об особенностях малых циклов.

I. Понятие об циклоалканах и их классификация

В отличие от предельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей, существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами). По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда и произошло их название – циклоалканы (циклопарафины, нафтены).

Циклоалканы – это насыщенные углеводороды, атомы углерода которых замкнуты в цикл. Если молекула содержит только один цикл, то общая формула таких веществ – СnH2n.

Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.


Циклопропан	Циклобутан	Циклопентан	Циклогексан

Очень часто в органической химии структурные формулы перечисленных циклоалканов изображают без символов C и H простыми геометрическими фигурами:

Классификация циклоалканов

малые циклы (3–4 атома углерода),
средние циклы (5–7 атомов углерода),
макроциклы (8 атомов углерода и более).

II. Номенклатура циклоалканов

Названия циклоалканов образуются с помощью добавления приставки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода.

В качестве основной цепи выбирают цикл, нумерацию проводят таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Если заместитель один, то его номер не указывается.

метилциклопропан 1,3-диметилциклопентан

Описывая циклические соединения, часто пользуются сокращенными формулами, в которых не показывают атомы Н:

1,3-диметилциклопентан

III. Изомерия циклоалканов

1. Изомерия углеродного скелета

метилциклопентан циклогексан

а) кольца

б) боковых цепей

2. Межклассовая изомерия

(гексен -1)

Рис. 1. циклогексан

3. Геометрическая изомерия

1. Цис-транс-изомерия

Обусловленна различным взаимным расположением в пространстве заместителей относительно плоскости цикла. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости кольца, в транс-изомерах – по разные анимация:

2. Оптическая изомерия

Некоторых ди- (и более) замещенных циклов. Например, транс-1,2-диметилциклопропан может существовать в виде двух оптических изомеров, относящихся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение анимация:

3. Конформационная изомерия циклоалканов

Все циклы, кроме циклопропана, имеют неплоское строение, что обусловлено стремлением атомов углерода к образованию нормальных (тетраэдрических) углов между связями. Это достигается поворотами по σ-связям С–С, входящим в цикл. При этом возникают различные конформации (поворотные изомеры) с разной энергией и чаще реализуются те из них, которые обладают наименьшей энергией, т.е. более устойчивые. Например, в циклогексане наиболее устойчивой является конформация "кресла".

Конформации циклогексана

Flash 3D модель

IV. Строение циклоалканов

Атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации. Углы между связями в средних циклах и макроциклах близки к тетраэдрическому 109,5о, молекула имеет неплоское строение. Рис. 2, 3.

Рис. 2. циклогексан С₆Н₁₂

Рис. 3. циклопентан С₅Н₁₀

Четырехчленный цикл тоженеплоский. Но угол между атомами углерода в нем значительно меньше тетраэдрического. Рис. 4.

Рис. 4 циклобутан

Еще больше отклонение от тетраэдрического угла в случае трехчленного цикла: три атома лежат в одной плоскости, а угол в равностороннем треугольнике равен 60°. Рис. 5.

Рис. 5. циклопропан

Эти связи напряжены, их образование энергетически невыгодно. Поэтому малые циклы более реакционноспособны, многие реакции связаны с раскрытием цикла.

Состав и строение циклоалканов

V. Физические свойства

Циклоалканы имеют более высокие температуры плавления, кипения и большую плотность, чем соответствующие алканы. При одинаковом составе температура кипения циклопарафина тем выше, чем больше размер цикла. Циклоалканы в воде практически не растворимы, однако растворимы в органических растворителях. Физические свойства некоторых циклоалканов представлены в таблице.

Таблица. Физические свойства некоторых циклоалканов

Соединение	t°пл., °С	t°кип., °С
Циклопропан	-126,9	-33
Метилциклопропан	-177,2	0,7
Циклобутан	- 80	13
Метилциклобутан	-149,3	36,8
Циклопентан	- 94,4	49,3
Метилциклопентан	-142,2	71,9
Циклогексан	6,5	80,7

VI. Химические свойства

Химические свойства циклопарафинов зависят от числа атомов углерода, составляющих цикл. Низшие циклоалканы (циклопропан и циклобутан) ведут себя как ненасыщенные углеводороды, они способны вступать в реакции присоединения. Циклоалканы с большим количеством углеродных атомов в цикле ведут себя как алканы, для них характерны реакции замещения.

1. Реакции горения

C_nH_2n+ 3n/2O₂-^t → nCO₂ + nH₂O +Q

I. Малые циклы (n=3,4)

2. Реакции присоединения – сходство с алкенами

1) Галогенирование:

C₃H₆ + Br₂ → C₃H₆Br₂ (1,3-дибромпропан)

циклопропан

2) Гидрирование:

C₄H₈ + H₂-^t^,^Ni^или^Pt → C₄H₁₀ (бутан)

циклобутан

3) Гидрогалогенирование (по правилу Марковникова):

C₃H₆ + HI → CH₃-CH₂-CH₂I (1- йодпропан)

II. Обычные циклы (n=5-7)

3. Реакции замещения – сходство с алканами.

1) Галогенирование:

C₆H₁₂ + Br₂ -^t → C₆H₁₁Br + HBr

бромциклогексан

4. Реакции отщепления – дегидрирования циклогексана (р. Зелинского-Казанского):

C₆H₁₂-^t^{=300˚С ,}^Pt^,^Pd→ C₆H₆ + 3H₂

бензол

VII. Получение циклоалканов

1. В промышленности

1) Из нефти (пяти- и шестичленных)

Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторых месторождений (отсюда произошло одно из их названий - нафтены). При переработке нефти выделяют главным образом циклоалканы С₅ - С₇.

2) Из ароматических углеводородов – каталитическое гидрирование:

C₆H₆ + H₂ -^t,p,Ni→ C₆H₁₂

2. В лаборатории

Из дигалогенпроизводных алканов (внутримолекулярная реакция Вюрца):

Br-CH₂-CH₂-CH₂-Br + Mg -^t → MgBr₂ + C₃H₆

или

Cl-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-Cl + 2Na → 2NaCl + C₄H₈

Получение циклоалканов

VIII. Применение

Наибольшее практическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан. Циклогексан используется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, капролактама, а также в качестве растворителя. Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства.

IX. Тренажеры

Тренажер №1: “Номенклатура циклоалканов”

Тренажер №2: “Изомерия циклоалканов”

Main menu

Таблица
Менделеева

Универсальная таблица растворимости

Коллекция таблиц к урокам по химии