…
Циклоалканы (циклопарафины) – органические насыщенные соединения, атомы углерода в молекулах которых, соединяясь образуют циклы. Общая формула – CnH2n . Строение, получение и свойства циклоалканов отличаются от свойств нормальных алканов с тем же числом углеродных атомов.
Строение циклоалканов
В молекулах циклоалканов углеродные атомы связаны между собой σ – связями. Устойчивость циклопарафинов, т.е. прочность С-С связей возрастает с увеличением количества атомов углерода, образующих цикл. Циклы делят на малые (С3, С4) и обычные (C5 – С7).
В качестве представителя малого цикла рассмотрим циклопропан:
- Молекула циклопропана представляет собой плоский цикл, образованный тремя атомами углерода; атомы водорода при этом расположены вне его плоскости и занимают энергетически невыгодное («заслоненное») положение, что способствует увеличению «напряженности» цикла и его неустойчивости.
- Валентные углы в плоском равностороннем треугольнике принимают значение равное 60°. А для sp3-гибридизованного атома углерода это значение соответствует 109,5°. В случае молекулы циклопропана, sp3-гибридизованные орбитали атомов углерода перекрываются между собой вне прямой, соединяющей ядра атомов. Образующиеся σ-связи с подобным способом перекрывания называют «банановыми». Их свойства обладают сходными чертами с π-связями, например, вступают в реакции присоединения.
В отличие от трехчленных циклов, устойчивость пяти- и шестичленных циклических алканов на столько высока, что они не способны к разрыву.
В качестве представителя обычного цикла рассмотрим циклогексан.
Для молекулы циклогексана не характерно плоское строение, напротив — ей присуще несколько форм — конформаций. Наиболее выгодной с энергетической точки зрения являются конформации кресла (более устойчива) и ванны. Валентные углы образованные гибридными орбиталями атомов углерода в цикле равны 109,5°, атомы водорода у соседних атомов углерода расположены относительно друг друга в положении энергетически выгодном.
Тетраэдрическое расположение связей вокруг каждого атома углерода способствует большей устойчивости обычных циклов по сравнению с малыми. Для них возможны реакции замещения и невозможны реакции присоединения.
Физические свойства циклоалканов
При обычных условиях циклоалканы закипают и плавятся при более высоких температурах, по сравнению с соответствующими алканами. С увеличением размера цикла, температуры кипения и плавления растут. Циклоалканы С3 — С4 представляют собой газы, С5 — С16 — жидкости, C17 и более — твердые вещества. Растворимость циклических алканов в воде очень низка.
Получение циклоалканов
- Переработка нефти (получают циклогексан и его производные)
- Реакция отщепления.
При отщеплении от дигалогенпроизводных алканов двух атомов галогена получают трех- и четырехчленные циклоалканы:
- Реакция пиролиза солей дикарбоновых кислот.
Методом Ружичка получают циклогексан и циклопентан. Метод основан на воздействии высоких температур без доступа воздуха на соли дикарбоновых кислот.
- Реакция гидрирования ароматических углеводородов в присутствии катализатора каталитического.
При нагревании бензола или его гомологов и водорода в присутствии никелиевого катализатора получают циклогексан или его производные:
Химические свойства циклоалканов
Устойчивость, а, следовательно, и реакционная активность малых и обычных циклов сильно различаются.
Малые циклы, такие как циклопропан и циклобутан проявляют склонность к реакциям присоединения, тогда как для обычных циклов (циклопентан и циклогексан) более характерны реакции замещения.
1. Реакции присоединения
- Галогенирование:
- Гидрогалогенирование:
- Гидрирование:
- Расщепление серной кислотой:
- Взаимодействие с сильными карбоновыми кислотами:
2. Реакции замещения (радикальный механизм)
- Галогенирование при действии ультрафиолета:
- Нитрование:
3. Реакция дегидрирования
В присутствии катализатора ведет к образованию бензола:
4. Реакция окисления
Как малые, так и обычные циклы при окислении сильными окислителями (например, 50%-ной азотной кислоты, перманганат натрия, бихромат калия) раскрываются с образованием двухосновных карбоновых кислот:
5. Перегруппировка (сужение или расширение цикла)
Применение циклоалканов
Чтобы поделиться, нажимайте
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). Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n. 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
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 |
Изомерия циклоалканов
Для циклоалканов характерны как структурная, так и пространственная изомерия.
Структурная изомеpия
1. Изомерия углеродного скелета:
а) кольца
б) боковых цепей
2. Изомерия положения заместителей в кольце:
3. Межклассовая изомерия с алкенами:
Пространственная изомерия
1. Цис-транс-изомерия, обусловленная 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:
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:
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».
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.
Реакции горения:
CnH2n + 3n/2O2 — t → nCO2 + nH2O +Q
|
Малые циклы (n=3,4) |
| 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 ) |
|
Обычные циклы (n=5-7) |
| Реакции замещения – сходство с алканами.
1) Галогенирование: C6H12 + Br2 — t → C6H11Br + HBr бромциклогексан Реакции отщепления – дегидрирования циклогексана (р. Зелинского-Казанского): C6H12 — t=300˚С ,Pt,Pd→ C6H6 + 3H2 бензол |
Получение циклоалканов
|
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
|
|
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
|
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.
Циклоалканы – это предельные (насыщенные) углеводороды, которые содержат замкнутый углеродный цикл.
Общая формула циклоалканов CnH2n, где n≥3.
Строение, номенклатура и изомерия циклоалканов
Химические свойства циклоалканов
Получение циклоалканов
Строение циклоалканов
Атомы углерода в молекулах циклоалканов находятся в состоянии sp3-гибридизации и образует четыре σ-связи С–С и С–Н. В зависимости от размеров цикла меняются валентные углы.
В малых циклах (циклопропан и циклобутан) валентные углы между связями С–С сильно отличаются от валентных углов между связями С–С в алканах (109о35′). Поэтому в малых циклах возникает напряжение, которое приводит к высокой реакционной способности таких циклоалканов.
Самый простой циклоалкан — циклопропан, представляет, по сути, плоский треугольник.
σ-Связи в циклопропане называют «банановыми». Они не лежат вдоль оси, соединяющей ядра атомов, а отклоняются от неё, уменьшая напряжение в молекуле циклопропана.
По свойствам «банановые» связи напоминают π-связи. Они легко разрываются.
Поэтому циклопропан очень легко вступает в реакции присоединения с разрывом углеродного цикла.
Остальные циклоалканы имеют неплоское строение. Молекула циклобутана имеет перегиб по линии, соединяющей первый и третий атомы углерода в кольце:
Циклобутан также вступает в реакции присоединения, но угловое напряжение в циклобутане меньше, чем в циклопропане, поэтому реакции присоединения к циклобутану протекают сложнее.
Большие циклы имеют более сложное, неплоское строение, вследствие чего угловое напряжение в молекулах больших циклоалканов почти отсутствует.
Циклоалканы с большим циклом не вступают в реакции присоединения. Для них характерны реакции замещения.
Строение циклопентана также неплоское, молекула представляет собой так называемый «конверт».
Молекула циклогексана не является плоским многоугольником и принимает различные конформации, имеющие названия «кресло» и «ванна»:
«кресло» «ванна»
Изомерия циклоалканов
Структурная изомерия
Для циклоалканов характерна структурная изомерия, связанная с разным числом углеродных атомов в кольце, разным числом углеродных атомов в заместителях и с положением заместителей в цикле.
- Изомеры с разным числом атомов углерода в цикле отличаются размерами углеродного цикла.
Изомеры с разным числом углеродных атомов в цикле – это этилциклопропан и метилциклобутан с общей формулой С5Н10
- Изомеры с разным числом атомов углерода в заместителях отличаются строением заместителей у одинакового углеродного цикла.
Структурные изомеры с различным числом углеродных атомов в заместителях – 1-метил-2-пропилциклопентан и 1,2-диэтилциклопентан
- Изомеры с разным положением одинаковых заместителей в углеродном цикле.
- Межклассовая изомерия: циклоалканы изомерны алкенам.
Формуле С3Н6 соответствуют циклопропан и пропен.
Геометрическая (цис-транс-) изомерия
У циклоалканов с двумя заместителями, расположенными у соседних атомов углерода в цикле цис-транс-изомерия обусловлена различным взаимным расположением в пространстве заместителей относительно плоскости цикла.
В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости цикла, в транс-изомерах – заместители расположены по разные стороны.
В молекуле 1,2-диметилциклопропана две группы СН3 могут находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер):
Для 1,1-диметилциклопропана цис-транс-изомерия не характерна.
Номенклатура циклоалканов
В названиях циклоалканов используется префикс -ЦИКЛО.
Название циклоалканов строится по следующим правилам:
1. Цикл принимают за главную углеродную цепь. При этом считают, что углеводородные радикалы, которые не входят в главной цепь, являются в ней заместителями.
2. Нумеруют атомы углерода в цикле так, чтобы атомы углерода, которые соединены с заместителями, получили минимальные возможные номера. Причем нумерацию следует начинать с более близкого к старшей группе конца цепи.
3. Называют все радикалы, указывая впереди цифры, которые обозначают их расположение в главной цепи.
Для одинаковых заместителей эти цифры указывают через запятую, при этом количество одинаковых заместителей обозначается приставками ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять) и т.д.
Например, 1,1-диметилциклопропан или 1,1,3-триметилциклопентан.
4. Названия заместителей со всеми приставками и цифрами располагают в алфавитном порядке.
Например: 1,1-диметил-3-этилциклопентан.
5. Называют углеродный цикл.
Химические свойства циклоалканов
Циклоалканы с малым циклом (циклопропан, циклобутан и их замещенные гомологи) из-за большой напряженности в кольце могут вступать в реакции присоединения.
1. Реакции присоединения к циклоалканам
Чем меньше цикл и чем больше угловое напряжение в цикле, тем легче протекают реакции присоединения. Способность вступать в реакции присоединения уменьшается в ряду: циклопропан > циклобутан > циклопентан.
1.1. Гидрирование циклоалканов
С водородом могут реагировать малые циклы, а также (в жестких условиях) циклопентан. При этом происходит разрыв кольца и образование алкана.
Циклопропан и циклобутан довольно легко присоединяют водород при нагревании в присутствии катализатора:
Циклопентан присоединяет водород в жестких условиях:
Бромирование протекает более медленно и избирательно.
Циклогексан и циклоалканы с большим число атомов углерода в цикле с водородом не реагируют.
1.2. Галогенирование циклоалканов
Циклопропан и циклобутан реагируют с галогенами, при этом тоже происходит присоединение галогенов к молекуле, сопровождающееся разрывом кольца.
Например. Циклопропан присоединяет бром с образованием 1,3-дибромпропана:
1.3. Гидрогалогенирование
Циклопропан и его гомологи с алкильными заместителями у трехчленного цикла вступают с галогеноводородами в реакции присоединения с разрывом цикла.
Например, циклопропан присоединяет йодоводород.
Присоединение галогеноводородов к гомологам циклопропана с заместителями у трехатомного цикла (метилциклопропан и др.) происходит по правилу Марковникова.
Например, при присоединении бромоводорода к метилциклопропану преимущественно образуется 2-бромбутан
2. Реакции замещения
Поэтому большие циклы гораздо более устойчивы, чем малые, и реакции присоединения с разрывом связей С-С для них не характерны. В химических реакциях они ведут себя подобно алканам, вступая в реакции замещения без разрыва кольца.
2.1. Галогенирование
Галогенирование циклопентана, циклогексана и циклоалканов с большим количеством атомов углерода в цикле протекает по механизму радикального замещения.
Например, при хлорировании циклопентана на свету или при нагревании образуется хлорциклопентан
При хлорировании метилциклопентана замещение преимущественно протекает у третичного атома углерода:
2.2. Нитрование циклоалканов
При взаимодействии циклоалканов с разбавленной азотной кислотой при нагревании образуются нитроциклоалканы.
Например, нитрование циклопентана.
2.3. Дегидрирование
При нагревании циклоалканов в присутствии катализаторов протекает дегидрирование – отщепление водорода.
Циклогексан и его производные дегидрируются при нагревании и под действием катализатора до бензола и его производных.
Например, бензол образуется при дегидрировании циклогексана.
Например, при отщеплении водорода от метилциклогексана образуется толуол.
3. Окисление циклоалканов
3.1. Горение
Как и все углеводороды, алканы горят до углекислого газа и воды. Уравнение сгорания циклоалканов в общем виде:
CnH2n + 3n/2O2 → nCO2 + nH2O + Q
Например, горение циклопентана.
2C5H10 + 15O2 → 10CO2 + 10H2O + Q
3.2. Окисление
При окислении циклогексана азотной кислотой или в присутствии катализатора образуется адипиновая (гександиовая) кислота:
Получение циклоалканов
1. Дегидрирование алканов
Алканы с длинным углеродным скелетом, содержащие 5 и более атомов углерода в главной цепи, при нагревании в присутствии металлических катализаторов образуют циклические соединения.
При этом протекает дегидроциклизация – процесс отщепления водорода с образованием замкнутого цикла.
Пентан и его гомологи, содержащие пять атомов углерода в главной цепи, при нагревании над платиновым катализатором образуют циклопентан и его гомологи:
Алканы с углеродной цепью, содержащей 6 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют устойчивые шестиатомные циклы, т. е. циклогексан и его гомологи, которые далее превращаются в ароматические углеводороды.
Гексан при нагревании в присутствии оксида хрома (III) в зависимости от условий может образовать циклогексан и потом бензол:
Гептан при дегидрировании в присутствии катализатора образует метилциклогексан и далее толуол:
Дегидроциклизация алканов — важный промышленный способ получения циклоалканов.
2. Гидрирование бензола и его гомологов
При гидрировании бензола при нагревании и в присутствии катализатора образуется циклогексан:
При гидрировании толуола образуется метилциклогексан:
Этим способом можно получить только циклогексан и его гомологи с шестичленным кольцом.
3. Дегалогенирование дигалогеналканов
При действии активных металлов на дигалогеналканы, в которых между атомами галогенов находится три и более атомов углерода.
Например, 1,4-дибромбутан реагирует с цинком с образованием циклобутана
Таким образом можно синтезировать циклоалканы заданного строения, в том числе циклоалканы с малыми циклами (С3 и С4).
- Курс
Меня зовут Быстрицкая Вера Васильевна.
Я репетитор по Химии
![[[pictureof]]](https://dist-tutor.info/s3/dist-tutor/user/20094/ava/thumbnails/mQ6siSVtAT1Szar.jpg)
Вам нужны консультации по Химии по Skype?
Если да, подайте заявку. Стоимость договорная.
Чтобы закрыть это окно, нажмите «Нет».
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОАЛКАНОВ
При обычных условиях первые два члена ряда (С3 — С4) — газы, (С5 — С11) — жидкости, начиная с С12 — твёрдые вещества.
Температуры кипения и плавленияциклоалканов выше, чем у соответствующих алканов
Циклоалканы в воде практически не растворяются.
При увеличении числа атомов углерода возрастает молярная масса, следовательно, увеличивается температура плавления.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОАЛКАНОВ
Циклоалканы проявляют свойства и алканов, и алкенов.
Циклопропан и циклобутан – имеют напряженные связи, угол отличается от 109°28´,
цикл разрывается и они легко вступают в реакции присоединения с H₂, Cl₂, Br₂,HCl, растворами окислителей, присоединяя по месту разрыва связи.
ПРИСОЕДИНЕНИЕ
1. Гидрирование.
При каталитическом гидрировании трех-, четырех- и даже пятичленные циклы разрываются с образованием алканов.
Циклопентан и циклогексан с трудом присоединяют водород:
2) Галогенирование.
Циклопропан и циклобутан разрываются, присоединяя атомы галогена, превращаясь в галогеналкан
3)Гидрогалогенирование.
Замещенные циклопропаны тоже взаимодействуют с галогеноводородами и другими соединениями с разрывом цикла.
ЗАМЕЩЕНИЕ
Большие циклы – циклопентан и циклогексан – гораздо более устойчивы, цикл в них не разрывается. Они ведут себя как алканы, вступая в реакции замещения :
1) Галогенирование:
циклопентан и циклогексан реагируют с галогенами на свету, вступая в реакцию замещения.
ДЕГИДРИРОВАНИЕ
Производные циклогексана дегидрируются в производные бензола:
ГОРЕНИЕ
Как и любые органические вещества, циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды.
Это циклические углеводороды с тремя двойными сопряженными связями в цикле.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости с характерным запахом, с плотностью менее 1 г/мл.
Высшие арены – твердые вещества. Нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных растворителях.
Огнеопасны.
Бензол и толуол ядовиты (поражают почки, печень, костный мозг, кровь).
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Свойственны:
1. Реакции присоединения (мало характерны из-за наличия делокализованой (электронная пара рассредоточена между несколькими ядрами атомов). системы аренам реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности.
2. Реакции замещения в бензольном кольце
3. Реакции замещения в боковой цепи
Реакции окисления
РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
1. Гидрирование → циклопарафины
Условия: повышенная температура, давление, металлические катализаторы (350⁰С, Pt или Ni).
2. Радикальное хлорирование → галогенпроизводное циклоалканов
Из бензола образуется гексахлорциклогексан (гексахлоран — средство борьбы с вредными насекомыми).
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ В БЕНЗОЛЬНОМ КОЛЬЦЕ
1. Галогенирование → галогенпроизводные аренов + HCl.
У бензола замещение одного атома водорода, у толуола при малом количестве галогена замещение присходит в положении орто- и пара-, при избытке галогена в положении 2,4,6-
Условия: нагревание, наличие катализаторов AlCl3, AlBr3, FeCl3 и т.п.:
2. Нитрование бензола → нитросоединения аренов + H₂O
Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот):
Нитрование толуола
При нитровании толуола С6Н5-CH3, в зависимости от количества азотной кислоты, могут образовываться разные продукты реакции
3. Сульфирование → моносульфокислота.
Осуществляется концентрированной серной кислотой (олеум – это раствор серного ангидрида в безводной серной кислоте)
4. Взаимодействие с галогенопроизводными алканов → гомологи бензола с боковой цепью (реакция Фриделя— Крафтса)
5. Взаимодействие с непредельными углеводородами — гомологи бензола с боковой цепью
ЗАМЕЩЕНИЕ В БОКОВОЙ ЦЕПИ
При действии хлора на свету или при нагревании на гомологи бензола происходит реакция радикального замещения в боковой цепи:
Бромирование метилбензола осуществляется при аналогичных условиях и приводит к образованию соответствующих бромзамещающих соединений.
РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ АРЕНОВ
Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и т.п.), поэтому используется как инертный растворитель при окислении других органических соединений.
1. Горение бензола
Бензол содержит около 92% углерода, при неполном сгорании бензола образуется много копоти (C). При горении бензола образуются углекислый газ и водяные пары.
Бензол не подвергается окислению
2. Окисление оксидом марганца
Метильная боковая цепь в толуоле подвергается окислению даже такими сравнительно мягкими окислителями, как оксид марганца (IV):
3. Окисление перманганатом калия в кислой среде
Более сильные окислители, например перманганат калия, вызывают дальнейшее окисление:
3) Окисление перманганатом калия в нейтральной среде при нагревании — образуется соль бензойной кислоты и карбонаты:
СТИРОЛ (винилбензол) С8Н8
производное
бензола, которое имеет в своём составе двойную связь в боковом заместителе,
поэтому он НЕ
относится к гомологическому ряду аренов.
Проявляются все свойства
непредельных углеводородов.
РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
протекают в боковой цепи в соответствии с правилом Марковникова, например:
РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ
1. Мягкое окисление стирола:
в нейтральной среде → многоатомный спирт
2. Жесткое окисление (t°) стирола:
в кислой среде → бензойная кислота,
в нейтральной при нагревании → бензоаты
3. Полимеризация полистирола (по боковой цепи):
→ полистирол.
Полистирол — полимер широкого применения
План урока:
Формула и строение циклоалканов
Номенклатура и изомерия циклоалканов
Методы получения циклоалканов
Физические свойства циклоалканов
Химические свойства циклоалканов
Области применения циклоалканов
Формула и строение циклоалканов
Углеродным атомам характерна sp3-гибридизация и формирование четырех сигма-связей (σ-связи) С-Н и С-С. От размеров цикла зависят свойства вещества. У первых двух представителей гомологического ряда валентный угол равен не 109˚35’, как в алканах, а меньше. Из-за возникающего напряжения в молекуле эти циклы имеют высокую реакционную способность.
«Банановые» σ-связи в циклопропане – особенность строения циклоалканов. Они расположены так, что соединяют ядра атомов углерода не прямой, а дугообразной линией. «Банановые» связи схожи с π-связями, т.к. легко рвутся. Они необходимы для уменьшения напряжения внутри цикла.
Рис. Малые циклопропаны. А, б, в – «банановые» связи циклоалканов; г – конформации циклоалканов. Источник
Другие нафтены имеют особенность – пространственное строение. В циклобутане есть перегиб между первым и третьим углеродным атомами. Циклопентан представлена в конформации «конверт», а циклогексан – в «кресло» и «ванна».
Общая формула циклоалканов: CnH2n, где n≥3.
Номенклатура и изомерия циклоалканов
Название состоит из приставки «цикло» и названия алкана с определенным количеством углеродных атомов. Циклоалканы подразделяются на малые и большие циклы. К первой группе относятся циклопропан и циклобутан, а ко второй все остальные вещества. Соединения этого класса часто изображают в виде геометрических фигур, где количество углов соответствует числу атомов углерода.
Для циклоалканов свойственно два вида изомерии – структурная и пространственная. Структурная включает в себя:
- изомерию углеродного скелета (расположение атомов может меняться как в цикле, так и в боковой цепи),
- изомерию положения заместителей в кольце,
- межклассовую изомерию (изомерны алкенам).
Пространственная включает в себя:
- цис-транс-изомерию,
- зеркальную изомерию (основана на существовании нескольких оптических изомеров),
- поворотную изомерию (основана на повороте относительно σ-связи).
Источник
Методы получения циклоалканов
В промышленном производстве циклоалканы получают двумя способами.
- Гидрирование аренов при нагревании с катализатором Ni
- Дегидрирование алканов при нагревании с катализатором
Циклы, имеющие шесть и более углеродных атома, получают под воздействием оксида хрома (III).
В лабораториях циклоалканы получают с помощью дегалогенирования дигалогеналканов. Особенность этого метода заключается в том, что галогены должны находиться на концах молекулы алкана.
Физические свойства циклоалканов
Циклоалканы во многом схожи с алканами. Первые два представителя гомологичного ряда – газы, следующие два – жидкости (они входят во фракции нефти), последующие соединения циклоалканов – твердые вещества. Температуры плавления и кипения выше, чем алканов с соответствующим количеством углеродных атомов. Это объясняется плотным расположением атомов внутри молекулы. Циклоалканы не растворимы в воде, но растворимы в органических растворителях.
Химические свойства циклоалканов
Свойства циклоалканов различны и меняются по мере изменения размеров молекулы. Малым циклам характерны реакции присоединения, а большим – замещения.
Реакции присоединения
Малые циклы хотя и проявляют насыщенность, но им не характерны свойства предельных углеводородов. Это связано с тем, что у первых двух простейших представителей циклоалканов валентные углы меньше. Для них свойственно напряжение внутри кольца и тяга к раскрытию при воздействии реагентов.
- Гидрирование при воздействии катализатора и высоких температур
- Галогенирование
- Гидрогалогенирование при нагревании
Реакции гидрогалогенирования гомологов циклоалканов осуществляется по правилу Марковникова.
Реакции замещения
Циклы с шестью и более углеродными атомами наиболее устойчивы из-за отсутствия углового напряжения.
- Галогенирование под действием света
У гомологов циклоалканов галоген замещается у третичного атома углерода.
Окисление
Уравнения реакции окисления характерны как для малых, так и для больших циклов.
Области применения циклоалканов
Нафтены нашли широкое применение в качестве:
- анестезирующих ингаляторов;
- продукта народного хозяйства;
- растворителей и др.
Также их применяют в получении полупродуктов при производстве синтетических волокон, адипиновой кислоты, циклогексанола. Применение циклоалканов актуально для получения аренов в нефтяной промышленности.