Циклоалканы
Ключевые тезисы
- Циклоалканы — углеводороды с замкнутым циклом из атомов углерода, соединённых одинарными связями.
- Общая формула: CₙH₂ₙ (изомерны алкенам).
- Для малых циклов (3- и 4-членных) характерны реакции присоединения с раскрытием цикла из-за углового (байеровского) напряжения.
- Средние циклы (5- и 6-членные) более устойчивы и вступают в реакции замещения, подобно алканам.
- Циклогексан и его производные могут дегидрироваться в ароматические соединения (арены).
Основное содержание
Общая характеристика
- Циклоалканы — карбоциклические соединения (цикл образован только атомами углерода).
- Строение молекулярное, кристаллическая решётка молекулярная.
- Названия образуются добавлением приставки цикло- к названию соответствующего алкана (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан).
Строение и пространственная форма
- Циклопропан: плоский треугольник, угол 60° (сильное отклонение от тетраэдрического угла 109.5° для sp³-гибридизации).
- Циклобутан: неплоский, имеет складчатую форму.
- Циклопентан: неплоский, наиболее стабильная конформация — «конверт».
- Циклогексан: наиболее стабильная конформация — «кресло».
Байеровское напряжение
- Возникает из-за несоответствия геометрического угла в цикле и оптимального угла между связями атома углерода в sp³-гибридизации.
- Приводит к образованию ослабленных «банановых» связей (перекрывание орбиталей не по линии, соединяющей центры ядер).
- Наиболее выражено в циклопропане, меньше — в циклобутане. Объясняет повышенную реакционную способность малых циклов.
Изомерия циклоалканов
- Структурная изомерия:
- Изомерия углеродного скелета (например, циклобутан и метилциклопропан).
- Изомерия положения заместителей в цикле (например, 1,2-; 1,3-; 1,4-диметилциклогексан).
- Межклассовая изомерия с алкенами (общая формула CₙH₂ₙ).
Физические свойства
- С увеличением молекулярной массы в гомологическом ряду растут температуры плавления и кипения.
- Циклопропан и циклобутан — газы, циклопентан и циклогексан — жидкости.
Химические свойства
Малые циклы (циклопропан, циклобутан)
Характерны реакции присоединения с раскрытием цикла:
- Гидрирование (с H₂) → алкан.
- Галогенирование (с Cl₂, Br₂) → дигалогеналкан.
- Гидрогалогенирование (с HCl, HBr) → галогеналкан. При наличии заместителя в цикле действует правило Марковникова.
Средние циклы (циклопентан, циклогексан)
Вступают в реакции замещения, подобные алканам:
- Галогенирование (Cl₂, Br₂, на свету/при нагревании) → галогенциклоалкан.
- Нитрование (по Коновалову, HNO₃ разб.) → нитроциклоалкан.
Дегидрирование циклогексана
- Циклогексан и его производные (при наличии атомов водорода в цикле) при дегидрировании образуют арены (бензол и его гомологи).
Реакции, нехарактерные для циклоалканов
- Гидратация (присоединение воды).
- Взаимодействие с водным раствором KMnO₄ (не обесцвечивают).
- Малые циклы обесцвечивают бромную воду, средние — нет.
Способы получения
- Из дигалогеналканов (реакция с Zn, Mg, Na). Атомы галогена не должны быть у соседних атомов углерода.
- Пример: 1,3-дибромпропан + Zn → циклопропан.
- Гидрирование аренов (бензола).
Выводы
- Свойства циклоалканов определяются размером цикла: малые циклы (C₃, C₄) реакционноспособны и склонны к раскрытию, а средние (C₅, C₆) более инертны и подобны алканам.
- Циклогексан служит связующим звеном между алициклическими и ароматическими углеводородами.