Циклоалканы

Как известно, атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей и циклов.

Первым, кто выдвинул идею о том, что атомы углерод образуют циклы, был А. Кекуле. Считают, что такая идея возникла у него после того, как он увидел в зоопарке обезьян, которые схватили друг друга за лапы и хвост. Некоторые считают, что во сне ему приснилась извивающаяся змея, которая ухватила себя за хвост и замерла.

В молекулах циклоалканов атомы углерода связаны между собой одинарными ковалентными связями. Для циклоалканов характерна sp³-гибридизация атомных орбиталей. На свойства циклоалканов оказывает влияние устойчивость цикла, которая зависит от его размера. Например, углеродная цепь более устойчива, если валентный угол близок к тетраэдрическому. Поэтому трёх-и четырёхчленные циклы менее устойчивы, чем пяти-и шестичленные.

Общая формула циклоалканов отличается от общей формулы алканов, так как для того, чтобы образовался цикл нужно отщепить у алкана 2 атома водорода. И общая формула циклоалканов будет C_nH_2n. Например, у гексана формула С₆Н₁₄, а у циклогексана С₆Н₁₂.

Циклоалканы относятся к карбоциклическим соединениям, то есть соединениям, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.

Таким образом, циклоалканы – органические соединения, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.

Молекулы циклоалканов могут содержать заместители, связанные с циклом: метилциклопропан, 1,3-диметилциклопентан, метилциклогексан.

Рассмотрим изомерию циклоалканов: например, циклоалканы могут различаться числом атомов углерода в цикле. Как, например, метилциклопетан и циклогексан.

Изомерные циклоалканы различаются и строением заместителей. Например, этилциклобутан и 1,2-диметилбутан. Циклоалканы различаются также положением заместителей в цикле. Например, 1,1-диметилциклобутан и 1,3-диметилциклобутан.

Составим всевозможные изомеры к циклоалкану состава С₅Н₁₀. Это цикл, который состоит из пяти томов углерода – циклопентан, затем четыре атома углерода могут образовывать цикл, а один атом углерода входить в состав заместителя. Это метилциклобутан. Существуют также изомерные циклоалканы состава С₅Н₁₀, молекулы которых включают цикл из трех атомов углерода. В этом случае с циклом связаны либо две метильные группы, причем метильные группы могут находиться как у одного атома углерода, так и у соседних, либо одна этильная группа: 1,1-диметилциклопропан, 1,2-диметилциклопропан, этилциклопропан.

Кроме того, для циклоалканов характерна межклассовая изомерия с алкенами. Так, между собой будут изомерны циклобутан и бутен-1.

Для циклоалканов, содержащих два и более заместителя, возможна пространственная изомерия – конформационная изомерия. При этом происходит превращение одной формы в другую без разрыва связей, то есть идёт лишь разворот атомов относительно друг друга. Молекула как бы выворачивается. Эти структуры между собой являются конформерами. Конформерами циклогексана будут «кресло», «ванна» или «лодка», также «твист».

Рассмотрим номенклатуру циклоаканов. Основные принципы построения названий такие же, как и в случае алканов, только вместо наиболее длинной углеродной цепи (главной цепи) в качестве основы выбирают цикл. Атомы углерода в цикле нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Принадлежность соединения к классу циклоалканов указывает приставка цикло- и суффикс -ан.

Используя эти правила, назовём некоторые изомерные циклоалканы состава С₈Н₁₆.

По своим физическим свойствам циклоалканы похожи на алканы. При комнатной температуре циклопропан и циклобутан – газы, С₅ – С₁₀ – бесцветные жидкости со специфическим запахом, высшие циклоалканы являются твёрдыми веществами. Циклоалканы практически нерастворимы в воде.

Химические свойства циклоалканов с различным числом атомов углерода в цикле существенно различаются. Например, для циклопропана и циклобутана характерны реакции присоединения. Циклопентан и циклогексан, наоборот, по химическим свойствам близки к алканам: так же, как и алканы, они не реагируют с кислотами и щелочами, но для них характерны реакции замещения с галогенами.

Циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды. Так, при горении циклогексана образуется углекислый газ и вода.

С₆Н₁₂ + 9О₂ → 6СО₂↑ + 6Н₂О

Трёх и четырёхчленные циклы менее устойчивы, поэтому для них характерны реакции присоединения.

Реакции галогенирования. В реакции циклобутана с хлором идёт реакция присоединения и образуется 1,4-дихлобутан, а в реакции циклогексана с хлором идёт реакция замещения, в результате реакции образуется хлорциклогексан. Последняя реакция идёт по свободнорадикальному механизму, как и для алканов.

Пяти-и шестичленные циклы вступают и в реакцию нитрирования. Так, в реакции циклогексана с азотной кислотой образуется нитроциклогексан.

При повышенной температуре циклоалканы вступают в реакции присоединения. Так, при гидрировании циклпропана образуется пропан.

Циклоалканы вступают в реакции дегидрирования. При пропускании паров циклогексана над нагретым никелевым, платиновым или палладиевым катализатором образуется бензол.

В конце 19 века химики установили, что в состав нефти входят циклоалканы. Изучением их строения и свойств занимался русский химик В. В. Марковников. Именно он назвал эти соединения нафтенами (от греч. naphtha – «нефть»). Особенно велико содержание нефтенов в бакинской нефти, откуда их можно выделить фракционной перегонкой.

Циклоалканы можно получить при гидрировании бензола и его гомологов. Так, при гидрировании метилбензола образуется метилциклогексан.

Циклоалканы можно получить и при дегалогенировании дигалогенпроизводных. Так, при действии цинка или магния на 1,3-дибромпропан образуется циклопропан.

Алканы, содержащие пять и более атомов углерода в цепи, при нагревании в присутствии катализатора (платина, оксид хрома (III)) отщепляются два атома водорода с замыканием цикла. Например, при дегидрировании 2,4-диметилпентана образуется 1,3-диметилциклопентан.

Циклоалканы встречаются в природе. Они входят в состав нефти. Циклоалканы являются компонентами бензина. Из циклогексана получают капролактам – исходное вещество для синтеза капрона. Циклопропан применяется в медицине как обезболивающее средство.

Таким образом, циклоалканы являются карбоциклическими соединениями. Общая формула C_nH_2n. Для циклоалканов характерна изомерия по величине цикла, по строению заместителей, по расположению заместителей. Для них характерна межклассовая изомерия с алкенами, а также конформационная изомерия. Названия циклоалканов образуются приставкой цикло- и суффиксом -ан. Для трёх-и четырёхчленных алканов характерны реакции присоединения, для пяти-и шестичленных циклов – реакции замещения. Циклоалканы в промышленности получают из нефти.