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.
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.