Химические свойства циклоалканов

Строение, получение и свойства циклоалканов

Циклоалканы (циклопарафины) – органические насыщенные соединения, атомы углерода в молекулах которых, соединяясь, образуют циклы. Общая формула – C_nH_2n (n≥3). 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 («заслонённое») положение, что способствует увеличению «напряжённости» 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 настолько 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 — твёрдые вещества. Растворимость циклических алканов в воде очень низка.

Получение циклоалканов

· Переработка нефти (получают циклогексан и его производные)

· Реакция отщепления

При отщеплении от дигалогенпроизводныхалканов двух атомов галогена получают трёх- и четырёхчленные циклоалканы:

· Реакция гидрирования ароматических углеводородов в присутствии катализатора

При нагревании бензола или его гомологов и водорода в присутствии никелиевого катализатора получают циклогексан или его производные: С₆Н₆ + 3Н₂ → С₆Н₁₂ (циклогексан)

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.

Реакции присоединения

· Галогенирование:

· Гидрогалогенирование:

· Гидрирование:

· Расщепление серной кислотой: