Химия
Циклоалканы
План урока:
Формула и строение циклоалканов
Номенклатура и изомерия 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).
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.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Углеродным атомам циклоалканов характерно образование:
1) Четырех сигма-связей (σ-связей) 2) Трех сигма-связей(σ-связей) и одной пи-связи (π-связи) 3) Трех пи-связей (π-связей) и одной сигма-связи(σ-связей) 4) Четырех пи-связей (π-связей)
«Банановые» связи характерны для:
1) Циклопропана и циелопентана 2) Циклобутана и циклопентана 3) Циклопропана и циклобутана 4) Циклопентана и циклогептана
Циклопропан имеет форму:
1) Пятиугольника 2) Квадрата 3) Шестиугольника 4) Треугольника
Окисление циклоалканов проводится под действием:
1) Серной кислоты 2) Азотной кислоты 3) Соляной кислоты 4) Фосфорной кислоты
Циклоалканы от алканов отличаются:
1) Более высокой температурой кипения и плавления 2) Более низкой температурой кипения и плавления 3) Количеством углеродных атомов в соответствующих соединениях 4) Способностью вступать в реакции окисления