Химия

Урок 5: Циклоалканы

Циклоалканы

Нефть – вещество, на котором строится все современное производство. Из нее изготавливают строительные материалы, одежду, топливо и др. Она состоит из множества фракций, включая циклоалканы. Циклопентан и циклогексан занимает до 80 % состава нефти. Циклоалканы – циклические предельные органические соединения, имеющие три и более углеродных атома. Были открыты в 1883 году ученым Владимиром Васильевичем Марковниковым. Их также называют нафтенами, т.к. они встречаются в составе нефтяных фракций.

План урока:

Формула и строение циклоалканов

Номенклатура и изомерия циклоалканов

Методы получения 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.

1 cikloalkany
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.

2 cikloalkany
 

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),

3 cikloalkany
 

  • изомерию положения заместителей в кольце,

4 cikloalkany
 

  • межклассовую изомерию (изомерны алкенам).

 

Пространственная включает в себя:

  • цис-транс-изомерию,

5 cikloalkany
 

  • зеркальную изомерию (основана на существовании нескольких оптических изомеров),

6 cikloalkany
 

  • поворотную изомерию (основана на повороте относительно σ-связи).

7 cikloalkany
Источник

 

Методы получения циклоалканов

В промышленном производстве циклоалканы получают двумя способами.

  • Гидрирование аренов при нагревании с катализатором Ni

8 cikloalkany

  • Дегидрирование алканов при нагревании с катализатором

9 cikloalkany

Циклы, имеющие шесть и более углеродных атома, получают под воздействием оксида хрома (III).

10 cikloalkany

В лабораториях циклоалканы получают с помощью дегалогенирования дигалогеналканов. Особенность этого метода заключается в том, что галогены должны находиться на концах молекулы алкана.

11 cikloalkany

 

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.

12 cikloalkany
 

 

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

13 cikloalkany

  • Галогенирование

14 cikloalkany

  • Гидрогалогенирование при нагревании

15 cikloalkany

Реакции гидрогалогенирования гомологов циклоалканов осуществляется по правилу Марковникова.

16 cikloalkany

 

Реакции замещения

Циклы с шестью и более углеродными атомами наиболее устойчивы из-за отсутствия углового напряжения.

  • Галогенирование под действием света

17 cikloalkany

У гомологов циклоалканов галоген замещается у третичного атома углерода.

18 cikloalkany

 

Окисление

Уравнения реакции окисления характерны как для малых, так и для больших циклов.

19 cikloalkany

 

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

Вопрос: 1
Углеродным атомам циклоалканов характерно образование:
1Четырех сигма-связей (σ-связей)
2Трех сигма-связей(σ-связей) и одной пи-связи (π-связи)
3Трех пи-связей (π-связей) и одной сигма-связи(σ-связей)
4Четырех пи-связей (π-связей)
Ответить
1
Вопрос: 2
«Банановые» связи характерны для:
1Циклопропана и циелопентана
2Циклобутана и циклопентана
3Циклопропана и циклобутана
4Циклопентана и циклогептана
Ответить
3
Вопрос: 3
Циклопропан имеет форму:
1Пятиугольника
2Квадрата
3Шестиугольника
4Треугольника
Ответить
4
Вопрос: 4
Окисление циклоалканов проводится под действием:
1Серной кислоты
2Азотной кислоты
3Соляной кислоты
4Фосфорной кислоты
Ответить
2
Вопрос: 5
Циклоалканы от алканов отличаются:
1Более высокой температурой кипения и плавления
2Более низкой температурой кипения и плавления
3Количеством углеродных атомов в соответствующих соединениях
4Способностью вступать в реакции окисления
Ответить
1
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

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)
2 вопрос:

«Банановые» связи характерны для:
1) Циклопропана и циелопентана 2) Циклобутана и циклопентана 3) Циклопропана и циклобутана 4) Циклопентана и циклогептана
3 вопрос:

Циклопропан имеет форму:
1) Пятиугольника 2) Квадрата 3) Шестиугольника 4) Треугольника
4 вопрос:

Окисление циклоалканов проводится под действием:
1) Серной кислоты 2) Азотной кислоты 3) Соляной кислоты 4) Фосфорной кислоты
5 вопрос:

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
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Четырех сигма-связей (σ-связей)
2 вопрос: Циклопропана и циклобутана
3 вопрос: Треугольника
4 вопрос: Азотной кислоты
5 вопрос: Более высокой температурой кипения и плавления