-
Циклоалкани (ціклопаpафіни, нафти, циклани, поліметилен) - граничні вуглеводні з замкнутої (циклічної) вуглецевим ланцюгом.
Атоми вуглецю в циклоалканами, як і в алканах, знаходяться в sp3-гібрідізоваться стані і все їх валентності повністю насичені.
Найпростіший Циклоалкани - ціклопpопан С3Н6 - являє собою плоский тричлен карбоцікл.
Решта цикли мають неплоскому будова внаслідок прагнення атомів вуглецю до утворення тетраедричних валентних кутів.
За правилами міжнародної номенклатури в циклоалканами головною вважається ланцюг вуглецевих атомів, що утворюють цикл. Назва будується за назвою цієї замкнутої ланцюга з додаванням приставки "цикло" (циклопропан, циклобутану, циклопентан, циклогексан і т. Д.). При наявності в циклі заступників нумерацію атомів вуглецю в кільці проводять так, щоб відгалуження отримали можливо менші номери. Так, з'єднання
слід назвати 1,2-діметілціклобутан, а не 2,3-діметілціклобутан, або 3,4-діметілціклобутан.
Молекули циклоалканов містять на два атома водню менше, ніж відповідні алкани. Напpимеp, бутан має фоpмулу С4Н10. а циклобутану - С4Н8. Тому загальна формула циклоалканов СnH2n. Структурні формули циклоалканов зазвичай зображуються скорочено у вигляді правильних багатокутників з числом кутів, відповідних числу атомів вуглецю в циклі.
3.1. ізомерія циклоалканов
Для циклоалканов характерні як структурна, так і просторова ізомерія.
1. Ізомерія вуглецевого скелета:
б) бічних ланцюгів
2. Ізомерія положення заступників в кільці:
3. Міжкласова ізомерія з алкенами:
1. Цис-транс -ізомер, обумовлена різним взаємним розташуванням в просторі заступників щодо площині циклу. У цис -ізомер заступники перебувають по одну сторону від площини кільця, в транс -ізомер - по різні:
2. Оптична (дзеркальна) ізомерія деяких ді - (і більше) заміщених циклів. Наприклад, транс -1,2-діметілціклопропан може існувати у вигляді двох оптичних ізомерів, що відносяться один до одного як предмет і його дзеркальне зображення.
3. Поворотна ізомерія циклоалканов. Всі цикли, крім циклопропана, мають неплоскому будова, що обумовлено прагненням атомів вуглецю до утворення нормальних (тетраедричних) кутів між зв'язками. Це досягається поворотами по s-зв'язків С-С, що входять в цикл. При цьому виникають різні конформації (поворотні ізомери) з різною енергією і частіше реалізуються ті з них, які мають найменшої енергією, т. Е. Більш стійкі. Наприклад, в циклогексане найбільш стійкою є конформація "крісла".
У цій просторової формі відсутній кутовий напруга, т. К. Все валентні кути мають нормальні для sp3-гібрідізоваться атомів значення 109 ° 28 '. Крім того, кожна пара сусідніх атомів вуглецю (фрагмент етану) знаходиться в загальмованою конформації.
3.2. властивості циклоалканов
Фізичні властивості циклоалканов закономірно змінюються з ростом їх молекулярної маси. Пpи нормальних умовах ціклопpопан і циклобутану - гази, Циклоалкани С5 - С16 - рідини, починаючи з С17, - тверді речовини. Температури кипіння циклоалканов вище, ніж у соответвуют алканів. Це пов'язано з більш щільною упаковкою і сильнішими міжмолекулярними взаємодіями циклічних структур.
Хімічні властивості циклоалканов сильно залежать від розміру циклу, що визначає його стійкість. Трьох - і четирехчленние цикли (малі цикли), будучи насиченими, проте, різко відрізняються від всіх інших граничних вуглеводнів. Валентні кути в циклопропаном і ціклобутане значно менше нормального тетраедричного кута 109 ° 28 ', властивого sp3-гібрідізоваться атому вуглецю.
Це призводить до великої напруженості таких циклів і їх прагненню до розкриття під дією реагентів. Тому циклопропан, циклобутану і їх похідні вступають в реакції приєднання. проявляючи характер ненасичених сполук. Легкість реакцій приєднання зменшується зі зменшенням напруженості циклу в ряду:
циклопропан> циклобутану >> циклопентан.
Найбільш стійкими є 6-членні цикли, в яких відсутні кутовий та інші види напруги.
Малі цикли (С3 - С4) досить легко вступають в реакції гідрування:
Циклопропан і його похідні приєднують галогени і галогеноводороди:
В інших циклах (починаючи з С5) кутове напруга знімається завдяки неплоскому будовою молекул. Тому для циклоалканов (С5 і вище) унаслідок їх стійкості характерні реакції, в яких зберігається циклічна структура, т. Е. Реакції заміщення.
Ці сполуки, подібно алканів, вступають також в реакції дегідрування, окислення в присутності каталізатора і ін.
Настільки різке відмінність у властивостях циклоалканов в залежності від розмірів циклу призводить до необхідності розглядати не загальний гомологічний ряд циклоалканов, а окремі їхні ряди за розмірами циклу. Наприклад, в гомологічний ряд циклопропану входять: циклопропан С3Н6, метілціклопропан С4Н8, етілціклопропан С5Н10 і т. Д.
3.3. отримання циклоалканов
1. Циклоалкани містяться в значних кількостях в нафтах деяких родовищ (звідси відбулася одна з їхніх назв - нафтени). При переробці нафти виділяють головним чином Циклоалкани С5 - С7.
2. Дія активних металів на дігалогензамещенние алкани (реакція Вюрца) призводить до утворення різних циклоалканов:
(Замість металевого натрію використовується також порошкоподібний цинк).
Будова утворюється Циклоалкани визначається структурою вихідного дігалогеналкана. Цим шляхом можна отримувати Циклоалкани заданого будови. Наприклад, для синтезу 1,3-діметілціклопентана слід використовувати 1,5-дігалоген-2,4-діметілпентан:
Існують і інші методи отримання циклоалканов. Так, наприклад, циклогексан і його алкільні похідні отримують гидрированием бензолу і його гомологів, які є продуктами нафтопереробки.