Получение. Свойства

Физические свойства. Физические свойства некоторых циклоалканов представлены в таблице. По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда и произошло их название – циклоалканы (циклопарафины). По свойствам они напоминают p-связи. Циклоалканы имеют более высокие температуры плавления, кипения и большую плотность, чем соответствующие алканы.


При наличии двух заместителей в кольце у разных углеродных атомов возможна геометрическая цис-транс-изомерия, начиная с C5H10, и оптическая изомерия. Следует отметить, что в циклических соединениях возможно возникновение не только цис-транс-, но и зеркальной изомерии.

Кроме того, в ряду циклоалканов существенное значение имеет поворотная изомерия. В рассматриваемой молекуле циклогексана сохраняются обычные валентные углы при условии его существования в двух конформациях «кресла» и «ванны». Циклопарафины с пяти- и шестичленными циклами вступают при галогенировании в обычные для парафинов реакции замещения. Наибольшее практическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан.

Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства. В отличие от предельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей, существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами). Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n. Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

При одинаковом составе температура кипения циклопарафина тем выше, чем больше размер цикла. Циклоалканы в воде практически не растворимы, однако растворимы в органических растворителях. Для циклоалканов характерны как структурная, так и пространственная изомерия. 3. Конформационная изомерия циклоалканов. Например, в циклогексане наиболее устойчивой является конформация «кресла».

Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторых месторождений (отсюда произошло одно из их названий — нафтены). Циклогексан используется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, капролактама, а также в качестве растворителя. Выше мы продемонстрировали неустойчивость малых циклов и их способность разрываться и вступать в реакции при­соединения. Так, циклопропан имеет плоское строение, поэтому атомы водорода у соседних атомов углерода располагаются над и под плоскостью цикла в энергетически невыгодном («заслоненном») положении.

Получение. Свойства

Так, молекула циклогексана не является плоским многоугольником и принимает различные конформации. Следует отметить, что и в конформации кресла, и в конформации ванны связи вокруг каж­дого атома углерода имеют тетраэдрическое расположение.

Следовательно, граничными орбиталями этилена и других алкенов, определяющими их реакционную способность будут -орбитали. Несмотря на то, что гидрирование этилена и других алкенов до алканов, сопровождается выделением тепла, эта реакция с заметной скоростью идет только в присутствии определенных катализаторов. Следует различать гетерогенное и гомогенное каталитическое гидрирование алкенов.

Циклогексан и его конформации

Гидрирование алкенов с катализатором Адамса проводят обычно при нормальном давлении и температуре 20-500С в спирте, уксусной кислоте, этилацетате. Алкены реагируют с бромом и хлором с образованием продуктов присоединения по двойной связи одной молекулы галогена с выходом близким к количественному. Фтор слишком активен и вызывает деструкцию алкенов. Присоединение брома и хлора к алкенам происходит по ионному, а не по радикальному механизму.

ЦИКЛОАЛКАНЫ (ЦИКЛОПАРАФИНЫ)

Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n, то есть циклоалканы изомерны этиленовым углеводородам. Оптическая изомерия проявляется в том случае, если молекула не имеет плоскости симметрии. Для изучения названных видов изомерии необходимо просмотреть анимационный фильм «Цис-транс-изомерия в циклических соединениях» (данный материал доступен только на CD-ROM). Метильные группы в приведенных примерах могут располагаться по одну сторону плоскости кольца (такой изомер называется цис-изомером) и по разные стороны (такой изомер называется транс-изомером).

Циклобутан, циклопентан и их конформации

При наложении модели молекулы цис-изомера с одинаковыми заместителями и ее зеркального отражения они совмещаются, в то время как таковое невозможно для цис-изомера с различными заместителями. Циклобутан существует в виде неплоских «сложенных» конформаций. При каталитическом гидрировании трех-,четырех- и пятичленные циклы разрываются с образованием алканов.

Реакция осуществляется в соответствии с правилом Марковникова (см. «Непредельные углеводороды»). 2. Оптическая изомерия некоторых ди- (и более) замещенных циклов. Все циклы, кроме циклопропана, имеют неплоское строение, что обусловлено стремлением атомов углерода к образованию нормальных (тетраэдрических) углов между связями.

Причины этого кроются в строении циклов. Это — одна из причин «напряженности» цикла и его неустойчивости. Действительно, циклопропан способен вступать в реакции присоединения (с разрывом цикла). Обычные циклы, наоборот, очень устойчивы и не склонны к разрыву. Другое возможное для циклогексана расположение атомов со­ответствует конформации ванны, хотя оно менее устойчиво, чем конформация кресла.

Циклопентан и циклогексан по своему химическому поведению близки к алканам, так как вступают в реакции замещения. Циклоалканы с большим количеством углеродных атомов в цикле ведут себя как алканы, для них характерны реакции замещения. Тексты, сопровождающие эти фильмы, в полном объеме перенесены в данный подраздел и ниже следуют.