Циклоалканы - общая формула, строение и свойства углеводородов

История открытия и определение

Встречающиеся в природе циклоалканы (циклопентан, циклогексан, циклогептан, циклооктан) были впервые обнаружены химиком Владимиром Васильевичем Марковниковым в бензиновой фракции, также называемой нафте, кавказской нефти. Термин «нафтен» иногда используется для всех циклоалканов, однако его обычно применяют только к производным циклопентана и гексана. В промышленности «нафтен» по-прежнему является распространённым названием для этих веществ.

Существуют различные методы получения циклоалканов. Например, некоторые из них получают гидрированием бензола и его гомологов, а те, в свою очередь, являются продуктами нефтепереработки. Например, из н-гексана (СН 3 СН 2 СН 2 СН 2 СН 2 СН 3) получают метилциклогексан. Так же производят:

• метилциклопропан,
• метилциклопентан,
• метилциклобутан.

Однако эти соединения могут подвергаться заменам одного из их водородов. Когда число атомов углерода в кольце больше, чем в алкильных заместителях, кольцо считается главной цепью. При воздействии хлористого алюминия на этилциклобутан образуется метилциклопентан, который далее превращается в циклогексан.

Этимология вещества

Названия циклоалканов (алициклические углеводороды) образованы из имён соответствующих алканов с открытой цепью и одинаковым числом атомов углерода с помощью префикса «цикло». Полициклические алканы также названы в честь алканов с таким же количеством атомов.

Если имеется более одного заместителя, они должны быть названы в алфавитном порядке и таким образом, чтобы имели наименьший возможный номер локализатора. Например, б) называется 1-бром-4-фтор-2-бутилциклогептан.

И наконец, когда алкильный заместитель имеет больше атомов углерода, чем кольцо, говорят, что последний является заместителем основной цепи. Таким образом, в) называется 4-циклогексилнонано.

Количество колец задаётся префиксом бицикло, трицикло и т. д. Число атомов углерода, соединяющих кольца (так называемые атомы плацдарма) предшествует названию в порядке убывания в квадратных скобках. Наименование спиросоединений производится таким же образом.

Если молекула имеет заместителя, её местоположение обозначается номером, за которым следует название заместителя и, наконец, название циклоалканового кольца. На чертежах структурных формул циклоалканов кольца показаны многоугольниками.

Классификация и состояния

Хотя циклоалканы представляют собой подгруппу алканов, но из-за определённых отличий их обычно отделяют от них. Они образуют гомологический ряд с общей формулой циклоалканов — C n H 2n + 2 (1-x), где x — число колец.

Есть несколько классификаций этого вещества: по числу атомов в цикле, по количеству циклов и по способу соединения циклических уравнений реакций циклоалканов для решения цепочексоставляющих и т. д. Но главным классификационным критерием для циклоалканов является размер углеродного кольца. Циклоалканы, чья циклическая углеродная цепь содержит от 3 до 4 атомов, называются маленькими, 5—7 нормальными, 8—11 средними и более 11 — большими.

Помимо простых колец моноциклов, существуют циклоалканы, которые состоят из нескольких взаимосвязанных колец, их называют полициклическими алканами. В них существуют различные способы соединения колец — дифференцированные (конденсированные) или спиросоединения.

Они образуются, когда линейные алканы соединяются на концах своих цепей, создавая замкнутую структуру. Как и в случае алканов, циклоалканы могут иметь различные размеры, молекулярные массы, замены или даже системы, состоящие из более чем одного кольца (полициклического).

В остальном верно утверждение, что химически и физически они похожи на алканы, так как содержат только атомы углерода и водорода, являются нейтральными молекулами и поэтому взаимодействуют силами Ван-дер-Уолла.

Небольшие циклоалканы являются газообразными, и с увеличением размеров возрастают и их межмолекулярные силы. Следовательно, они могут быть жидкостями, способными растворять неполярные, смазывающие или твёрдые молекулы и жиры, которые показывают тёмные цвета и качества, такие как асфальт.

Особенности строения

Для циклоалканов характерны как структурная, так и пространственная изомерия. Наблюдение за ними может привести к ложной мысли, что все молекулы плоские. Это потому, что атомы углерода имеют sp 3-гибридизацию и, следовательно, имеют стремления к образованию тетраэдрических валентных углов со связью 109,5°. Но если геометрия колец тщательно соблюдается, невозможно, чтобы их углы были, например, внутри циклопропанового треугольника — 60°.

Это то, что известно, как угловое напряжение. Чем больше колец, тем угол между звеньями постоянного тока ближе к 109,5°, что вызывает уменьшение указанного натяжения и увеличение стабильности для циклоалкана.

Другой пример наблюдается в циклобутане, углы соединения которого составляют 90º. Уже в циклопентане его углы равны 108º, и тогда из циклогексана говорят, что угловое натяжение перестаёт оказывать столь заметный дестабилизирующий эффект. Из-за углов колец циклоалканов их легко запомнить, просто представляя геометрические фигуры:

• треугольник (циклопропан);
• квадрат (циклобутан);
• пятиугольник (циклопентан);
• шестиугольник (циклогексан);
• гептагон (циклогептан);
• декагон (циклодекан);
• пентадекагон (циклопентадекан) и т. д.

Чем больше кольцо, тем меньше оно напоминает его соответствующую геометрическую фигуру. Уже было замечено, что циклогексан — это не что иное, как шестиугольник; то же самое, более очевидно, с циклотетрадеканом.

Физико-химические свойства

Физические свойства циклоалканов аналогичны свойствам алканов, но имеют более высокие температуры кипения, температуры плавления и более высокие плотности.

Будучи составленными только из атомов углерода и водорода, которые сами по себе не слишком различаются по электроотрицательности, молекулы циклоалкана неполярные и, следовательно, лишаются дипольного момента.

Они не могут взаимодействовать через дипольные силы, но зависят конкретно от сил, которые увеличиваются с молекулярной массой. Вот почему маленькие циклоалканы (с менее чем пятью атомами углерода) являются газообразными.

Межмолекулярные взаимодействия

С другой стороны, поскольку они представляют собой кольца, циклоалканы имеют большую площадь контакта, что благоприятствует притяжению между их молекулами. Таким образом, они сгруппированы и взаимодействуют лучше, чем алканы и, следовательно, их температура кипения и плавления выше.

Кроме того, поскольку циклоалканы имеют на два атома водорода меньше (C n H 2n для циклоалканов и C n H 2n + 2 для алканов), они легче; и добавление к этому факта их большей площади контакта уменьшает объём, занимаемый молекулами, и, следовательно, они более плотные.

Насыщение и стабильность

Почему циклоалканы классифицируются как насыщенные углеводороды? Потому что у них нет способа включить молекулу водорода. Если кольцо не будет открыто, в этом случае они станут простыми алканами. Чтобы углеводород считался насыщенным, он должен иметь максимально возможное количество связей СН.

Химическими свойствами циклоалканы очень похожи на алканы. Однако их относительная стабильность отличается, что может быть проверено экспериментально путём измерения их теплоты сгорания.

Дело в том, что циклопропан, исходя из теплоты сгорания алканов, должен иметь более низкую ΔH (471 ккал / моль), потому что это три метиленовые группы, СН 2. Но в действительности при дегидрировании они выделяют больше тепла, что отражает нестабильность, превышающую предполагаемую. Говорят, что эта избыточная энергия происходит из-за напряжённости внутри кольца.

И действительно, эти напряжения регулируют и дифференцируют реакционную способность или стабильность по отношению к алканам и специфическим реакциям. Пока напряжения не очень высоки, циклоалканы имеют тенденцию быть более стабильными, чем их соответствующие алканы.

Помимо углового натяжения, существуют и другие факторы, способствующие стрессу, испытываемому циклоалканами.

Связи CC не могут вращаться без большего, поскольку это будет означать, что вся структура будет «дрожать». Таким образом, эти молекулы могут принимать очень чётко определённые пространственные конформации. Цель этих движений состоит в том, чтобы уменьшить напряжённость, вызванную затмением атомов водорода, то есть когда они смотрят друг на друга.

Реакции и применение

Реакции, которые могут испытывать циклоалканы, такие же, как и для алканов. Оба участвуют в типичных реакциях горения с образованием углекислого газа и воды. Кроме того, оба могут испытывать галогенирование, при котором водород заменяется атомом галогена (F, Cl, Br, I). Каталитическое гидрирование, бромирование и реакция с галогеноводородами дают производные пропана. При окислении они образуют:

• CO2 и H2O;
• спирты;
• двухатомные спирты;
• дикарбоновые кислоты.

Применение циклоалканов во многом зависит от их углеродного числа. Более лёгкие и, следовательно, газообразные, когда-то служили для питания ламп общественного освещения.

Жидкие фракции используют в качестве растворителей для масел, жиров или коммерческих продуктов неполярной природы. Они также часто используются в рутинных операциях в нефтяных лабораториях или при разработке топлива.

Ещё их можно использовать в качестве смазок. С другой стороны, они также могут представлять собой исходный материал для синтеза лекарств, таких как карбоплатин, который включает в свою структуру циклобутановое кольцо.