Kievuz

Циклоалканы (циклопарафины)

Тема №16 «Циклоалканы» | CHEM-MIND.com

Циклоалканы (циклопарафины)

В отличие от предельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей, существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами).

По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда и произошло их название – циклоалканы (циклопарафины).

Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n, то есть циклоалканы изомерны этиленовым углеводородам. Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Циклоалканы

Циклопропан

Циклобутан

Циклопентан

Циклогексан

Очень часто в органической химии структурные формулы перечисленных циклоалканов изображают без символов C и H простыми геометрическими фигурами.

Гомологический ряд циклоалканов

Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n. Точно такой же формулой описывается гомологический ряд алкенов. Из чего следует, что каждому циклоалкану изомерен соответствующий алкен. Это пример так называемой «межклассовой» изомерии.

Гомологический ряд циклоалканов

Изомерия и номенклатура циклоалканов

1) Для циклоалканов как и для всех классов органических соединений, характерна изомерия углеродного скелета (структурная изомерия).

Структурная изомерия для циклоалканов, во-первых, обусловлена размером цикла. Так, существует два циклоалкана формулы С4Н8: циклобутан и метилциклопропан.

Во-вторых, такая изомерия обусловливается положением заместителей в цикле (например, 1,1 и 1,2-диметилбутан).

а) Изомерией кольца:

а) Изомерия боковых цепей:

2) Изомерия положения заместителей в кольце:

3) Межклассовая изомерия с алкенами:

4) Пространственная изомерия. Отсутствие свободного вращения вокруг связей С-С в цикле создает предпосылки для существования пространствен­ных изомеров у некоторых замещенных циклоалканов. Например, в молекуле 1,2-диметилциклопропана две группы СН3 могут находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер):

По размеру цикла циклоалканы делятся на ряд групп, из которых мы рассмотрим малые (С3, С4) и обычные (С5-С7) циклы.

По правилам международной номенклатуры в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов, образующих цикл.

Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавлением приставки «цикло-» (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т.д.).

При наличии в цикле заместителей нумерацию атомов углерода в кольце проводят так, чтобы ответвления получили возможно меньшие номера. Так, соединение следует назвать 1,2-диметилциклобутан, а не 2,3-диметилциклобутан, или 3,4-диметилциклобутан.

Структурные формулы циклоалканов обычно записывают в сокращенном виде, используя геометрическую форму цикла и  опуская символы атомов углерода и водорода.

Физические свойства циклоалканов

При обычных условиях первые два члена ряда (С3 — С4) — газы, (С5 — С11) — жидкости, начиная с С12 — твёрдые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов. Циклоалканы в воде практически не растворяются. При увеличении числа атомов углерода возрастает молярная масса, следовательно, увеличивается температура плавления.

Химические свойства циклоалканов

Свойства сильно зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость.

Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, тем не менее, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Валентные углы в циклопропане и циклобутане значительно меньше нормального тетраэдрического угла 109°28’, свойственного sp3-гибридизованному атому углерода.

Это приводит к большой напряженности таких циклов и их стремлению к раскрытию под действием реагентов. Поэтому циклопропан, циклобутан и их производные вступают в реакции присоединения, проявляя характер ненасыщенных соединений. Легкость реакций присоединения уменьшается с уменьшением напряженности цикла в ряду:

циклопропан > циклобутан >> циклопентан

Наиболее устойчивыми являются 6-членные циклы, в которых отсутствуют угловое и другие виды напряжения.

· Малые циклы (С3 – С4) довольно легко вступают в реакции гидрирования:

· Циклопропан и его производные присоединяют галогены и галогеноводороды:

Циклопропан и его гомологи реагируют с галогенводородами с раскрытием цикла в соответствии с правилом Марковникова.

Когда несимметричный алкен соединяется с галогеноводородной кислотой, галоген присоединяется к атому углерода, содержащему меньше атомов водорода.

В других циклах (начиная с С5) угловое напряжение снимается благодаря неплоскому строению молекул. Поэтому для циклоалканов (С5 и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т.е. реакции замещения.

Реакция идет по цепному радикальному механизму (аналогичному замещению в алканах).

Эти соединения, подобно алканам, вступают также в реакции дегидрирования, например дегидрирование циклогексана и его алкильных производных:

А также окисления в присутствии катализатора, например окисление циклогексана:

Окисление циклоалканов

Подытожив химические свойства циклоалканов можно записать их химические свойства так:

химические свойства циклоалканов

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева Таблица растворимости

Источник: https://www.chem-mind.com/2017/03/28/%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0-%E2%84%9616-%D1%86%D0%B8%D0%BA%D0%BB%D0%BE%D0%B0%D0%BB%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8B/

Циклоалканы (циклопарафины)

Циклоалканы (циклопарафины)

страница 1

УГЛЕВОДОРОДЫ

В отличие от предельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей, существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами).

По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда и произошло их название – циклоалканы (циклопарафины). Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n, то есть циклоалканы изомерны этиленовым углеводородам.

Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Циклопропан Циклобутан Циклопентан Циклогексан

Очень часто в органической химии структурные формулы перечисленных циклоалканов изображают без

символов C и H простыми геометрическими фигурами 

Изомерия

Для циклопарафинов, начиная с C4H8, характерны некоторые виды структурной изомерии, связанные:

  1. с числом углеродных атомов в кольце – например, (этилциклопропан), (метилциклобутан);
  1. с числом углеродных атомов в заместителях – (1-метил-2-пропилциклопентан), (1,2-диэтилциклопентан)
  1. с положением заместителя в кольце – (1,1-диметилциклогексан), (1,2-диметилциклогексан)

Для циклоалканов характерна также межклассовая изомерия с алкенами.

При наличии двух заместителей в кольце у разных углеродных атомов возможна геометрическая цис-транс-изомерия, начиная с C5H10, и оптическая изомерия. 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).

Текст, сопровождающий этот фильм, в полном объеме перенесен в данный подраздел и ниже следует.

Цис-транс-изомерия в циклических соединениях

“При наличии двух заместителей в циклических соединениях также возможна цис-транс-изомерия. 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).

Естественно, что при наложении друг на друга моделей цис- и транс- изомеров они не совмещаются. Взаимные изомеризации требуют разрыва цикла с последующим его замыканием или разрыва связи заместителя с углеродным атомом цикла и образованием новой связи с другой стороны цикла.

Следует отметить, что в циклических соединениях возможно возникновение не только цис-транс-, но и зеркальной изомерии.

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.

Для транс-изомеров совмещение модели молекулы и ее зеркального отражения невозможно как при одинаковых, так и различающихся заместителях.

Кроме того, в ряду циклоалканов существенное значение имеет поворотная изомерия. Для изучения этого вида изомерии в применении к циклическим соединениям необходимо просмотреть анимационные фильмы «Циклобутан, циклопентан и их конформации» и «Циклогексан и его конформации» (данный материал доступен только на CD-ROM). Тексты, сопровождающие эти фильмы, в полном объеме перенесены в данный подраздел и ниже следуют.

“Циклические соединения – это такие органические соединения,в которых углеродные атомы составляют замкнутые цепи, т.е. циклы. Простейшими представителями таких соединений являются циклопарафины или циклоалканы.

Прочность связей в циклических соединениях зависит от числа атомов, участвующих в образовании цикла. Она определяется степенью его напряженности, обусловленной изменением валентных углов атомов цикла и отклонением этих атомов от нормального направления (см. «теорию напряжения» Байера, разработанную им в 1885 году).Для циклопропана межъядерные углы составляют 60º, как в равностороннем треугольнике, для циклобутана – 90º, как в квадрате, а в циклопентане – 108º, как в правильном пятиугольнике. Нормальный валентный угол для атома углерода – 109,5º. Поэтому при расположении в названных соединениях всех атомов углерода в одной плоскости уменьшение валентных углов составляет в циклопропане – 49,5º, в циклобутане – 19,5º, в циклопентане – 1,5º.Чем больше отклонение валентного угла от нормального, тем более напряжены и, следовательно, непрочны циклы. Однако в отличие от циклопропана циклобутан и циклопентан имеют неплоские циклы. Один из атомов углерода непрерывно выходит из плоскости. Циклобутан существует в виде неплоских «сложенных» конформаций. Циклопентан характеризуется конформацией «конверт». Таким образом, обсуждаемые циклы находятся в колебательном движении, приводящем к уменьшению «заслоненности» атомов водорода у соседних углеродных атомов и снижению напряжения.»

«Для циклогексана, как правильного шестиугольника, межъядерные углы составляют 120º. Если бы молекула циклогексана имела плоское строение, то отклонение от нормального валентного угла атома углерода составляло:109,5º–120º = 10,5º.

Однако циклогексан и большие циклы имеют неплоское строение. В рассматриваемой молекуле циклогексана сохраняются обычные валентные углы при условии его существования в двух конформациях «кресла» и «ванны». Конформация «кресла» менее напряжена, поэтому циклогексан существует преимущественно в виде конформеров I и III, причем цикл претерпевает непрерывную инверсию (inversio – с латинского переворачивание, перестановка) с промежуточным образованием конформера II:

ось симметрии                         II                                     III      

I                                                                         

Двенадцать связей C–H, которые имеются у циклогексана в конформации «кресла», делятся на два типа.

Шесть связей направлены радиально от кольца к периферии молекулы и называются экваториальными связями (e- связи), остальные шесть связей направлены параллельно друг другу и оси симметрии и называются аксиальными (a- связи).

Три аксиальные связи направлены в одну сторону от плоскости цикла, а три – в другую (имеется чередование: вверх-вниз).»

Одними из наиболее часто применяющихся способов получения циклоалканов являются следующие:

  1. циклизация дигалогенопроизводных углеводородов:
  1. при действии цинка в этиловом спирте на соответствующее дигалогенопроизводное цепь углеродных атомов замыкается, приводя к циклоалкану (Г.Густавсон).
(1,3-дибромпропан) +Zn   +ZnBr2
  1. при действии амальгамы лития на 1,4- дибромбутан образуется циклобутан.
CH2–CH2–Br ICH2–CH2–Br(1,4-дибромбутан) + 2Li/Hg   H2C–CH2     I     IH2C–CH2(циклобутан) + 2 LiBr + 2Hg
  1. гидрогенизация ароматических соединений.
(бензол)  + 3H2  ––100ºC,Ni   (циклогексан)

Циклоалканы имеют более высокие температуры плавления, кипения и большую плотность, чем соответствующие алканы. При одинаковом составе температура кипения циклопарафина тем выше, чем больше размер цикла. Циклоалканы в воде практически не растворимы, однако растворимы в органических растворителях.

Физические свойства некоторых циклоалканов представлены в таблице.

Таблица. Физические свойства некоторых циклоалканов

Соединение tпл.,С tкип.,С d 420
Циклопропан -126,9 -33 0,6881
Метилциклопропан -177,2 0,7 0,69122
Циклобутан — 80 13 0,7038
Метилциклобутан -149,3 36,8 0,6931
Циклопентан — 94,4 49,3 0,7460
Метилциклопентан -142,2 71,9 0,7488
Циклогексан 6,5 80,7 0,7781
1 При температуре кипения. 2 При -20,0С.

Химические свойства циклопарафинов зависят от числа атомов углерода, составляющих цикл. Низшие циклоалканы (циклопропан и циклобутан) ведут себя как ненасыщенные углеводороды, они способны вступать в реакции присоединения.

Циклоалканы с большим количеством углеродных атомов в цикле ведут себя как алканы, для них характерны реакции замещения.

Причины такого различия в химическом поведении упомянутых циклоалканов подробно рассмотрены и обсуждены в анимационных фильмах «Циклобутан, циклопентан и их конформации», «Циклогексан и его конформации» (см. выше).

  1. Гидрирование. При каталитическом гидрировании трех-,четырех- и пятичленные циклы разрываются с образованием алканов.

(циклопропан) + H2  ––120ºC,Ni  CH3–CH2–CH3(пропан)

(циклопентан) + H2  ––300ºC,Pd  CH3–CH2–CH2–CH2–CH3(пентан)

Как видно, пятичленный цикл разрывается только при высоких температурах.

  1. Галогенирование. Трехчленный цикл при галогенировании разрывается, присоединяя атомы галогена

 + Br2  BrCH2–CH2–CH2Br(1,3- дибромпропан)

Циклопарафины с пяти- и шестичленными циклами вступают при галогенировании в обычные для парафинов реакции замещения.

 + Cl2  (хлорциклопентан) + HCl

  1. Гидрогалогенирование. Циклопропан и его гомологи взаимодействуют с галогеноводородами с разрывом цикла.
(метилциклопропан) + HBr  CH3–CH2– CHCH3(2-бромбутан) IBr

Реакция осуществляется в соответствии с правилом Марковникова (см. «Непредельные углеводороды»).

Другие циклопарафины с галогеноводородами не реагируют.

  1. Дегидрирование. Соединения с шестичленными циклами при нагревании с катализаторами дегидрируются с образованием ароматических углеводородов.
  ––300ºC,Pd   (бензол)  + 3H2
  1. Окисление. Несмотря на устойчивость циклопарафинов к окислителям в обычных условиях, при нагревании сильные окислители превращают их в двухосновные карбоновые кислоты с тем же числом углеродных атомов.
OII   ––  CI HO –CH2–CH2–CH2–CH2– O IIC   (адипиновая кислота)IOH

Наибольшее практическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан. Циклогексан используется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, капролактама, а также в качестве растворителя. Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства.

Источник: http://klevoz.ru/nuda/cikloalkani-cikloparafini/main.html

Строение, получение и свойства циклоалканов

Циклоалканы (циклопарафины)

Циклоалканы (циклопарафины) – органические насыщенные соединения, атомы углерода в молекулах которых, соединяясь  образуют циклы. Общая формула – CnH2n . Строение, получение и свойства циклоалканов отличаются от свойств нормальных алканов с тем же числом углеродных атомов.

В молекулах циклоалканов углеродные атомы связаны между собой σ – связями. Устойчивость циклопарафинов, т.е. прочность С-С связей возрастает с увеличением количества атомов углерода, образующих цикл. Циклы делят на малые (С3, С4) и обычные (C5 – С7).

В качестве представителя малого цикла рассмотрим циклопропан:

  • Молекула циклопропана представляет собой плоский цикл, образованный тремя атомами углерода; атомы водорода при этом расположены вне его плоскости и занимают энергетически невыгодное («заслоненное») положение, что способствует  увеличению «напряженности» цикла и его неустойчивости.
  • Валентные углы в плоском равностороннем треугольнике принимают значение равное 60°. А для sp3-гибридизованного атома углерода это значение соответствует 109,5°. В случае  молекулы циклопропана, sp3-гибридизованные орбитали атомов угле­рода перекрываются между собой вне прямой, соединяющей ядра атомов. Образующиеся σ-связи с подобным способом перекрывания называют «банановыми».  Их свойства обладают сходными чертами с π-связями, например, вступают в реакции при­соединения.

В отличие от трехчленных циклов, устойчивость пяти- и шестичленных циклических алканов на столько высока, что они не способны к разрыву.

В качестве представителя обычного цикла рассмотрим циклогексан.

Для молекулы циклогексана не характерно плоское строение, напротив —  ей присуще несколько форм — конформаций.

Наиболее выгодной с энергетической точки зрения являются конформации кресла (более устойчива) и ванны.

Валентные углы образованные гибридными орбиталями атомов углерода в цикле равны 109,5°, ато­мы водорода у соседних атомов углерода расположены относительно друг друга в положении энергетически выгодном.

Тетраэдрическое расположение связей вокруг каж­дого атома углерода способствует большей устойчивости обычных циклов по сравнению с малыми. Для них возможны реакции замещения и невозможны реакции присоединения.

Получение циклоалканов

  • Переработка нефти (получают циклогексан и его производные)
  • Реакция отщепления.

При отщеплении от дигалогенпроизводных алканов двух атомов галогена получают трех- и четырехчленные циклоалканы:

  • Реакция пиролиза солей дикарбоновых кислот.

Методом Ружичка получают циклогексан и циклопентан. Метод основан на воздействии высоких температур без доступа воздуха на соли дикарбоновых кислот.

  • Реакция гидрирования ароматических углеводородов в присутствии катализатора каталитического.

При нагревании бензола или его гомологов и водорода в присутствии никелиевого катализатора получают циклогексан или его производные:

1. Реакции присоединения

  • Расщепление серной кислотой:
  • Взаимодействие с сильными карбоновыми кислотами:

2. Реакции замещения (радикальный механизм)

  • Галогенирование при действии ультрафиолета:

3. Реакция дегидрирования

В присутствии катализатора ведет к образованию бензола:

4. Реакция окисления

Как малые, так и обычные циклы при окислении сильными окислителями (например, 50%-ной азотной кислоты, перманганат натрия, бихромат калия) раскрываются с образованием двухосновных карбоновых кислот:

Применение циклоалканов

Источник: http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/stroenie-i-svojstva-cikloalkanov.html

Циклопарафины. Состав, строение, изомерия

Циклоалканы (циклопарафины)

Реферат

«Циклопарафины. Состав, строение, изомерия»

Циклоалканы (Циклопарафины)

Циклоалканы – это ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется замкнутое кольцо из углеродных атомов.

В отличие от предельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей, существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами). По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда и произошло их название – циклоалканы (циклопарафины).

Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n, то есть циклоалканы изомерны этиленовым углеводородам. Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Циклопропан Циклобутан Циклопентан Циклогексан

По своему строению молекулы органическогих соединений различают на соединения с открытой цепью и циклические. Циклы могут быть построены либо только из атомов углерода (карбоциклы), либо могут включать в себя атомы других элементов (гетероциклы). В свою очередь, циклические соединения бывают предельными, непредельными и ароматическими.

Молекулы циклоалканов имеют скелет, построенный в виде цикла из только sp3-гибридных атомов углерода. Для образования названия циклоалканов необходимо к названию соответствующего предельного углеводорода добавить приставку «цикло». Так, наименьший из возможных циклоалканов – циклопропан, за ним следует циклобутан, затем циклопентан и т.д.

Положения заместителей указывают, нумеруя атомы цикла, причем атому с наиболее старшим заместителем присваивается номер 1. В дизамещенных циклоалканах заместители могут располагаться по одну (цис-) или по разные стороны плоскости кольца (транс-).

Молекулы циклоалканов могут состоять из двух и более циклов. Бициклические углеводороды следует различать по способу соединения (аннелирования) циклов. Если два цикла имеют лишь один общий атом углерода, соединения называют спироциклическими.

Названия таких бициклов образуют, добавляя приставку «спиро» к названию соответствующему гомолога алкана. После приставки в квадратных скобках указывают две цифры, обозначающие число атомов углерода, расположенных по каждую сторону от узлового С-атома.

Нумерацию атомов начинают с меньшего цикла, последним номером обозначают узловой атом.

В другом способе аннелирования циклы имеют два общих атома углерода. Это – так называемые мостиковые циклоалканы.

Названия таких соединений начинается с указания количества циклов приставками бицикло-, трицикло-, затем указываются три цифры, обозначающие число углеродных атомов каждого мостика, связанного с узловыми атомами. В конце пишется название соответствующего алкана.

Нумеруют атомы, начиная с одного узлового и передвигаясь по большему (главному) циклу к другому узловому С-атому. Иногда указывают дополнительные координаты мостика.

Получение

1. Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторых месторождений (отсюда произошло одно из их названий – нафтены). При переработке нефти выделяют главным образом циклоалканы С5 Н10 – С7 Н14

2. Действие активных металлов на дигалогензамещенные алканы (реакция Вюрца) приводит к образованию различных циклоалканов:

(вместо металлического натрия используется также порошкообразный цинк).

Строение образующегося циклоалкана определяется структурой исходного дигалогеналкана. Этим путем можно получать циклоалканы заданного строения. Например, для синтеза 1,3-диметилциклопентана следует использовать 1,5-дигалоген – 2,4-диметилпентан:

Существуют и другие методы получения циклоалканов. Так, например, циклогексан и его алкильные производные получают гидрированием бензола и его гомологов, являющихся продуктами нефтепереработки.

Изомерия

Для циклопарафинов, начиная с C4H8, характерны некоторые виды структурной изомерии, связанные:

a) с числом углеродных атомов в кольце – например, (этилциклопропан), (метилциклобутан);

b) с числом углеродных атомов в заместителях – (1-метил-2-пропилциклопентан), (1,2-диэтилциклопентан)

c) с положением заместителя в кольце – (1,1-диметилциклогексан), (1,2-диметилциклогексан)

Для циклоалканов характерна также межклассовая изомерия с алкенами.

При наличии двух заместителей в кольце у разных углеродных атомов возможна геометрическая цис-транс-изомерия, начиная с C5H10, и оптическая изомерия. Оптическая изомерия проявляется в том случае, если молекула не имеет плоскости симметрии.

Цис-транс-изомерия в циклических соединениях

При наличии двух заместителей в циклических соединениях также возможна цис-транс-изомерия. 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).

Естественно, что при наложении друг на друга моделей цис- и транс- изомеров они не совмещаются. Взаимные изомеризации требуют разрыва цикла с последующим его замыканием или разрыва связи заместителя с углеродным атомом цикла и образованием новой связи с другой стороны цикла.

Следует отметить, что в циклических соединениях возможно возникновение не только цис-транс-, но и зеркальной изомерии.

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.

Для транс-изомеров совмещение модели молекулы и ее зеркального отражения невозможно как при одинаковых, так и различающихся заместителях.

Циклобутан, циклопентан и их конформации

Циклические соединения – это такие органические соединения, в которых углеродные атомы составляют замкнутые цепи, т.е. циклы. Простейшими представителями таких соединений являются циклопарафины или циклоалканы.

Прочность связей в циклических соединениях зависит от числа атомов, участвующих в образовании цикла. Она определяется степенью его напряженности, обусловленной изменением валентных углов атомов цикла и отклонением этих атомов от нормального направления.

Для циклопропана межъядерные углы составляют 60º, как в равностороннем треугольнике, для циклобутана – 90º, как в квадрате, а в циклопентане – 108º, как в правильном пятиугольнике.

Нормальный валентный угол для атома углерода – 109,5º.

Поэтому при расположении в названных соединениях всех атомов углерода в одной плоскости уменьшение валентных углов составляет в циклопропане – 49,5º, в циклобутане – 19,5º, в циклопентане – 1,5º.

Чем больше отклонение валентного угла от нормального, тем более напряжены и, следовательно, непрочны циклы. Однако в отличие от циклопропана циклобутан и циклопентан имеют неплоские циклы. Один из атомов углерода непрерывно выходит из плоскости.

Циклобутан существует в виде неплоских «сложенных» конформаций. Циклопентан характеризуется конформацией «конверт».

Таким образом, обсуждаемые циклы находятся в колебательном движении, приводящем к уменьшению «заслоненности» атомов водорода у соседних углеродных атомов и снижению напряжения.

Циклогексан и его конформации

Для циклогексана, как правильного шестиугольника, межъядерные углы составляют 120º. Если бы молекула циклогексана имела плоское строение, то отклонение от нормального валентного угла атома углерода составляло: 109,5º-120º = 10,5º.

Однако циклогексан и большие циклы имеют неплоское строение. В рассматриваемой молекуле циклогексана сохраняются обычные валентные углы при условии его существования в двух конформациях «кресла» и «ванны».

Конформация «кресла» менее напряжена, поэтому циклогексан существует преимущественно в виде конформеров I и III, причем цикл претерпевает непрерывную инверсию (inversio – с латинского переворачивание, перестановка) с промежуточным образованием конформера II:

ось симметрии II III I

Двенадцать связей C–H, которые имеются у циклогексана в конформации «кресла», делятся на два типа.

Шесть связей направлены радиально от кольца к периферии молекулы и называются экваториальными связями (e – связи), остальные шесть связей направлены параллельно друг другу и оси симметрии и называются аксиальными (a – связи). Три аксиальные связи направлены в одну сторону от плоскости цикла, а три – в другую (имеется чередование: вверх-вниз).

Свойства циклоалканов

Физические свойства циклоалканов закономерно изменяются с ростом их молекулярной массы.

Пpи ноpмальных условиях циклопpопан и циклобутан – газы, циклоалканы С5Н10 – С16Н32 – жидкости, начиная с С17Н34, – твердые вещества. Температуры кипения циклоалканов выше, чем у соответвующих алканов.

Это связано с более плотной упаковкой и более сильными межмолекулярными взаимодействиями циклических структур.

Химические свойства циклоалканов сильно зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость.

Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, тем не менее, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов.

Валентные углы в циклопропане и циклобутане значительно меньше нормального тетраэдрического угла 10928’, свойственного sp3-гибридизованному атому углерода.

Это приводит к большой напряженности таких циклов и их стремлению к раскрытию под действием реагентов. Поэтому циклопропан, циклобутан и их производные вступают в реакции присоединения, проявляя характер ненасыщенных соединений. Легкость реакций присоединения уменьшается с уменьшением напряженности цикла в ряду:

циклопропан > циклобутан >> циклопентан.

Наиболее устойчивыми являются 6-членные циклы, в которых отсутствуют угловое и другие виды напряжения.

Малые циклы (С3Н6 – С4Н8) довольно легко вступают в реакции гидрирования:

Циклопропан и его производные присоединяют галогены и галогеноводороды:

В других циклах (начиная с С5) угловое напряжение снимается благодаря неплоскому строению молекул. Поэтому для циклоалканов (С5 и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т.е. реакции замещения.

Эти соединения, подобно алканам, вступают также в реакции дегидрирования, окисления в присутствии катализатора и др.

Столь резкое отличие в свойствах циклоалканов в зависимости от размеров цикла приводит к необходимости рассматривать не общий гомологический ряд циклоалканов, а отдельные их ряды по размерам цикла. Например, в гомологический ряд циклопропана входят: циклопропан С3Н6, метилциклопропан С4Н8, этилциклопропан С5Н10 и т.д.

Применение

Наибольшее практическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан. Циклогексан используется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, капролактама, а также в качестве растворителя. Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства.

Список использованной литературы

1. Химия: Органическая химия: Учебное издание для 10 кл. сред. шк. – Москва, Просвещение, 1993

2. Глинка Н.Л. Общая химия. -25-е изд., испр. – Л.: Химия

3. Артеменко А.И. Органическая химия: учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 2000.

4. Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1999.

5. ХИМИЯ. Справочник школьника, – М., 1995.

6. ХИМИЯ. Энциклопедия для детей. АВАНТА, 2000.

7. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. – М., 1995 г.

8. «Органическая химия»., Просвещение, 1991

Источник: https://globuss24.ru/doc/cikloparafiny-sostav-stroenie-izomeria

Page 3

К эпициклическим соединениям относится большая группа природных

веществ, называемых терпенами.

Терпены содержатся в смоле хвойных деревьев, а также входят в состав различных эфирных масел.

Терпены бывают алифатическими (ациклическими), моно-, ди- и трициклическими.

К алифатическим терпенам относят некоторые спирты и альдегиды с двумя двойными связями, содержащие два изопреновых остатка. Примерами могут служить спирт гераниол — главная составная часть розового и гераниевого масел. При его окислении образуется альдегид — цитралъ, который является основой эвкалиптового масла:

Моноциклические терпены представляют собой углеводороды общей формулы С10Н16, близкие по строению к производным ментана (1- метил-4-изопропил циклогексан) и цимола (1-метил-4-изопропилбен- зол).

Эти терпены также содержат одну или две двойные связи и легко вступают в реакции присоединения.

Например, широко распространен лимонен, содержащийся в лимонном и апельсиновом маслах, в сосновой хвое и еловых шишках:

В эфирных маслах находятся непредельные дициклические терпены. К их производным относятся скипидар и камфора.

Скипидар — бесцветная летучая жидкость с . т.кип. 153—170 °С. Она получается при перегонке с водяным паром смолы хвойных деревьев (живицы). Твердую смолу, оставшуюся после перегонки с водяным паром, называют канифолью.

Главной составной частью скипидара является пинен, который содержит одну двойную связь:

Пинен легко окисляется воздухом с образованием неустойчивого пер- оксидного соединения. При его разрушении образуется атомный кислород, который с кислородом воздуха дает озон («озоновый» воздух в сосновом лесу). Скипидар применяют как ценный растворитель, а также для получения камфоры и различных масел. Используют в медицине.

Канифоль — стеклообразное вещество с т.пл. 100—140 °С. Применяют для проклейки бумаги и картона, в производстве электроизоляционных мастик, в качестве флюса при пайке металлов. Используют для приготовления лаков, красок и олиф.

Камфора — кристаллическое вещество с т.пл. 178,5—179,5 °С. По строению близка к терпенам, но отличается от них присутствием карбонильной группы:

В промышленности камфору получают из скипидара (пинена). Используют в качестве пластификатора материалов на основе нитратов целлюлозы, для стабилизации бездымного пороха.Применяют в медицине.

Page 4

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >

Посмотреть оригинал

  • 1. Какие соединения называют алициклическими? Как их классифицируют?
  • 2. Какие виды структурной изомерии возможны для алициклических углеводородов?
  • 3. Что вы понимаете под конформационной (поворотной) изомерией?
  • 4. Почему нельзя выделить в свободном виде отдельные конформации (поворотные изомеры)?
  • 5. О чем говорит «теория напряжения» А. Байера? Что было положено в основу этой теории?
  • 6. Почему циклогексан не менее устойчив, чем циклопентан, хотя это противоречит теории Байера?
  • 7. В каких пространственных формах может существовать циклогексан? Какая из этих форм более предпочтительна и почему?
  • 8. Напишите структурные формулы всех изомеров ациклического и циклического строения, имеющих состав С5Н10» и назовите их.
  • 9. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) метилцикло- гексан; б) 1,3-диметилциклопентан; в) изопропилциклопентан; г) 1,1,2-триме- тилциклогексан; д) 1,4-диметил-2-этилциклогексан.
  • 10. Какие продукты образуются при действии металлического натрия на 1,3-дибромбутан, 1,4-дибромпентан? Напишите уравнения реакций.
  • 11. Чем вы объясните склонность циклоалканов к реакциям присоединения?
  • 12. Какое соединение образуется при гидрировании циклобутана при нагревании в присутствии никеля?
  • 13. Напишите уравнение реакции циклогексанона с гидроксиламином. Можно ли из образовавшегося продукта получить капрон?
  • 14. Какая общая формула: а) для циклоалкенов; б) для циклоалкадиенов?
  • 15. Напишите структурные формулы для пинена и камфоры.
  • 16. Напишите уравнение реакции хлорирования лимонена.
  • 17. Что образуется при реакции взаимодействия лимонена с хлоридом водорода (с одной и двумя молекулами)?
  • 18. Напишите схемы реакций окисления пинена: а) водным раствором перманганата калия; б) кислородом воздуха.
  • 19. Почему легко дышится в сосновом лесу?
  • 20. Как получают скипидар? Где его используют?
  • 21. Напишите уравнения реакций взаимодействия камфоры с веществами: а) гидроксиламином; б) фенилгидразином; в) водородом.
  • 22. Где применяют камфору?

  Посмотреть оригинал

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >

Источник: https://bstudy.net/707850/estestvoznanie/tsikloalkany_tsikloparafiny

ovdmitjb

Add comment