Подготовка к ЕГЭ по химии. ЦИКЛОАЛКАНЫ

Циклоалканы - предельные циклические углеводороды.

Общая формула гомологического ряда C_nH_2n.

Строение циклоалканов.

Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp³-гибридизации и образует четыре σ-связи С-С и С-Н.

Углы между связями зависят от размера цикла. В малых циклах С₃ и С₄ углы между связями С-С сильно отличаются от тетраэдрического угла 109,5°, что создает в молекулах напряжение и обеспечивает их высокую реакционную способность.

σ-связи в циклопропане называют "банановыми". По свойствам они напоминают ПИ-связи. Поэтому молекулу циклопропана очень легко разорвать и поэтому он способен вступать в реакции присоединения (с разрывом цикла).

Циклобутан в пространстве имеет перегиб по линии, соединяющей 1 и 3 атом С в кольце:

Циклопентан имеет форму, которую называют «конверт»:

Большие циклы очень устойчивы и не склонны к разрыву. Так, молекула циклогексана не является плоским многоугольником и принимает различные конформации, имеющие названия «кресло» и «ванна»:

а - кресло б - ванна.

И в конформации кресла, и в конформации ванны связи вокруг каждого атома углерода имеют тетраэдрическое расположение. Отсюда - несравнимо большая устойчивость обычных циклов по сравнению с малыми циклами, отсюда - их возможность вступать в реакции замещения, но не присоединения.

Изомерия:

1. Структурная изомерия, связанная:
a) с числом углеродных атомов в кольце:

(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)

2. Межклассовая изомерия: циклоалканы изомерны алкенам.

3. Геометрическая цис-транс-изомерия:

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):

цис-изомер транс-изомер

Получение.

1. Отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:

2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные: C₆H₆ + 3H₂ -t°,р,Ni→ C₆H₁₂.

Химические свойства.

1. Малые циклы (циклопропан и циклобутан) из-за большой напряженности кольца (малые углы) легко разрываются, вступая в реакции присоединения.

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

(циклопропан) + H₂ -^120ºC,Ni CH₃-CH₂-CH₃

(циклопентан)+ H₂-^300ºC,PdCH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

Пятичленный цикл разрывается только при высоких температурах.

2) Галогенирование. Циклопропан и циклобутан разрываются, присоединяя атомы галогена.

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

3)Гидрогалогенирование. Циклопропан и замещенные циклопропаны взаимодействуют с галогеноводородами с разрывом цикла.

В случае замещенных циклопропанов реакция идёт в соответствии с правилом Марковникова.

Другие циклоалканы с галогеноводородами не реагируют.

2. Большие циклы - циклопентан и циклогексан - гораздо более устойчивы, цикл в них не разрывается. Они ведут себя подобно алканам, вступая в реакции замещения: галогенирование на свету, нитрование.

1) Галогенирование: циклопентан и циклопентан реагируют с галогенами на свету, вступая в реакцию замещения.

+ Cl₂-(свет) (хлорциклопентан) + HCl

2) Нитрование.

Циклопентан + HNO₃ -(t,p) нитроциклопентан + вода.

3. Дегидрирование. Производные циклогексана дегидрируются в производные бензола:

4. Горение. Как и любые органические вещества, циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды.