Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Циклоалканы
Материал из https://ru.wikipedia.org

Циклоалканы (также полиметиленовые углеводороды, нафтены, цикланы, или циклопарафины) — циклические насыщенные углеводороды, относятся к насыщенным карбоциклическим соединениям[1][2][3][4]. Могут содержать боковые цепи, содержащие углеводородные (алкильные) заместители, соединенные с циклом[1]. Все атомы углерода циклоалканов находятся в sp3-гибридизированном состоянии[5]. Моноциклические (содержащие один цикл) циклоалканы образуют гомологические ряды с общей формулой CnH2n. Простейшим циклоалканом является циклопропан(цикло-С3H6). По числу атомов углерода в цикле циклоалканы делят на малые — циклопропан и циклобутан, обычные — циклопентан, циклогексан и циклогептан, средние — от циклооктана (8 атомов углерода) до циклододекана (12 атомов углерода), большие — с 13 и более атомами в карбоцикле[3].

Несмотря на то, что согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) циклоалканы могут содержать в своей структуре только один цикл[1], ряд авторов[6][7] включают в класс циклоалканов все циклические предельные углеводороды независимо от числа циклов в их структуре и способа их соединения. При этом, в зависимости от количества циклов выделяют моноциклические, бициклические, трициклические и, в общем случае, полициклические циклоалканы[6]. При наличии двух и более циклов в молекуле различают циклоалканы с изолированными и конденсированными циклами, спиро- и мостиковые циклоалканы, а также каркасные углеводороды[6][7]. Во всех указанных случаях универсальной общей формулой ряда циклоалканов является CnH2(n+1r), где n — число углеродных атомов, а r — количество циклов.[6]

Входят в состав нефти. Открыты В. В. Марковниковым в 1883 году из бакинской нефти[8].

Содержание

Номенклатура и изомерия

Названия моноциклических незамещенных циклоалканов образуются добавлением приставки цикло- к названию ациклического неразветвленного алкана с тем же числом атомов углерода в его цепи, что и у циклоалкана в его кольце (циклопропан, циклобутан, циклопентан)[3][9].

При наличии в структуре циклоалканов алкильных заместителей, соединенных с циклом, название циклического фрагмента берется за основу, а названия заместителей выносятся в приставочную часть (например, пентилциклобутан)[10]. С введением этого правила ИЮПАК в 2020 году была устранена вариантивность в выборе в качестве главной цепи циклоалканового кольца или боковой цепи.

Для циклоалканов характерны следующие виды изомерии:
  • Изомерия углеродного скелета, например, циклобутан и 1-метилциклопропан.
  • Пространственная. Для циклоалканов, содержащих два заместителя у разных атомов углерода трехчленного кольца, возможна цис-транс-изомерия[3]: если два заместителя находятся по одну сторону цикла, то этот изомер называется цис-изомером, если же два заместителя находятся по разные стороны от цикла, то изомер называется транс-изомером[5], например, цис- и транс-1,2-диметилциклопропан.
  • Межклассовая изомерия с алкенами, например, циклопропан и пропен.


Классификация

Циклоалканы делятся на моноциклические и бициклические циклоалканы.

В свою очередь, бициклические циклоалканы делятся на спироалканы и бициклоалканы:
  • Спироалканы — углеводороды, состоящие из двух циклов, в которых один углеродный атом (спироатом[11]) является общим. Представителем спироалканов является спиропентан. Название образуется путем добавления приставки спиро-, указанием количества нецентральных атомов в циклах в квадратных скобках и путем добавления окончания соответствующего алкана. Например, для спиропентана это название будет спиро[2.2]пентан.
  • Бициклоалканы — углеводороды, состоящие из двух циклов, в которых два углеродных атома являются общими (например, хаусан). Название получается путем добавления приставки бицикло-, указанием количества нецентральных атомов в циклах в квадратных скобках и путем добавления окончания соответствующего алкана. Например, для бициклобутана[англ.] это название будет бицикло[1.1.0]бутан.[5]


Физические свойства

Все атомы углерода в молекулах циклоалканов имеют sp-гибридизацию. Однако величины углов между гибридными орбиталями в циклобутане и особенно в циклопропане не 109°28', а меньше из-за геометрии, что создаёт в молекулах напряжение, поэтому малые циклы очень реакционноспособны.[источник не указан 1532 дня]

При комнатной температуре первые два члена ряда (C3 — C4) — газы, (C5 — C11) — жидкости, начиная с C12 — твёрдые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов. Циклоалканы в воде практически не растворяются.

Температуры плавления и кипения некоторых циклоалканов[12]:
Циклоалкан Т. пл., °C Т. кип., °C
циклопропан C3H6 127 33
циклобутан C4H8 90 13
циклопентан C5H10 94 49
циклогексан C6H12 7 81
циклогептан C7H14 8 119
циклооктан C8H16 15 151
циклононан C9H18 11 178


Получение

Циклоалканы в значительном количестве находятся в нефти, а также содержатся в природных соединениях.[5]

Металлорганический синтез

Циклоалканы можно получить дегалогенированием дигалогенпроизводных (металлорганический синтез) при помощи магния, натрия или цинка:


Каталитическое гидрирование

Циклоалканы могут быть получены в результате реакций каталитического гидрирования аренов, циклоалкенов, циклоалкадиенов, например, в результате реакции присоединения водорода к бензолу в присутствии катализатора образуется циклогексан; катализатором в этой реакции может служить никель Ренея, никель, платина, палладий[13]:


Химические свойства

Химические свойства циклоалканов, содержащих в своей структуре малые циклы (циклопропан, циклобутан), специфичны — для них в большей степени характерны реакции присоединения с раскрытием цикла, в то время как циклопентан и более старшие члены гомологического ряда циклоалканов склонны к реакциям радикального замещения и, таким образом, по своему химическому поведению близки к алканам.


Применение

В нефтехимической промышленности нафтены являются источником получения ароматических углеводородов путём каталитического риформинга. Наибольшее практическое значение приобрёл циклогексан, применяемый для синтеза капролактама, адипиновой кислоты и других соединений, используемых в производстве синтетического волокна.

Циклопропан применяют для наркоза, но его применение ограничено из-за взрывоопасности.

Примечания
  1. 1 2 3 The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Термин Циклоалканы по IUPAC (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 18 февраля 2022. Архивировано 20 января 2022 года.
  2. Полиметиленовые углеводороды // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  3. 1 2 3 4 Циклоалканы // Химическая энциклопедия : [рус.] : [арх. 6 октября 2021] : в 5 т. / под ред. Н. С. Зефирова. — М. : Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — С. 364–365. — ISBN 5-85270-310-9.
  4. Hydrocarbon-Cycloalkanes | Britannica (англ.). www.britannica.com. Дата обращения: 20 февраля 2022. Архивировано 22 января 2022 года.
  5. 1 2 3 4 Valerij Fedorovi. Traven'. Organieska himi : v treh tomah. 1. — 2-e izd., pererab. i dop. — Moskva: BINOM. Laboratori znanij, cop. 2013. — С. 196. — 368 s. с. — ISBN 978-5-9963-0406-6, 5-9963-0406-6, 978-5-9963-0357-1, 5-9963-0357-4.
  6. 1 2 3 4 Alkanes & Cycloalkanes. www2.chemistry.msu.edu. Дата обращения: 20 февраля 2022. Архивировано 19 марта 2022 года.
  7. 1 2
  8. Владимир Васильевич Марковников (1838-1904) [1948 - - Люди русской науки. Том 1]. nplit.ru. Дата обращения: 21 ноября 2015. Архивировано 22 ноября 2015 года.
  9. R-2.3.1 Hydrocarbons. www.acdlabs.com. Дата обращения: 20 февраля 2022. Архивировано 20 февраля 2022 года.
  10. Karl-Heinz Hellwich, Richard M. Hartshorn, Andrey Yerin, Ture Damhus, Alan T. Hutton. Brief guide to the nomenclature of organic chemistry (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2020-03-26. — Vol. 92, iss. 3. — P. 527–539. — ISSN 0033-4545 1365-3075, 0033-4545. — doi:10.1515/pac-2019-0104. Архивировано 6 декабря 2022 года.
  11. The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Термин Спироатом по IUPAC (англ.). The IUPAC "Gold Book". IUPAC. doi:10.1351/goldbook.S05884. Дата обращения: 16 февраля 2022. Архивировано 20 января 2022 года.
  14. Г.И. Дерябина, Г.В. Кантария, Д.И. Грошев. Свойства циклоалканов. Интерактивный мультимедиа учебник "Органическая химия". Дата обращения: 19 ноября 2021. Архивировано 19 ноября 2021 года.


Литература
Downgrade Counter