Общая формула циклоалканов

Среди карбоциклических соединений различают две группы веществ, имеющих принципиально разное строение: алициклические, которые близки по свойствам к соединениям с открытой цепью, и ароматические. Предельные алициклические углеводороды называются циклоалканами, или циклопарафинами. Свойства циклоалканов аналогичны свойствам насыщенных углеводородов линейного строения.

Понятие о циклоалканах. Общая формула

Определяющий признак соединений данного ряда – отсутствие кратных связей в молекулах. Все атомы соединяются посредством одинарных связей, поэтому валентности углерода максимально насыщены.

Состав циклоалканов выражает общая формула гомологического ряда  В любом циклоалкане недостает двух водородных атомов по сравнению с алканом , имеющим такое же количество углерода. Они отщеплены от концевых звеньев линейной молекулы, за счет чего и происходит замыкание углерод-водородной цепочки в циклическую структуру:

Структурные формулы циклоалканов часто имеют упрощенный вид геометрической фигуры, а запись групп , расположенных в вершинах многоугольника, опускается:

Строение циклоалканов

Сходство циклопарафинов с алканами проявляется в полном насыщении углеродного скелета молекулы водородом. Оно возникает благодаря тому, что каждый атом углерода формирует по четыре одинарных связи:  либо  и  в соединениях с боковыми углеводородными цепочками. Это указывает на тип гибридизации углерода в циклоалканах: sp³.

В sp³-гибридизованном состоянии четыре равноценных валентности углеродного атома имеют тетраэдрическую направленность, а величина валентного угла составляет 109°28`109°28`. Но, в отличие от ациклических углеводородов, в молекулах циклоалканов может возникать напряжение, степень которого зависит от числа атомов, участвующих в образовании цикла.

Валентные углы углерода в циклоалканах подчинены геометрии цикла. Связи  отклоняются от нормального направления, вследствие чего и возникает напряжение. Оно, в свою очередь, влияет на прочность молекулы.

Гомологический ряд и устойчивость циклоалканов

Для образования цикла необходимы как минимум три углеродных атома. Поэтому ряд начинается с соединения  циклопропана. Важной особенностью ряда является внутренняя классификация соединений по типу циклов, от которого зависят их свойства.

Малый цикл

Молекулы соединений малого цикла отличаются сильным угловым напряжением из-за большого отклонения тетраэдрического угла 109°28`109°28`. В трехчленной молекуле циклопропана, где валентные углы в трехчленном цикле должны составлять 60°60°, оно особенно велико:

Это приводит к изгибанию связи, которая из-за характерной формы получила название «банановой». Перекрывание орбиталей в такой связи осуществляется не по прямой между центрами углеродных атомов, поэтому «банановая», или связь, слабее обычной связи.

Четырехчленная структура циклобутана позволяет ослабить напряжение:

Кроме того, один из четырех атомов в цикле на 25°25° отклоняется от плоскости, в результате чего молекула циклобутана колеблется между двумя равноправными конформациями, условно называемыми «бабочка»:

Средний цикл

Молекулы циклопентана и циклогексана гораздо устойчивее, чем малые циклы, благодаря незначительному отклонению валентного угла:

В циклогексане благодаря большому числу конформаций напряжение отсутствует.

Изомерия и номенклатура

Изомерия циклоалканов может быть двух типов:

• структурная, возникающая вследствие различий в строении;
• пространственная, связанная с вариантами конфигурации одинаковых по строению молекул.

Виды структурной изомерии циклоалканов

1. Существование изомеров из разных классов веществ

Гомологические ряды соединений, атомный состав которых описывается одной формулой – алкены и циклоалканы – обладают межклассовой изомерией по отношению друг к другу:

2. Изомерия углеродного скелета

Возникновение изомеров данного вида зависит от трех факторов.

1. размер цикла:
2. строение радикала:
3. расположение радикалов в цикле:

Пространственная изомерия

Циклоалканы способны образовывать геометрические изомеры. Они возникают вследствие невозможности вращения углеродных атомов в цикле вокруг их валентных связей. Положение стоящих при этих атомах радикалов тем самым зафиксировано в пространстве. Заместители у различных углеродных атомов могут находиться либо с одной стороны цикла (цис-изомер), либо с разных сторон (транс-изомер).

Номенклатура

Номенклатура циклоалканов основывается на наименованиях предельных углеводородов открытого строения – алканов. Приставка «цикло-» добавляется к названию алкана с , равным количеству звеньев в кольце циклоалкана.

Число радикалов одного состава указывается с помощью приставок «ди-», «три-», «тетра-». Старший радикал обозначается первым, а углеродные атомы нумеруют по наиболее короткому расстоянию между радикалами.

Физические свойства

В целом по физическим свойствам циклоалканы сходны с ациклическими углеводородами предельного ряда. Однако плотность и значения критических температур у них выше, чем у родственных алканов.

Циклопропан и циклобутан в обычных условиях являются газами, циклопентан и последующие шесть членов ряда, включая циклоундекан – жидкости, а начиная с циклододекана – твердые тела.

Химические свойства

Значительные различия между соединениями малых и средних циклов обусловливают разницу в химических свойствах циклоалканов:

• соединения  менее стойки и охотно участвуют в реакциях присоединения, сближаясь по свойствам с алкенами;
• и следующие за ним члены гомологического ряда в проявлении химических свойств аналогичны алканам с таким характерным типом химического взаимодействия, как замещение.

Это интересно:

Окисление алкенов перманганатом калия

Циклические углеводороды

Способы получения циклоалканов

1. Дегалогенирование дигалогенпроизводных предельных ациклических углеводородов. Воздействуя активным металлом, способным отнимать галоген, на дигалогеналкан, можно получить циклическое соединение заданного состава. Условие – наличие между галогенированными группами атомов в цепочке минимум одной группы . Реакция получения циклопропана:
   
2. Дегидроциклизация алканов. При нагревании алканов, содержащих пять и более углеродных атомов, на металлическом катализаторе происходит отщепление водорода (дегидрирование) на концах цепочек с ее замыканием (циклизация алканов):
3. Гидрирование ароматических углеводородов. Поскольку наименьшее количество углеродных атомов в углеводородах ряда бензола равно шести, этим методом возможно получение циклоалканов не менее чем с шестичленным циклом:

Применение циклоалканов

Наиболее широко используются циклоалканы с углеродным числом :

• Циклопропан применяется в медицинской практике как анестетик, однако из-за повышенной огнеопасности в последнее время его вытесняют другие препараты.
• Циклопентан находит применение в синтезе органических соединений, используется в качестве растворителя, вспенивателя в производстве пенополиуретанов и как заменитель фреонов.
• Циклогексан служит сырьем для производства соединений, из которых получают синтетические волокна капрон и нейлон, для получения ароматических углеводородов. Также его применяют в качестве органического растворителя.

Циклоалканы с более высокими углеродными числами – циклогептан и циклооктан – используются как промежуточные реагенты в синтезе некоторых органических веществ.