14.4. Насыщенные циклические соединения (циклоалканы)

Можно представить случай, когда sр³-гибридные атомы углерода на концах углеродной цепи связаны между собой -связью и, таким образом, замыкают цепь в кольцо. Для образования кольца требуется как минимум три атома углерода.

Циклоалканы – предельные углеводороды, в которых углеродная цепочка имеет циклическое строение. Циклоалканы представляют собой циклы, состоящие из нескольких метиленовых – СН₂ – групп; эти углеводороды называются полиметиленовыми.

Основоположником химии циклических соединений является

В.В. Марковников. По его предложению эти соединения часто называют нафтенами (что связано с выделением ряда их представителей их нефти).

Общая формула циклоалканов С_nH_2n.

Номенклатура циклоалканов

Названия отдельных представителей этого гомологического ряда образуют прибавлением приставки “цикло” к названию соответствующего алкана.

СН2 / \ Н2С – СН2 циклопропан

Н2С – СН2   Н2С – СН – СН3 метилциклобутан

Н2С  СН2 / \ Н2С СН2 \ / СН  С2Н5 этилциклопентан

СН2 / \ Н2С СН – СН3   Н2С СН2 \ / СН  СН3 1,3-диметилциклогексан

Физические свойства циклоалканов

Циклопропан и циклобутан при обычной температуре – газы, циклопентан и циклогексан – жидкости, высшие представители – твердые вещества.Физические свойства циклических соединений сходны со свойствами соответствующих ациклических углеводородов, хотя температуры кипения и плотности циклических соединений немного выше.

Циклические углеводороды – неполярные или малополярные соединения, нерастворимы в воде, растворимы в органических растворителях.

Способы получения циклоалканов

1. Природные источники

Такие циклоалканы как циклопентан и циклогексан и их замещенные, в большом количестве содержатся в некоторых видах нефти, например, кавказской.

2. Дегалогенирование дигалогенпроизводных угдеводородов

СН₂ – СН₂ – Cl CH₂ – CH₂

 + 2Na    + 2NaCl

CH₂ – CH₂ – Cl CH₂ – CH₂

1,4-дихлорбутан циклобутан

3. Гидрирование ароматических углеводородов

СН // \ HС С– СН3   HС СН \\ / СH метилбензол

t, Ni, Pt + 3Н2 

СН2 / \ Н2С СН – СН3   Н2С СН2 \ / СН2 метилциклогексан

Химические свойства циклоалканов

1. Основные реакции - реакции замещения атомов водорода

Н₂С  СН₂ Н₂С  СН₂

/ \ 300⁰С / \

Н₂С СН₂ + Br₂  Н₂С СН – Br + HBr

\ / \ /

СН₂ СН₂

циклопентан бромциклопентан

2. Реакции окисления

2.1. Полное окисление - горение

С₆Н₁₂ + 9О₂  6СО₂ + 6Н₂О

2.2. Частичное окисление циклогексана

При окислении азотной кислотой кольцо циклогексана разрывается и образуется адипиновая кислота:

СН₂

/ \

Н₂С СН₂

  + 3[О]  О = С – (СН₂)₄ – С = О + Н₂О

Н₂С СН₂  

\ / ОН ОН

СН₂

циклогексан адипиновая кислота

Адипиновая кислота широко используется при получении различных полимеров.

3. Особенности реакций малых циклов

Циклопропан и циклобутан обладают наибольшей энергией напряжения, и поэтому при определенных условиях возможен разрыв цикла. Эти вещества вступают в реакции присоединения, однако протекают они труднее, чем у алкенов.

3.1. Гидрирование

СН₂ 80⁰С

/ \ + Н₂  СН₃ – СН₂ – СН₃

Н₂С – СН₂

циклопропан пропан

3.2. Галогенирование

Н₂С – СН₂

  + Cl₂  ClCH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂Cl

Н₂С – СН₂

циклобутан 1,4-дихлорбутан

3.3. Гидрогалогенирование

СН₂

/ \ + НI  СН₃ – СН₂ – СН₂I

Н₂С – СН₂

циклопропан 1-иодпропан

Применение циклоалканов

Циклогексан используется в различных органических синтезах, а также как растворитель.

Циклопропан и его фторпроизводные используются в медицине для ингаляционного наркоза.