9. Циклоалкани

Це вуглеводні, в молекулах яких присутні циклічні вуглецеві ланцюжки і наявні лише прості зв’язки. C_nH_2n.

Циклоалкани, або циклани, ізомерні алкенам.

9.1. Номенклатура. Ізомерія

Номенклатура практично така ж сама, як в алканів, але з додаванням префіксу цикло- перед назвою замкненого вуглецевого ланцюга. Нумерація циклу починається від замісника, ближчого до початку алфавіту.

1. Ізомерія циклів.

2. Ізомерія взаємного розташування замісників у циклі.

3. Ізомерія будови бічного ланцюга.

9.2. Будова циклоалканів

Першою теорією, яка намагалася пояснити стабільність циклоалканів та їх реакційну здатність, була теорія А. Байєра (іноді її називають гіпотезою А. Байєра). А. Байєр виходив з того, що валентні кути в молекулах циклоалканів нібито відхиляються від нормального кута між валентними напрямками sp³-гібридизованого атома Карбону. Кут між валентними напрямками в молекулі циклопропану за Байєром дорівнює внутрішньому куту трикутника і становить 60° (тобто нібито нормальний кут 109° стиснутий до 60°). Напруження циклу – α — визначається половиною різниці між нормальним кутом 109° і внутрішнім кутом відповідного багатокутника.

Для циклопропану .

Для циклобутану , .

Дійсно, циклопропан та циклобутан поводять себе у хімічних реакціях так, ніби їх зв’язки напружені і намагаються якнайшвидше розірватись.

З гіпотези А. Байєра випливає, що найстабільнішим циклоалканом є циклопентан, внутрішній кут якого (108°) практично співпадає з нормальним валентним кутом sp³-гібридизованого атома Карбону. Але в той час як гіпотеза А. Байєра більш-менш задовільно пояснює властивості малих циклів, то вже починаючи з циклогексану вона не працює, а саме за Байєром циклогексан повинен мати негативне значення напруги циклу .

В дійсності ж циклогексан є найстабільнішим із циклів, стабільнішим ніж циклопентан.

Основними причинами недостатності і недостовірності гіпотези А. Байєра є такі:

1. Хибною була вихідна установка гіпотези на деформацію валентних кутів, таких деформацій не відбувається, оскільки вони вимагали б надзвичайно високих енергій.

2. А. Байєр не враховував і не міг врахувати електронну будову циклоалканів, за його часів не були розвинені квантово-хімічні уявлення про будову хімічних зв’язків.

3. Нарешті А. Байєр вважав молекули циклоалканів плоскими багатокутниками, тобто зовсім не враховував можливого просторового взаємного розташування атомів у циклах.

9.3. Сучасні уявлення про будову малих циклів

В малих циклах – циклопропані і циклобутані – існує особливий тип зв’язків – «бананові зв’язки»:

У «бананових зв’язках» sp³-гібридні орбіталі перекриваються під кутом, тому зона перекривання менша, ніж в σ-зв’язках, що послаблює цей зв’язок порівняно з σ-зв’язком. До того ж притягання іде по дотичній (подібно до π-зв’язоку), що також послаблює цей зв’язок порівняно з σ-зв’язком. За міцністю «банановий зв’язок» знаходиться між σ- та π-зв’язком, наближаючись до π-зв’язку (легко рветься). А сполуки з «банановим зв’язком» за реакційною здатністю нагадують алкени: добре вступають в реакції приєднання з розривом «бананового зв’язку», а значить і розривом циклу.