Глава 3. Непредельные углеводороды и циклоалканы

5.Какие соединения образуются при нагревании с концентрированной серной кислотой следующих спиртов: пропанола-1; 2-метилпропанола-2; 2,3-диметилбутанола-2?

6.Напишите уравнения химических реакций, обеспечивающих осуществление следующей цепочки превращений, и укажите условия, при которых они возможны: пропан → 2-бромпропан → пропен → 1-бромпропан → пропанол-1 → пропен.

7.Смесь бутена-2 и пропена массой 9,8 г занимает объем 4,48 л (н. у.). Вычислите массовые и объемные доли компонентов в смеси. Рассчитайте плотность этой смеси по кислороду.

§14. ЦИКЛОАЛКАНЫ: ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПОЛУЧЕНИЕ

Общие сведения о циклоалканах

Особый класс соединений представляют собой углеводороды, в молекулах которых углеродная цепь замкнута в цикл. Они называются циклоалканами. По современной классификации циклоалканы подразделяются на малые циклы (3- и 4-членные); нормальные циклы (от 5- до 7-членных); средние циклы (от 8- до 11-членных); большие, или макроциклы (12-членные и более крупные).

Для того чтобы цепь углеродных атомов была замкнута в цикл, требуется как минимум три углеродных атома. Поэтому первым представителем класса циклоалканов является циклопропан:

Долгое время циклопропан использовался в анестезиологии для наркоза во время хирургических операций. Многие медико-биологические препараты и средства защиты растений (гербициды, фунгициды и пестициды) являются соединениями, молекулы которых содержат трехчленный углеродный цикл. Более сложные циклоалканы находят применение в качестве высокоэффективного топлива для космических ракет.

Следующим представителем этого класса является циклобутан — циклический углеводород, молекула которого содержит в составе цикла четыре углеродных атома, далее — циклопентан, циклогексан и т. д.

94

§ 14. Циклоалканы: изомерия, номенклатура, физические свойства и получение

Каждый последующий член ряда отличается от предыдущего на группу СН2. Если вывести молекулярные формулы перечисленных циклоалканов, получаем С3Н6, С4Н8, С5Н10, С6Н12. Образование цикла углеродных атомов из открытой цепи приводит к удалению двух атомов водорода. Следовательно, общая молекулярная формула для класса циклоалканов — СnH2n. Они относятся к алициклическим (алифатическим циклическим) углеводородам.

Алифатические кольца часто изображают в виде правильных многоугольников: треугольника (циклопропан), квадрата (циклобутан) и т. д., подразумевая, что в узлах цикла размещаются углеродные атомы, каждый из которых соединен с двумя атомами водорода (если в цикле нет иных заместителей):

H3C CH3

Циклопропан Циклобутан Циклопентан 1,4-Диметилциклогексан

Номенклатура и изомерия циклоалканов

Названия алициклических углеводородов образуются путем прибавления приставки «цикло-» к имени соответствующего алкана с тем же числом атомов углерода. Если в кольце имеются заместители, их положение обозначается цифрами таким образом, чтобы соответствующие числа были минимальными, например, 1,3-диметилциклогексан (а не 1,5-диметилциклогексан):

Если в кольце имеется один заместитель, то номер углеродного атома, при котором он расположен, не указывается, поскольку все атомы углерода цикла эквивалентны. Определенные сложности могут возникнуть при наличии в цикле боковой цепи. Проблема заключается в том, какой фрагмент взять в качестве основного названия: цикл или цепь. При этом руководствуются двумя принципами: максимальная замещенность фрагмента и размер фрагмента. В углеводороде, молекула которого содержит несколько цепочек, присоединенных к циклу, за основу берется цикл, например в следующей структуре (очередность перечисления заместителей обусловлена алфавитным порядком):

95

Глава 3. Непредельные углеводороды и циклоалканы

1-Бутил-2-метилциклопропан

Если углеродная цепь по числу атомов углерода больше цикла, то за основу берется боковая цепь, например:

1-Циклопропилпентан

В ряду циклоалканов различают следующие виды структурной изомерии: изомерия взаимного положения заместителей; изомерия углеродного скелета заместителя, например пропилциклобутан и изопропилциклобутан; межклассовая изомерия (циклоалканы изомерны алкенам: например, циклопентан

и2-метилбутен-1).

Инаконец, два типа стереоизомерии, характерные для циклоалканов: геометрическая, или цис-транс-изомерия:

цис-1,2-Диметилциклопропан транс-1,2-Диметилциклопропан

иконформационная изомерия, например в случае циклогексана «кресло»

и«ванна»:

96

§ 14. Циклоалканы: изомерия, номенклатура, физические свойства и получение

Наиболее распространенными в природе циклоалканами являются циклопентан, циклогексан и их алкилзамещенные. Их также называют нафтенами, поскольку впервые они были обнаружены В. В. Марковниковым в составе нефти.

Физические свойства и получение циклоалканов

Циклопропан и циклобутан при обычных условиях — бесцветные газы, циклопентан и циклогексан — бесцветные жидкости с бензиновым запахом. Они легче воды и в воде не растворяются, их плотности равны соответственно 0,75 и 0,77 г/см3. Температуры плавления и кипения циклоалканов несколько выше, чем у алканов. Характерная способность углеводородов с открытой цепью «изгибаться» затрудняет их упаковку в кристаллической решетке (отсюда более низкие температуры плавления), а также понижает их тенденцию к взаимодействию с другими подобными себе молекулами (отсюда и более низкие температуры кипения).

Циклопентан и циклогексан можно выделить из нефти. Циклопропан вследствие высокой реакционной способности не встречается в природе в свободном состоянии. Его можно получить действием цинковой пыли в этиловом спирте на 1,3-дибромиды, что представляет собой внутримолекулярный аналог реакции Вюрца:

Аналогичным образом можно получать и другие циклоалканы.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Составьте структурные формулы изомеров состава С4Н8 и назовите их по номенклатуре IUPAC.

2.Какие углеводороды получатся при действии цинка на следующие дигалогенопроизводные: 2,4-дибромпентан; 2,3-дибромгексан; 2,3-дибром-2,3-диметилбу- тан? Напишите уравнения реакций и назовите продукты.

3.Какие из приведенных далее названий веществ даны неверно: 1,6-диметилцик- логексан; пентилциклопропан; бромциклопентан; 1,2-диметилциклобутан? Исправьте ошибочные названия.

97