Применение

Промышленное использование алканов подробно рассмотрено выше. Метан, этан, бутан, и другие алканы широко применяются как сырье для промышленных синтезов.

Глава 22. Циклоалканы Номенклатура и изомерия

Циклоалканы – это предельные циклические углеводороды. Простейшие представители этого ряда:

Общая формула гомологического ряда циклоалканов С_nН_2n. Точно такой же формулой описывается гомологический ряд алкенов, из чего следует, что каждому циклоалкану изомерен соответст­вующий алкен – это пример так называемой межклассовой изоме­рии.

Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sр³-гибридизации и образует четыре σ-связи С-С и С-Н. Углы между связями зависят от размера цикла. В простейших циклах С₃ и С₄ углы между связями С-С сильно отличаются от тетраэдрического угла 109,5°, что создает в молекулах напряжение и обеспечивает их высокую реакционную способность. Свободное вращение вокруг связей С-С, образующих цикл, невозможно.

Для циклоалканов, как и для всех классов органических соединений, характерна изомерия углеродного скелета (структурная изомерия). Структурная изомерия для циклоалканов, во-первых, обусловлена размером цикла. Так, существуют два циклоалкана формулы С₄Н₈: циклобутан и метилциклопропан. Во-вторых, такая изомерия обусловливается положением заместите­лей в цикле (например, 1,1 и 1,2-диметилбутан).

Отсутствие свободного вращения вокруг связей С-С в цикле создает предпосылки для существования пространственных изоме­ров у некоторых замещенных циклоалканов. Например, в молекуле 1,2-диметилциклопропана две группы СН₃ могут находиться по од­ну сторону от плоскости цикла (цис- изомер) или по разные стороны (транс- изомер):

По размеру цикла циклоалканы делятся на ряд групп, из которых мы рассмотрим малые (С₃, С₄) и обычные (C₅-С₇) циклы.

Названия циклоалканов строятся путем добавления приставки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов угле­рода. Нумерацию в цикле производят таким образом, чтобы замес­тители получили наименьшие номера.

Структурные формулы циклоалканов обычно записывают в со­кращенном виде, используя геометрическую форму цикла и опуская символы атомов углерода и водорода.

Физические свойства

При обычных условиях первые два члена ряда (С₃ - С₄) – газы, (C₅ – C₁₆) – жидкости, начиная с С₁₇ – твердые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов.

Получение

1. Основной способ получения циклоалканов - от­щепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:

2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные:

Химические свойства

По химическим свойствам малые и обычные циклы существенно различаются между собою. Циклопро­пан и циклобутан склонны к реакциям присоединения, т.е. сходны в этом отношении с алкенами. Циклопентан и циклогексан по своему химическому поведению близки к алканам, так как вступают в реак­ции замещения.

1. Так, например, циклопропан и циклобутан способны присое­динять бром (хотя реакция и вдет труднее, чем с прощеном или бутеном):

2. Циклопропан, циклобутан и даже циклопентан могут присое­динять водород, давая соответствующие нормальные алканы. При­соединение происходит при нагревании в присутствии никелевого катализатора:

3. В реакцию присоединения с галогеноводородами опять же вступают только малые циклы. Присоединение к гомологам циклопропана происходит по правилу Марковникова:

4. Реакции замещения. Обычные циклы (С₆ и выше) устойчивы и вступают только в реакции радикального замещения подобно алканам:

5. Дегидрирование циклогексана в присутствии никелевого ката­лизатора приводит к образованию бензола:

6. При действии сильных окислителей (например, 50%-ной азот­ной кислоты) на циклогексан в присутствии катализатора образуется адипиновая (гександиовая) кислота: