Циклоалка́ны (также полиметиленовые углеводороды, нафтены, цикланы, или циклопарафины) — циклические насыщенные углеводороды, относятся к насыщенным карбоциклическим соединениям [1][2][3][4]. Могут содержать боковые цепи, содержащие углеводородные (алкильные) заместители, соединенные с циклом.[1] Все атомы углерода циклоалканов находятся в sp3-гибридизированном состоянии.[5] Моноциклические (содержащие один цикл) циклоалканы образуют гомологические ряды с общей формулой CnH2n. Простейшим циклоалканом является циклопропан(цикло-С3H6). По числу атомов углерода в цикле циклоалканы делят на малые – циклопропан и циклобутан, обычные – циклопентан, циклогексан и циклогептан, средние – от циклооктана (8 атомов углерода) до циклододекана (12 атомов углерода), большие – с 13 и более атомами в карбоцикле.[3]
Несмотря на то, что согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) циклоалканы могут содержать в своей структуре только один цикл,[1] ряд авторов[6][7] включают в класс циклоалканов все циклические предельные углеводороды независимо от числа циклов в их структуре и способа их соединения. При этом, в зависимости от количества циклов выделяют моноциклические, бициклические, трициклические и, в общем случае, полициклические циклоалканы.[6] При наличии двух и более циклов в молекуле различают циклоалканы с изолированными и конденсированными циклами, спиро- и мостиковые циклоалканы, а также каркасные углеводороды.[6][7] Во всех указанных случаях универсальной общей формулой ряда циклоалканов является CnH2(n+1−r), где n – число углеродных атомов, а r – количество циклов.[6]
Входят в состав нефти. Открыты В. В. Марковниковым в 1883 году из бакинской нефти.[8]
Номенклатура и изомерия
правитьНазвания моноциклических незамещенных циклоалканов образуются добавлением приставки цикло- к названию ациклического неразветвленного алкана с тем же числом атомов углерода в его цепи, что и у циклоалкана в его кольце (циклопропан, циклобутан, циклопентан).[3][9]
При наличии в структуре циклоалканов алкильных заместителей, соединенных с циклом, название циклического фрагмента берется за основу, а названия заместителей выносятся в приставочную часть (например, пентилциклобутан).[10] С введением этого правила ИЮПАК в 2020 году была устранена вариантивность в выборе в качестве главной цепи циклоалканового кольца или боковой цепи.
Для циклоалканов характерны следующие виды изомерии:
- Изомерия углеродного скелета, например, циклобутан и 1-метилциклопропан.
- Пространственная. Для циклоалканов, содержащих два заместителя у разных атомов углерода трехчленного кольца, возможна цис-транс-изомерия:[3] если два заместителя находятся по одну сторону цикла, то этот изомер называется цис-изомером, если же два заместителя находятся по разные стороны от цикла, то изомер называется транс-изомером[5], например, цис- и транс-1,2-диметилциклопропан.
- Межклассовая изомерия с алкенами, например, циклопропан и пропен.
Классификация
править
Циклоалканы делятся на моноциклические и бициклические циклоалканы.
В свою очередь, бициклические циклоалканы делятся на спироалканы и бициклоалканы:
- Спироалканы - углеводороды, состоящие из двух циклов, в которых один углеродный атом (спироатом[11]) является общим. Представителем спироалканов является спиропентан. Название образуется путем добавления приставки спиро-, указанием количества нецентральных атомов в циклах в квадратных скобках и путем добавления окончания соответствующего алкана. Например, для спиропентана это название будет спиро[2.2]пентан.
- Бициклоалканы - углеводороды, состоящие из двух циклов, в которых два углеродных атома являются общими (например, хаусан). Название получается путем добавления приставки бицикло-, указанием количества нецентральных атомов в циклах в квадратных скобках и путем добавления окончания соответствующего алкана. Например, для бициклобутана[англ.] это название будет бицикло[1.1.0]бутан.[5]
Физические свойства
правитьВсе атомы углерода в молекулах циклоалканов имеют sp³-гибридизацию. Однако величины углов между гибридными орбиталями в циклобутане и особенно в циклопропане не 109°28', а меньше из-за геометрии, что создаёт в молекулах напряжение, поэтому малые циклы очень реакционноспособны.[источник не указан 1250 дней]
При комнатной температуре первые два члена ряда (C3 — C4) — газы, (C5 — C11) — жидкости, начиная с C12 — твёрдые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов. Циклоалканы в воде практически не растворяются.
Температуры плавления и кипения некоторых циклоалканов:[12]
| Циклоалкан | Т. пл., °C | Т. кип., °C |
|---|---|---|
| циклопропан C3H6 | −127 | −33 |
| циклобутан C4H8 | −90 | 13 |
| циклопентан C5H10 | −94 | 49 |
| циклогексан C6H12 | 7 | 81 |
| циклогептан C7H14 | −8 | 119 |
| циклооктан C8H16 | 15 | 151 |
| циклононан C9H18 | 11 | 178 |
Получение
правитьЦиклоалканы в значительном количестве находятся в нефти, а также содержатся в природных соединениях.[5]
Металлорганический синтез
правитьЦиклоалканы можно получить дегалогенированием дигалогенпроизводных (металлорганический синтез) при помощи магния, натрия или цинка:
Каталитическое гидрирование
правитьЦиклоалканы могут быть получены в результате реакций каталитического гидрирования аренов, циклоалкенов, циклоалкадиенов, например, в результате реакции присоединения водорода к бензолу в присутствии катализатора образуется циклогексан; катализатором в этой реакции может служить никель Ренея, никель, платина, палладий[13]:
Химические свойства
правитьХимические свойства циклоалканов, содержащих в своей структуре малые циклы (циклопропан, циклобутан), специфичны - для них в большей степени характерны реакции присоединения с раскрытием цикла, в то время как циклопентан и более старшие члены гомологического ряда циклоалканов склонны к реакциям радикального замещения и, таким образом, по своему химическому поведению близки к алканам.
- Циклопропан и циклобутан способны присоединять бром:
- Также циклопропан и циклобутан могут присоединять галогеноводороды, присоединение происходит с раскрытием цикла по правилу Марковникова.[14]
- Циклопропан, циклобутан и циклопентан могут присоединять водород, давая соответствующие нормальные алканы. Присоединение происходит при нагревании в присутствии никелевого катализатора:
![{\displaystyle {\ce {C4H8 + H2 ->[Ni] C4H10}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35410d2862d99679e4b80a66e9fa63ebf1b38115)
Применение
правитьВ нефтехимической промышленности нафтены являются источником получения ароматических углеводородов путём каталитического риформинга. Наибольшее практическое значение приобрёл циклогексан, применяемый для синтеза капролактама, адипиновой кислоты и других соединений, используемых в производстве синтетического волокна.
Циклопропан применяют для наркоза, но его применение ограничено из-за взрывоопасности.
Примечания
править
- ↑ 1 2 3 The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Термин Циклоалканы по IUPAC (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 18 февраля 2022. Архивировано 20 января 2022 года.
- ↑ Полиметиленовые углеводороды // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- ↑ 1 2 3 4 Циклоалканы // Химическая энциклопедия : [рус.] : [арх. 6 октября 2021] : в 5 т. / под ред. Н. С. Зефирова. — М. : Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — С. 364–365. — ISBN 5-85270-310-9.
- ↑ Hydrocarbon-Cycloalkanes | Britannica (англ.). www.britannica.com. Дата обращения: 20 февраля 2022. Архивировано 22 января 2022 года.
- ↑ 1 2 3 4 Valerij Fedorovič. Traven'. Organičeskaâ himiâ : v treh tomah. 1. — 2-e izd., pererab. i dop. — Moskva: BINOM. Laboratoriâ znanij, cop. 2013. — С. 196. — 368 s. с. — ISBN 978-5-9963-0406-6, 5-9963-0406-6, 978-5-9963-0357-1, 5-9963-0357-4.
- ↑ 1 2 3 4 Alkanes & Cycloalkanes. www2.chemistry.msu.edu. Дата обращения: 20 февраля 2022. Архивировано 19 марта 2022 года.
- ↑ 1 2 George A. Olah. General Aspects // Hydrocarbon chemistry (англ.). — 2nd edition. — John Willey & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003. — P. 1. — 871 p. — ISBN 0-471-41782-3, 978-0-471-41782-8.
- ↑ Владимир Васильевич Марковников (1838-1904) [1948 - - Люди русской науки. Том 1]. nplit.ru. Дата обращения: 21 ноября 2015. Архивировано 22 ноября 2015 года.
- ↑ R-2.3.1 Hydrocarbons. www.acdlabs.com. Дата обращения: 20 февраля 2022. Архивировано 20 февраля 2022 года.
- ↑ Karl-Heinz Hellwich, Richard M. Hartshorn, Andrey Yerin, Ture Damhus, Alan T. Hutton. Brief guide to the nomenclature of organic chemistry (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2020-03-26. — Vol. 92, iss. 3. — P. 527–539. — ISSN 0033-4545 1365-3075, 0033-4545. — doi:10.1515/pac-2019-0104. Архивировано 6 декабря 2022 года.
- ↑ The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Термин Спироатом по IUPAC (англ.). The IUPAC "Gold Book". IUPAC. doi:10.1351/goldbook.S05884. Дата обращения: 16 февраля 2022. Архивировано 20 января 2022 года.
- ↑ Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. В 2 томах = Basic Principles of Organic Chemistry / Пер. с англ. Ю. Г. Бунделя, под ред. А. Н. Несмеянова. — 2-е изд., дополненное. — М.: Мир, 1978. — Т. 1. — 121 с.
- ↑ Valerij Fedorovič. Traven'. Organičeskaâ himiâ : v treh tomah. 1. — 2-e izd., pererab. i dop. — Moskva: BINOM. Laboratoriâ znanij, cop. 2013. — С. 198. — 368 s. с. — ISBN 978-5-9963-0406-6, 5-9963-0406-6, 978-5-9963-0357-1, 5-9963-0357-4.
- ↑ Г.И. Дерябина, Г.В. Кантария, Д.И. Грошев. Свойства циклоалканов. Интерактивный мультимедиа учебник "Органическая химия". Дата обращения: 19 ноября 2021. Архивировано 19 ноября 2021 года.
Литература
править- Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы.. — М.: Экзамен, 2002.