Особенности реакций малых циклов

Комментарии преподавателя

1. Понятие об циклоалканах и их классификация

Циклоалканы- это насыщенные углеводороды, атомы углерода которых замкнуты в цикл. Если молекула содержит только один цикл, то общая формула таких веществ – СnH2n.

В отличие от предельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей, существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами). По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда и произошло их название – циклоалканы (циклопарафины, нафтены). Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n. Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Очень часто в органической химии структурные формулы перечисленных циклоалканов изображают без символов C и H простыми геометрическими фигурами

Простейший член ряда – циклопропан C3H6:

Классификация циклоалканов:

· малые циклы (3-4 атома углерода),

· средние циклы (5-7 атомов углерода),

· макроциклы (8 атомов углерода и более).

2. Номенклатура циклоалканов и физические свойства

Названия циклоалканов образуются с помощью добавления приставки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода.

В качестве основной цепи выбирают цикл, нумерацию проводят таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Если заместитель один, то его номер не указывается.

метилциклопропан 1,3-диметилциклопентан

3. Изомерия циклоалканов

1. Изомерия углеродного скелета.

метилциклопентан циклогексан

2. Межклассовая изомерия.

(гексен -1).

Рис. 1. циклогексан

3. Геометрическая изомерия.

В циклических молекулах невозможно свободное вращение атомов вокруг связи С-С, поэтому у замещенных циклоалканов существует пространственная изомерия. Заместители могут располагаться по одну сторону от цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер). Такой тип пространственной изомерии называется геометрической изомерией.

цис-1,2-диметилциклобута транс-1,2-диметилциклобутан

Конформации циклогексана

Flash 3D модель

4. Строение циклоалканов

Атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации. Углы между связями в средних циклах и макроциклах близки к тетраэдрическому 109,5о, молекула имеет неплоское строение. Рис. 2, 3.

Рис. 2. циклогексан С6Н12

Рис. 3. циклопентан С5Н10

Четырехчленный цикл тоженеплоский. Но угол между атомами углерода в нем значительно меньше тетраэдрического. Рис. 4.

Рис. 4 циклобутан

Еще больше отклонение от тетраэдрического угла в случае трехчленного цикла: три атома лежат в одной плоскости, а угол в равностороннем треугольнике равен 60°. Рис. 5.

Рис. 5. циклопропан

Эти связи напряжены, их образование энергетически невыгодно. Поэтому малые циклы более реакционноспособны, многие реакции связаны с раскрытием цикла.

5. Химические свойства циклоалканов

Химические свойства средних и макроциклов похожи на свойства алканов. Исключение – реакция дегидрирования соединений с шестичленными циклами: отщепляются сразу 6 атомов Н, при этом образуется молекула бензола (или аренов):

Малые циклы за счет напряжения связей легко вступают в реакции, которые проходят с разрывом цикла:

К циклопропану и циклобутану в присутствии катализатора (никеля или платины) можно присоединить водород:

К средним циклам водород не присоединяется.

При сгорании малых циклов выделяется больше энергии, чем при сгорании других углеводородов.

6. Получение циклоалканов

Источники

– https://www.youtube.com/watch?v=AcCaAwou_mc

https://interneturok.ru/ru/school/chemistry/10-klass – конспект

источник презентации – https://mirhimii.ru/10class/59-cikloalkany.html

https://urok.ru/prezentaciya_po_himii_cikloalkany11_klass-151345.htm

https://nsportal.ru/shkola/khimiya/library/2012/12/14/tsikloalkany-10-klass

https://pwpt.ru/presentation/himiya/stroenie_i_svoystva_tsikloalkanov/

https://kopilkaurokov.ru/himiya/presentacii/225150

https://sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/10-klass—tretij-god-obucenia/urok-no10-cikloalkany – конспект

Источник

Циклоалканы – это предельные (насыщенные) углеводороды, которые содержат замкнутый углеродный цикл.

Общая формула циклоалканов CnH2n, где n≥3.

Строение, номенклатура и изомерия циклоалканов

Химические свойства циклоалканов

Получение циклоалканов

Циклоалканы с малым циклом (циклопропан, циклобутан и их замещенные гомологи) из-за большой напряженности в кольце могут вступать в реакции присоединения.

1. Реакции присоединения к циклоалканам

Чем меньше цикл и чем больше угловое напряжение в цикле, тем легче протекают реакции присоединения. Способность вступать в реакции присоединения уменьшается в ряду: циклопропан > циклобутан > циклопентан.

1.1. Гидрирование циклоалканов

С водородом могут реагировать малые циклы, а также (в жестких условиях) циклопентан. При этом происходит разрыв кольца и образование алкана.

Циклопропан и циклобутан довольно легко присоединяют водород при нагревании в присутствии катализатора:

Циклопентан присоединяет водород в жестких условиях:

Бромирование протекает более медленно и избирательно.

Циклогексан и циклоалканы с большим число атомов углерода в цикле с водородом не реагируют.

1.2. Галогенирование циклоалканов

Циклопропан и циклобутан реагируют с галогенами, при этом тоже происходит присоединение галогенов к молекуле, сопровождающееся разрывом кольца.

Например. Циклопропан присоединяет бром с образованием 1,3-дибромпропана:

1.3. Гидрогалогенирование

Циклопропан и его гомологи с алкильными заместителями у трехчленного цикла вступают с галогеноводородами в реакции присоединения с разрывом цикла.

Например, циклопропан присоединяет йодоводород.

Присоединение галогеноводородов к гомологам циклопропана с заместителями у трехатомного цикла (метилциклопропан и др.) происходит по правилу Марковникова.

Например, при присоединении бромоводорода к метилциклопропану преимущественно образуется 2-бромбутан

2. Реакции замещения

В больших циклах (циклопентане, циклогексане) благодаря неплоскому строению молекул не возникает угловое напряжение.

Поэтому большие циклы гораздо более устойчивы, чем малые, и реакции присоединения с разрывом связей С-С для них не характерны. В химических реакциях они ведут себя подобно алканам, вступая в реакции замещения без разрыва кольца.

2.1. Галогенирование

Галогенирование циклопентана, циклогексана и циклоалканов с большим количеством атомов углерода в цикле протекает по механизму радикального замещения.

Например, при хлорировании циклопентана на свету или при нагревании образуется хлорциклопентан

При хлорировании метилциклопентана замещение преимущественно протекает у третичного атома углерода:

2.2. Нитрование циклоалканов

При взаимодействии циклоалканов с разбавленной азотной кислотой при нагревании образуются нитроциклоалканы.

Например, нитрование циклопентана.

2.3. Дегидрирование

При нагревании циклоалканов в присутствии катализаторов протекает дегидрирование – отщепление водорода.

Циклогексан и его производные дегидрируются при нагревании и под действием катализатора до бензола и его производных.

Например, бензол образуется при дегидрировании циклогексана.

Например, при отщеплении водорода от метилциклогексана образуется толуол.

3. Окисление циклоалканов

3.1. Горение

Как и все углеводороды, алканы горят до углекислого газа и воды. Уравнение сгорания циклоалканов в общем виде:

CnH2n + 3n/2O2 → nCO2 + nH2O + Q

Например, горение циклопентана.

2C5H10 + 15O2 → 10CO2 + 10H2O + Q

3.2. Окисление

При окислении циклогексана азотной кислотой или в присутствии катализатора образуется адипиновая (гександиовая) кислота:

Источник

1. Понятие об циклоалканах и их классификация

Цик­ло­ал­ка­ны- это на­сы­щен­ные уг­ле­во­до­ро­ды, атомы уг­ле­ро­да ко­то­рых за­мкну­ты в цикл. Если мо­ле­ку­ла со­дер­жит толь­ко один цикл, то общая фор­му­ла таких ве­ществ – СnH2n.

Про­стей­ший член ряда – цик­ло­про­пан C3H6:

Клас­си­фи­ка­ция цик­ло­ал­ка­нов:

· малые циклы (3-4 атома уг­ле­ро­да),

· сред­ние циклы (5-7 ато­мов уг­ле­ро­да),

· мак­ро­цик­лы (8 ато­мов уг­ле­ро­да и более).

2. Номенклатура циклоалканов

На­зва­ния цик­ло­ал­ка­нов об­ра­зу­ют­ся с по­мо­щью до­бав­ле­ния при­став­ки цик­ло- к на­зва­нию ал­ка­на с со­от­вет­ству­ю­щим чис­лом ато­мов уг­ле­ро­да.

В ка­че­стве ос­нов­ной цепи вы­би­ра­ют цикл, ну­ме­ра­цию про­во­дят таким об­ра­зом, чтобы за­ме­сти­те­ли по­лу­чи­ли наи­мень­шие но­ме­ра. Если за­ме­сти­тель один, то его номер не ука­зы­ва­ет­ся.

ме­тил­цик­ло­про­пан 1,3-ди­ме­тил­цик­ло­пен­тан

Опи­сы­вая цик­ли­че­ские со­еди­не­ния, часто поль­зу­ют­ся со­кра­щен­ны­ми фор­му­ла­ми, в ко­то­рых не по­ка­зы­ва­ют атомы Н:

1,3-ди­ме­тил­цик­ло­пен­тан

3. Изомерия циклоалканов

1. Изо­ме­рия уг­ле­род­но­го ске­ле­та.

ме­тил­цик­ло­пен­тан цик­ло­гек­сан

2. Меж­клас­со­вая изо­ме­рия.

(гек­сен -1).

Рис. 1. цик­ло­гек­сан

3. Гео­мет­ри­че­ская изо­ме­рия.

В цик­ли­че­ских мо­ле­ку­лах невоз­мож­но сво­бод­ное вра­ще­ние ато­мов во­круг связи С-С, по­это­му у за­ме­щен­ных цик­ло­ал­ка­нов су­ще­ству­ет про­стран­ствен­ная изо­ме­рия. За­ме­сти­те­ли могут рас­по­ла­гать­ся по одну сто­ро­ну от цикла (цис-изо­мер) или по раз­ные сто­ро­ны (транс-изо­мер). Такой тип про­стран­ствен­ной изо­ме­рии на­зы­ва­ет­ся гео­мет­ри­че­ской изо­ме­ри­ей.

цис-1,2-ди­ме­тил­цик­ло­бу­та транс-1,2-ди­ме­тил­цик­ло­бу­тан

4. Строение циклоалканов

Атомы уг­ле­ро­да на­хо­дят­ся в со­сто­я­нии sp3-ги­бри­ди­за­ции. Углы между свя­зя­ми в сред­них цик­лах и мак­ро­цик­лах близ­ки к тет­ра­эд­ри­че­ско­му 109,5о, мо­ле­ку­ла имеет неплос­кое стро­е­ние. Рис. 2, 3.

Рис. 2. цик­ло­гек­сан С6Н12

Рис. 3. цик­ло­пен­тан С5Н10

Че­ты­рех­член­ный цикл то­же­не­плос­кий. Но угол между ато­ма­ми уг­ле­ро­да в нем зна­чи­тель­но мень­ше тет­ра­эд­ри­че­ско­го. Рис. 4.

Рис. 4 цик­ло­бу­тан

Еще боль­ше от­кло­не­ние от тет­ра­эд­ри­че­ско­го угла в слу­чае трех­член­но­го цикла: три атома лежат в одной плос­ко­сти, а угол в рав­но­сто­рон­нем тре­уголь­ни­ке равен 60°. Рис. 5.

Рис. 5. цик­ло­про­пан

Эти связи на­пря­же­ны, их об­ра­зо­ва­ние энер­ге­ти­че­ски невы­год­но. По­это­му малые циклы более ре­ак­ци­он­но­спо­соб­ны, мно­гие ре­ак­ции свя­за­ны с рас­кры­ти­ем цикла.

5. Химические свойства циклоалканов

Хи­ми­че­ские свой­ства сред­них и мак­ро­цик­лов по­хо­жи на свой­ства ал­ка­нов. Ис­клю­че­ние – ре­ак­ция де­гид­ри­ро­ва­ния со­еди­не­ний с ше­сти­член­ны­ми цик­ла­ми: от­щеп­ля­ют­ся сразу 6 ато­мов Н, при этом об­ра­зу­ет­ся мо­ле­ку­ла бен­зо­ла (или аре­нов):

Малые циклы за счет на­пря­же­ния свя­зей легко всту­па­ют в ре­ак­ции, ко­то­рые про­хо­дят с раз­ры­вом цикла:

К цик­ло­про­па­ну и цик­ло­бу­та­ну в при­сут­ствии ка­та­ли­за­то­ра (ни­ке­ля или пла­ти­ны) можно при­со­еди­нить во­до­род:

К сред­ним цик­лам во­до­род не при­со­еди­ня­ет­ся.

При сго­ра­нии малых цик­лов вы­де­ля­ет­ся боль­ше энер­гии, чем при сго­ра­нии дру­гих уг­ле­во­до­ро­дов.

6. Получение циклоалканов

Под­ве­де­ние итога

Вы смог­ли са­мо­сто­я­тель­но изу­чить тему «Цик­ло­ал­ка­ны. Осо­бен­но­сти малых цик­лов». В ходе этого за­ня­тия вы узна­ли, что пред­став­ля­ют собой цик­ло­ал­ка­ны, как вид на­сы­щен­ных (за­мкну­тых) уг­ле­во­до­ро­дов. Узна­ли фор­му­лу го­мо­ло­ги­че­ско­го ряда цик­ло­ал­ка­нов. Срав­ни­ли свой­ства цик­ло­ал­ка­нов раз­ных цик­лов, узна­ли об осо­бен­но­стях малых цик­лов.

Источник