Циклоалка́ны (также полиметиленовые углеводороды , нафтены , цикланы , или циклопарафины ) — циклические насыщенные углеводороды , относятся к насыщенным карбоциклическим соединениям . Могут содержать боковые цепи, содержащие углеводородные (алкильные) заместители, соединенные с циклом. Все атомы углерода циклоалканов находятся в sp ³ - гибридизированном состоянии. Моноциклические (содержащие один цикл) циклоалканы образуют гомологические ряды с общей формулой C _n H _2n . Простейшим циклоалканом является циклопропан ( цикло -С ₃ H ₆ ). 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.

Несмотря на то, что согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) циклоалканы могут содержать в своей структуре только один цикл, ряд авторов 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. При наличии двух и более циклов в молекуле различают циклоалканы с изолированными и конденсированными циклами, спиро - и мостиковые циклоалканы, а также каркасные углеводороды . Во всех указанных случаях универсальной общей формулой ряда циклоалканов является C _n H _{2( n +1− r )} , где n – число углеродных атомов, а r – количество циклов.

Входят в состав нефти . Открыты В. В. Марковниковым в 1883 году из бакинской нефти .

Номенклатура и изомерия

Названия 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 ).

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). 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 : 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 , например, цис - и транс -1,2-диметилциклопропан.
• Межклассовая изомерия с алкенами , например, циклопропан и пропен .

Классификация

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 ) 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 это название будет бицикло[1.1.0]бутан.

Физические свойства

Все 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 975 дней ]}

При комнатной температуре первые два члена ряда (C ₃ — C ₄ ) — газы , (C ₅ — C ₁₁ ) — жидкости , начиная с C ₁₂ — твёрдые вещества . Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов . Циклоалканы в воде практически не растворяются .

Температуры плавления и кипения некоторых циклоалканов:

Циклоалкан	Т. пл., °C	Т. кип., °C
циклопропан C 3 H 6	−127	−33
циклобутан C 4 H 8	−90	13
циклопентан C 5 H 10	−94	49
циклогексан C 6 H 12	7	81
циклогептан C 7 H 14	−8	119
циклооктан C 8 H 16	15	151
циклононан C 9 H 18	11	178

Получение

Циклоалканы в значительном количестве находятся в нефти, а также содержатся в природных соединениях.

Металлорганический синтез

Циклоалканы можно получить дегалогенированием дигалогенпроизводных (металлорганический синтез) при помощи магния , натрия или цинка :

Каталитическое гидрирование

Циклоалканы 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 :

Химические свойства

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

${\displaystyle {\ce {C4H8 + H2 ->[Ni] C4H10}}}$

Применение

В 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

Литература

• Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы.. — М. : Экзамен, 2002.