§ 10. Циклоалканы

Определения и обозначения

Циклоалканы — насыщенные углеводороды с замкнутой углеродной цепью и одинарными связями между атомами углерода. Кольцо можно представить как цепь, концы которой соединены друг с другом. Это определение помогает отличать циклоалканы от алкенов и от открытых цепей алканов.

Общая формула циклоалканов CₙH₂ₙ показывает соотношение числа атомов углерода и водорода в молекуле. Она получается потому, что при образовании одного кольца у алкана отнимаются два атома водорода. Формула нужна для вывода молекулярного состава вещества и расчётов по уравнениям реакций.

Гомологический ряд циклоалканов — последовательность соединений, соседние представители которой отличаются на группу CH₂. Например, после циклопропана идут циклобутан и циклопентан. Такое расположение позволяет сравнивать свойства веществ и видеть закономерное увеличение углеродного скелета.

Номенклатура циклоалканов — правила составления их названий по числу атомов углерода в кольце и названиям заместителей. К названию соответствующего углеводорода добавляют приставку «цикло-», а для заместителей указывают их положение. Номенклатура превращает структурную формулу в однозначное название.

Как это устроено

В открытой цепи каждый внутренний атом углерода алкана связан с двумя соседями, а крайние — только с одним. Когда концы цепи соединяются, крайние атомы получают ещё по одной связи и больше не могут удерживать прежнее количество водорода. Поэтому из формулы алкана CₙH₂ₙ₊₂ получается формула циклоалкана CₙH₂ₙ.

Циклоалканы называют насыщенными, потому что между атомами углерода у них только одинарные связи, а валентности углерода заполнены максимально возможным числом атомов водорода или углерода. Потеря двух атомов водорода объясняется не двойной связью, а появлением кольца. Поэтому одна и та же формула CₙH₂ₙ может описывать разные классы: циклоалканы и алкены.

Название вещества без заместителей получают по числу атомов углерода в кольце: циклопропан содержит три атома углерода, циклобутан — четыре, циклопентан — пять, циклогексан — шесть. Если к кольцу присоединена боковая группа, её называют заместителем, например метилом или этилом. Для одного заместителя номер часто не указывают, если положение очевидно.

Если заместителей несколько, нумерацию начинают с одного из них и выбирают направление, при котором номера всех заместителей образуют наименьший возможный набор. Затем перечисляют заместители, ставят перед их названиями номера и используют приставки ди-, три-, если одинаковые группы повторяются. Например, у 1,2-диметилциклобутана две метильные группы находятся у соседних атомов кольца.

Углерод в цикле стремится сохранить удобное пространственное расположение связей, близкое к тетраэдрическому углу 109,5°. В циклопропане угол около 60°, а в циклобутане он также заметно меньше, поэтому связи отклонены и напряжены. Часть напряжения связана и с тем, что связи вынужденно расположены в неудобной плоскости.

В циклопентане и особенно в циклогексане атомы могут располагаться не в одной плоскости, а в более выгодных пространственных формах. Благодаря этому углы и направления связей ближе к оптимальным, а напряжение меньше. Поэтому такие кольца устойчивее и обычно не раскрываются так легко, как трёх- и четырёхчленные.

При горении любой циклоалкан окисляется кислородом до углекислого газа и воды. В реакциях замещения атом водорода заменяется другим атомом или группой, например при взаимодействии с хлором на свету. Для малых напряжённых колец возможны реакции присоединения: реагент присоединяется по месту разрыва связи C—C, и кольцо раскрывается.

Сравнение важнейших циклоалканов

Таблицу удобно читать сверху вниз: сначала сравнить состав и размер кольца, затем связать форму с напряжением. Последние строки показывают, как строение влияет на устойчивость и реакции. Особенно заметен переход от напряжённых малых колец к более устойчивым пяти- и шестичленным.

Разбор задач

Задача 1

Условие: для циклоалкана с шестью атомами углерода определить молекулярную формулу и составить уравнение полного сгорания. Нужно сначала установить состав вещества, а затем подобрать коэффициенты перед продуктами и кислородом.

1. Подставляем n = 6 в общую формулу: CₙH₂ₙ = C₆H₁₂.
2. Записываем схему горения: C₆H₁₂ + O₂ → CO₂ + H₂O.
3. По шести атомам углерода ставим 6CO₂, а по двенадцати атомам водорода — 6H₂O.
4. Справа получилось 12 + 6 = 18 атомов кислорода, поэтому слева нужно 9O₂.

Ответ: формула циклоалкана C₆H₁₂; уравнение реакции: C₆H₁₂ + 9O₂ → 6CO₂ + 6H₂O.

Задача 2

Условие: дано пятичленное углеродное кольцо с одной метильной группой. Требуется назвать соединение и записать его молекулярную формулу. Главным скелетом выбираем кольцо, а метильную группу учитываем дополнительно.

1. В кольце пять атомов углерода, значит, основа названия — циклопентан.
2. Одна группа CH₃— является метильным заместителем, поэтому название — метилциклопентан.
3. Для одного заместителя номер положения обычно не записывают: любое начало нумерации даёт положение 1.
4. В кольце C₅H₁₀ один атом водорода заменён на CH₃, поэтому добавляется в сумме группа CH₂: C₆H₁₂.

Ответ: метилциклопентан, молекулярная формула C₆H₁₂.

Задача 3

Условие: при гидрировании циклоалкена получили 8,4 г циклоалкана с выходом 80%. Молярная масса исходного вещества равна 82 г/моль. Найдём массу исходного вещества, учитывая, что на одну молекулу циклоалкена присоединяется одна молекула H₂.

1. После присоединения H₂ молярная масса продукта равна 82 + 2 = 84 г/моль.
2. Фактически образовалось n = 8,4 / 84 = 0,10 моль продукта.
3. Это 80% от теоретического количества, значит, теоретически должно было получиться 0,10 / 0,80 = 0,125 моль.
4. Соотношение веществ 1:1, поэтому исходного циклоалкена было 0,125 моль. Его масса равна 0,125 · 82 = 10,25 г.

Ответ: масса исходного вещества равна 10,25 г.

Типичные ошибки

Формулу циклоалкана иногда записывают как CₙH₂ₙ₊₂, перенося формулу алканов. Ошибка возникает, если не учесть дополнительную связь, замыкающую цепь в кольцо. Проверка проста: для одного кольца из формулы алкана нужно убрать два атома водорода.

Нельзя считать любой углеводород состава CₙH₂ₙ циклоалканом. Такая формула бывает и у алкенов, где недостаток водорода вызван двойной связью. Чтобы проверить класс, нужно посмотреть на структурную формулу: у циклоалкана есть кольцо и только одинарные связи.

При нумерации кольца выбирают не любое направление, а то, которое даёт заместителям наименьший набор номеров. Ошибку часто допускают, начиная отсчёт с ближайшего удобного места и не сравнивая оба варианта. Полезно выписать номера в возрастающем порядке для каждого направления и выбрать меньший набор.

Все циклоалканы не обладают одинаковой реакционной способностью. Малые кольца напряжены, поэтому легче вступают в присоединение с раскрытием, тогда как циклопентан и циклогексан устойчивее. Проверяйте размер кольца перед выбором предполагаемой реакции.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома углерода, его четырёхвалентности, алканах, гомологическом ряде и структурных формулах. Они объясняют, почему углерод образует кольца и как в них распределяются связи. Без этого трудно вывести формулу циклоалканов.

Номенклатура циклоалканов опирается на правила называния органических соединений и представления об изомерии углеродного скелета. Эти навыки помогают различать положение и состав заместителей. Позже они понадобятся при работе со сложными органическими формулами.

Циклоалканы связывают изучение алканов с алкенами, поскольку одинаковая общая формула может иметь разные причины. Тема пригодится при изучении способов получения веществ, конформаций и органического синтеза. Пространственная форма кольца особенно важна для понимания его устойчивости.

Что запомнить

• Циклоалканы — насыщенные углеводороды с углеродным кольцом.
• Для моноциклических циклоалканов общая формула — CₙH₂ₙ.
• Название циклоалкана образуют добавлением приставки «цикло-» к названию соответствующего углеводорода.
• В малых кольцах из-за напряжения связи менее устойчивы.
• Циклопентан и циклогексан устойчивее циклопропана и циклобутана.
• Все циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды.
• Формула CₙH₂ₙ сама по себе не отличает циклоалканы от алкенов.