"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Циклические углеводороды — вещества, в которых атомы углерода соединены в замкнутую цепь. Важная их группа — циклоалканы: насыщенные соединения с одним кольцом и одинарными связями. Для них характерна формула CₙH₂ₙ, где n ≥ 3: кольцо уменьшает число атомов водорода по сравнению с открытой цепью. Знание строения помогает правильно составлять формулы и названия, а также объяснять свойства веществ: большинство циклоалканов похоже на алканы, но малые кольца могут раскрываться в реакциях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Циклические углеводороды — вещества, атомы углерода в которых соединены в замкнутую цепь. Иными словами, у цепи нет свободных концов: последний атом связан с первым. Это определение помогает отличить такие вещества от углеводородов с открытой цепью.
Циклоалканы, или циклопарафины, — насыщенные циклические углеводороды, в которых атомы углерода соединены одинарными связями. Насыщенными называют вещества без двойных и тройных связей между атомами углерода. Это уточнение нужно, чтобы не смешивать циклоалканы с другими соединениями, которые тоже образуют кольца.
Для циклоалкана с одним кольцом общая формула — CₙH₂ₙ, где n ≥ 3 и n показывает число атомов углерода. Например, если n = 5, число атомов водорода равно 2 · 5. Формула позволяет быстро найти состав молекулы, но сама по себе не устанавливает её строение.
Циклическая структурная формула показывает замкнутую углеродную цепь и связи с присоединёнными атомами водорода. Кольцо часто изображают многоугольником, вершины которого соответствуют атомам углерода; водороды могут быть показаны или подразумеваться. Такая запись нужна, чтобы увидеть порядок соединения атомов и проверить, что углерод образует четыре связи.
В открытой цепи крайние атомы углерода связаны только с одним соседом по цепи, а в кольце каждый атом углерода соединён с двумя соседями. Поэтому замыкание цепи меняет число связей каждого крайнего атома: между концами появляется новая связь. Число атомов углерода при этом не меняется, но число присоединённых к ним водородов становится меньше. Так циклическое строение отличает молекулу от соответствующего углеводорода с открытой цепью.
Алкан с n атомами углерода имеет формулу CₙH₂ₙ₊₂. Чтобы замкнуть его цепь в кольцо, нужно соединить два крайних атома углерода; каждый из них отдаёт по одному водороду для образования новой связи. Поэтому от исходного числа водородов вычитают два: CₙH₂ₙ₊₂ − H₂ = CₙH₂ₙ. Наименьшее кольцо включает три атома углерода, значит, для циклоалканов n ≥ 3.
Простейшие циклоалканы называют, добавляя приставку «цикло-» к названию алкана с тем же числом атомов углерода. Три атома дают циклопропан, четыре — циклобутан, пять — циклопентан, шесть — циклогексан. Если в кольце есть заместители, то есть группы атомов вместо водорода, кольцо нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие возможные номера. Нумерация показывает, где именно они находятся.
Одинарные связи в циклоалканах объясняют, почему их свойства в целом похожи на свойства алканов — насыщенных углеводородов. Для них характерны реакции, в которых не требуется разрывать двойную связь, поскольку такой связи в молекулах нет. Однако свойства зависят не только от формулы, но и от размера и формы кольца. Поэтому общую характеристику класса нужно применять с учётом строения конкретного вещества.
В малых кольцах связи расположены под большими углами напряжения, чем было бы удобно для атомов углерода. Это делает кольцо менее устойчивым к некоторым превращениям. Например, циклопропан может вступать в реакцию присоединения: одна связь C–C разрывается, кольцо раскрывается, а к его концам присоединяются другие атомы. Не следует переносить эту особенность на все циклоалканы одинаково: возможность раскрытия особенно связана с малыми кольцами.
| Признак | Алканы | Циклоалканы |
|---|---|---|
| Строение углеродной цепи | Открытая цепь | Замкнутая цепь — кольцо |
| Общая формула | CₙH₂ₙ₊₂ | CₙH₂ₙ, n ≥ 3 |
| Тип связей между атомами углерода | Одинарные | Одинарные |
| Пример и его формула | Пропан — C₃H₈ | Циклопропан — C₃H₆ |
| Характерные химические свойства | Свойства насыщенных углеводородов | В целом свойства насыщенных углеводородов; малые кольца могут раскрываться |
Сначала сравните строение: открытая или замкнутая цепь. Затем проверьте, согласуется ли число водородов с формулой класса; одинаковые одинарные связи ещё не означают одинаковую общую формулу.
Таблица полезна для сравнения веществ с одинаковым числом атомов углерода: пропан и циклопропан различаются двумя атомами водорода. Она также показывает, почему принадлежность к насыщенным углеводородам не исключает особых реакций малых колец.
Задача 1. Запишите молекулярную формулу циклопентана. Слово «пентан» указывает на пять атомов углерода, а приставка «цикло-» — на кольцо. Для циклоалканов с одним кольцом используем формулу CₙH₂ₙ. Подстановка числа атомов углерода даёт формулу молекулы.
Ответ: формула циклопентана — C₅H₁₀. При проверке важно использовать формулу циклоалканов, а не алканов: для открытой цепи из пяти атомов углерода получилось бы C₅H₁₂.
Задача 2. Составьте структурную формулу циклогексана и укажите число атомов водорода. Название означает, что в кольце шесть атомов углерода. Нарисуем их по кругу и соединим соседние атомы одинарными связями, включая связь между последним и первым. Затем проверим валентность каждого атома углерода.
Ответ: структурная формула — кольцо из шести групп CH₂, то есть (CH₂)₆; молекулярная формула C₆H₁₂, в ней 12 атомов водорода. Проверка по валентности не позволяет случайно приписать каждому атому углерода три водорода.
Задача 3. Углеводород имеет формулу C₇H₁₄. Может ли он быть циклоалканом? Назовите одного возможного представителя. Сначала сравним индексы в формуле с общей формулой циклоалканов. Совпадение покажет, что такое строение возможно, но не докажет, что молекула обязательно имеет кольцо. Поэтому нужно сформулировать вывод с учётом других классов соединений.
Ответ: да, вещество может быть циклоалканом; один представитель — циклогептан. Только по формуле C₇H₁₄ нельзя установить единственное строение.
Ошибка — считать, что любой углеводород состава CₙH₂ₙ является циклоалканом. Так рассуждают, потому что запоминают формулу класса, но забывают, что она совпадает с формулой алкенов с одной двойной связью. Проверяйте не только индексы, но и наличие кольца или двойной связи в структурной формуле. Если строение не дано, говорите, что циклоалкан возможен, а не установлен однозначно.
Ошибка — записывать циклоалканы по формуле алканов CₙH₂ₙ₊₂. Причина в том, что оба класса насыщенные и имеют одинарные связи, однако это не отменяет разницы между открытой и замкнутой цепью. Сверьте формулу с кольцевым строением: у циклоалкана на два водорода меньше, чем у алкана с тем же числом атомов углерода. Например, C₃H₈ — пропан, а C₃H₆ — циклопропан.
Ошибка — неверно считать водороды в структурной формуле. Её допускают, если забывают, что каждый атом углерода должен иметь четыре связи. Для проверки посчитайте у каждого C связи с соседними углеродами, а затем добавьте недостающие связи с водородами. В простом кольце без заместителей на каждом атоме углерода обычно остаётся по две связи для водородов.
Ошибка — считать, что все циклоалканы одинаково легко вступают в реакции присоединения. Такое представление возникает, если особенность циклопропана распространить на весь класс. Проверяйте размер кольца и помните, что склонность малых колец к раскрытию связана с напряжённостью их строения. Общую характеристику циклоалканов не следует путать с поведением отдельного представителя.
Чтобы понять циклоалканы, нужно знать валентность углерода: она помогает правильно распределить связи и водороды в структурной формуле. Также пригодятся строение алканов и их общая формула CₙH₂ₙ₊₂ — сравнение с ней объясняет, почему при замыкании цепи состав меняется. Навык составления структурных формул позволяет проверить, действительно ли изображено кольцо.
Эта тема пригодится при изучении изомерии — существования веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением. Она также связана с номенклатурой органических соединений и с тем, как строение влияет на химические свойства. Например, наличие малого кольца помогает объяснить возможность его раскрытия в реакции.
Чем циклоалкан отличается от алкана?
У циклоалкана углеродная цепь замкнута в кольцо, а у алкана она открытая. Поэтому при одинаковом числе атомов углерода у циклоалкана на два атома водорода меньше.
Почему общая формула циклоалканов — CₙH₂ₙ?
У открытого алкана с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂. Замыкание цепи создаёт дополнительную связь между её концами и требует убрать по одному атому водорода с каждого из них, поэтому получается CₙH₂ₙ.
Как назвать циклоалкан по числу атомов углерода?
К названию соответствующего алкана добавляют приставку «цикло-». Например, кольцо из пяти атомов углерода называют циклопентаном, а из шести — циклогексаном.
Может ли вещество состава CₙH₂ₙ быть не циклоалканом?
Да. Такую же общую формулу имеют алкены с одной двойной связью. Чтобы определить класс вещества, одной молекулярной формулы недостаточно: нужно знать его строение.
Почему циклопропан может вступать в реакции присоединения?
В трёхчленном кольце связи между атомами углерода испытывают напряжение из-за особенностей геометрии. При некоторых реакциях кольцо раскрывается, и к его концам присоединяются другие атомы или группы атомов.
§ 41. Циклические углеводороды
