§ 8. Циклоалканы

Определения и обозначения

Циклоалканы — насыщенные углеводороды с замкнутой углеродной цепью, в которой атомы углерода соединены одинарными связями. Слово «насыщенные» означает отсутствие двойных и тройных связей. Это определение помогает отличать циклоалканы от циклоалкенов и ароматических соединений.

Общая формула циклоалканов с одним углеродным кольцом — CₙH₂ₙ. Она показывает соотношение числа атомов углерода и водорода в молекуле. Формула нужна для составления молекулярных формул и расчётов по уравнениям реакций.

Циклоалкильная группа — одновалентный углеводородный заместитель, образованный удалением атома водорода из циклоалкана. Например, из циклопропана получают циклопропильную группу C₃H₅–. Такое обозначение используют при назывании сложных органических молекул.

Напряжение кольца — отклонение валентных углов и пространственного строения от наиболее устойчивого состояния. Чем сильнее такое отклонение, тем выше энергия молекулы и тем легче некоторые связи разрываются. Поэтому напряжение помогает объяснить необычную реакционную способность малых циклов.

Как это устроено

У атома углерода в алкане четыре валентности, поэтому открытая цепь насыщенного углеводорода имеет формулу CₙH₂ₙ₊₂. Если соединить крайние атомы цепи, между ними появится ещё одна связь C–C. На два углерода, участвующих в замыкании, приходится на два водорода меньше, и формула становится CₙH₂ₙ, совпадающей с формулой алкенов.

Название циклоалкана образуют добавлением приставки «цикло-» к названию алкана с тем же числом атомов углерода: циклопропан, циклобутан, циклогексан. В кольце выбирают направление нумерации, при котором заместители получают наименьший набор номеров. Названия и номера заместителей записывают перед названием кольца, например 1,2-диметилциклобутан.

Размер кольца влияет на его геометрию. В циклопропане связи должны быть направлены под углом около 60°, а не близко к обычному тетраэдрическому углу 109,5°, поэтому кольцо сильно напряжено; в циклобутане напряжение тоже велико, хотя молекула немного «складывается». Циклопентан и циклогексан принимают неплоские формы, уменьшающие напряжение, поэтому они устойчивее.

Сильное напряжение ослабляет связи C–C в малых кольцах. При реакции с водородом или галогеном кольцо раскрывается, а его атомы образуют новые связи с присоединяющимися атомами. У циклопентана и циклогексана такого энергетически выгодного раскрытия нет, поэтому они ведут себя преимущественно как алканы и вступают в реакции замещения.

Циклоалканы получают замыканием углеродной цепи, например внутримолекулярной реакцией дигалогенпроизводного с образованием новой связи C–C. В промышленности многие циклоалканы выделяют из нефти или получают превращением других углеводородов. Они служат растворителями, компонентами топлива и исходными веществами для синтеза лекарств, полимеров и других органических соединений.

Строение и свойства циклоалканов разного размера

Сначала по таблице удобно сравнить формулы и число атомов углерода, а затем связать форму кольца с напряжением. Чем больше отклонение строения от удобных валентных углов, тем ниже устойчивость. Последняя строка помогает предсказать, будет ли соединение склонно к раскрытию кольца или к обычному замещению.

Разбор задач

Задача 1

Условие: составьте молекулярную и структурную формулы циклоалкана, содержащего 6 атомов углерода, и назовите его. Нужно определить формулу по числу атомов углерода и показать замкнутую цепь.

1. Подставляем n = 6 в формулу CₙH₂ₙ: C₆H₁₂.
2. Соединяем шесть групп –CH₂– в кольцо: (–CH₂–)₆.
3. Алкан с шестью атомами углерода называется гексан, поэтому для кольца добавляем приставку «цикло-».

Ответ: молекулярная формула C₆H₁₂, структурная формула (–CH₂–)₆, название — циклогексан.

Задача 2

Условие: при полном сгорании 0,1 моль вещества образуется 0,6 моль CO₂. Определите формулу циклоалкана и назовите его. При сгорании одна молекула углеводорода образует столько молекул CO₂, сколько атомов углерода содержит.

1. Находим число атомов углерода: 0,6 : 0,1 = 6.
2. Для моноциклического циклоалкана записываем CₙH₂ₙ и подставляем n = 6: C₆H₁₂.
3. По числу атомов углерода определяем название: циклогексан.

Ответ: формула вещества C₆H₁₂, название — циклогексан.

Задача 3

Условие: составьте уравнения реакций циклопропана с водородом и бромом и объясните отличие от реакций циклогексана. Циклопропан имеет сильное напряжение, поэтому раскрытие кольца компенсирует часть его энергии.

1. При гидрировании к двум крайним атомам раскрытого кольца присоединяются атомы водорода: C₃H₆ + H₂ → C₃H₈.
2. При взаимодействии с бромом образуется 1,3-дибромпропан: C₃H₆ + Br₂ → BrCH₂–CH₂–CH₂Br.
3. Циклогексан не имеет столь сильного напряжения и обычно вступает в замещение, например: C₆H₁₂ + Br₂ → C₆H₁₁Br + HBr при освещении.

Ответ: циклопропан присоединяет H₂ и Br₂ с разрывом связи C–C, а циклогексан преимущественно замещает атом водорода.

Типичные ошибки

Записывают для циклоалканов формулу CₙH₂ₙ₊₂, потому что вспоминают формулу алканов и не учитывают кольцо. При замыкании цепи образуется дополнительная связь, поэтому два атома водорода теряются. Проверка: для шести атомов углерода у циклоалкана должно быть C₆H₁₂, а не C₆H₁₄.

Называют вещество по числу атомов водорода или выбирают неверную главную цепь. Сначала нужно посчитать атомы углерода в кольце, подобрать название алкана и добавить приставку «цикло-». Проверить себя можно, сопоставив название с формулой: циклогексан содержит шесть атомов углерода.

Считают все циклоалканы способными к присоединению, как алкены. В циклоалканах нет двойной связи, а присоединение особенно характерно для напряжённых малых колец. Если кольцо крупное, сначала ожидают реакцию замещения, подобную реакции алканов.

Изображают любой цикл только плоским и судят об устойчивости по форме рисунка. Реальные молекулы могут менять пространственную конформацию, например циклогексан имеет форму «кресла». Поэтому нужно учитывать не только картинку, но и валентные углы, напряжение и возможность пространственной перестройки.

Связь с другими темами

Для изучения циклоалканов нужны знания об алканах, валентности углерода, гомологическом ряде и уравнениях горения. Без этого трудно вывести формулу CₙH₂ₙ и составить названия. Полезно также уметь определять число атомов углерода по количеству CO₂.

Формула CₙH₂ₙ связывает циклоалканы с алкенами, но одинаковая формула не означает одинаковое строение. Это пример изомерии: вещества могут иметь один состав, но открытую цепь с двойной связью или замкнутое кольцо. Различие строения объясняет различия в реакциях.

Тема готовит к изучению ароматических и других циклических соединений. Циклоалканы важны в органическом синтезе и нефтехимии, а напряжение кольца помогает понимать механизмы реакций. Их производные используют при получении лекарств, полимеров и растворителей.

Что запомнить

• Циклоалканы — насыщенные углеводороды с одним углеродным кольцом.
• Для моноциклических циклоалканов общая формула — CₙH₂ₙ.
• Название циклоалкана получают добавлением приставки «цикло-» к названию алкана.
• Малые кольца обладают повышенным напряжением и легче вступают в реакции присоединения с разрывом кольца.
• Циклопентан и циклогексан устойчивее циклопропана и циклобутана.
• Одинаковая формула CₙH₂ₙ может соответствовать циклоалкану или алкену, поэтому формула не всегда однозначно определяет строение.
• Свойства циклоалкана зависят от размера кольца, его формы и наличия заместителей.