Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов thumbnail

Циклоалканы

Нелюбин Владислав, Бочков Иван 10А

Циклоалканы, также нафтены,
циклоны или циклопарафины
– ациклические насыщенные углеводороды, по химическим
свойствам близки к предельным углеводородам. Входят в состав нефти. Циклоалканы
открыты В.В. Марковниковым в 1883 году. (Циклопарафины главным образом находятся в составе некоторых нефтей. Отсюда и другое название циклопарафинов — нафтены)

Номенклатура:

Циклоалканы – это циклические
углеводороды, не содержащие в молекуле кратных связей и соответствующие общей
формуле: CnH2n.

Циклопропан:                                         
Циклогексан:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов                      Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Прочность связей в циклических соединениях
зависит от числа атомов, участвующих в образовании цикла. Она определяется
степенью его напряженности, обусловленной изменением валентных углов атомов
цикла и отклонением этих атомов от нормального направления.
Для циклопропана межъядерные углы составляют
60º, как в равностороннем треугольнике, для циклобутана – 90º, как в квадрате,
а в циклопентане – 108º, как в правильном пятиугольнике. Нормальный валентный
угол для атома углерода – 109,5º. Поэтому при расположении в названных
соединениях всех атомов углерода в одной плоскости уменьшение валентных углов
составляет в циклопропане – 49,5º, в циклобутане – 19,5º, в циклопентане –
1,5º.
Чем больше отклонение валентного угла от
нормального, тем более напряжены и, следовательно, непрочны циклы. Однако в
отличие от циклопропана циклобутан и циклопентан имеют неплоские циклы. Один из
атомов углерода непрерывно выходит из плоскости. Циклобутан существует в виде
неплоских «сложенных» конформаций. Циклопентан характеризуется
конформацией «конверт». 

Для циклогексана, как правильного
шестиугольника, межъядерные углы составляют 120º. Если бы молекула циклогексана
имела плоское строение, то отклонение от нормального валентного угла атома
углерода составляло:109,5º–120º = 10,5º.
Однако циклогексан и большие циклы имеют неплоское строение. В рассматриваемой
молекуле циклогексана сохраняются обычные валентные углы при условии его
существования в двух конформациях «кресла» и «ванны».
Конформация «кресла» менее напряжена, поэтому циклогексан существует
преимущественно в виде конформеров I и III,
причем цикл претерпевает непрерывную инверсию 
с промежуточным образованием конформера II:

ось симметрии                         II                                     III      
I                                                                         

Двенадцать связей С-Н,
которые имеются у циклогексана в конформации «кресла», делятся на два
типа. Шесть связей направлены радиально
от кольца к периферии молекулы и называются экваториальными связями (e- связи),
остальные шесть связей направлены параллельно друг другу и оси симметрии и
называются аксиальными (a- связи). Три аксиальные связи направлены в одну
сторону от плоскости цикла, а три – в другую (имеется чередование: вверх-вниз)

Физические свойства:

При обычных условиях первые два члена ряда (С3 — С4) —
газы, (С5 — С16) — жидкости, начиная с С17 —
твёрдые вещества.  Температуры
кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов Циклоалканы в воде практически
не растворяются, зато растворяются в химических растворителях.  При увеличении числа атомов углерода  возрастает молярная
масса, следовательно, увеличивается температура
плавления.

Таблица физических свойств: 

Циклоалкан

Т. пл., °С

Т. кип., °С

циклопропан С3H6

−127,5

−32,7

циклобутан С4H8

−50

12

циклопентан С5H10

−93,9

49,3

циклогексан С6H12

6,5

80

циклогептан С7H14

−12

118,5

циклооктан С8H16

14,3

63 при 45 мм рт.ст.

циклононан С9H18

9,7

69 при 14 мм рт.ст.

циклодекан С10H20

10,8

201

циклоундекан С11H22

−7,2

91 при 12 мм рт.ст.

циклододекан С12H24

61,6

243

циклотридеканС13H26

23,5

128 при 20 мм рт.ст.

циклотетрадекан С14H28

54

131 при 11 мм рт.ст.

циклопентадекан С15H30

62,1

147 при 12 мм рт.ст.

Для циклоалканов характерна пространственная изомерия и изомерия углеродного скелета. Также, поскольку формулы циклоалканов и алкенов совпадают, то изомерами циклоалканов являются и алкены.

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

При наличии двух заместителей в циклических соединениях также возможна цис-транс-изомерия. Метильные группы в приведенных примерах могут располагаться по одну сторону плоскости кольца (такой изомер называется цис-изомером) и по разные стороны (такой изомер называется транс-изомером).

Естественно, что при наложении друг на друга моделей цис- и транс- изомеров они не совмещаются. Взаимные изомеризации требуют разрыва цикла с последующим его замыканием или разрыва связи заместителя с углеродным атомом цикла и образованием новой связи с другой стороны цикла.

Следует отметить, что в циклических соединениях возможно возникновение не только цис-транс-, но и зеркальной изомерии. При наложении модели молекулы цис-изомера с одинаковыми заместителями и ее зеркального отражения они совмещаются, в то время как таковое невозможно для цис-изомера с различными заместителями. Для транс-изомеров совмещение модели молекулы и ее зеркального отражения невозможно как при одинаковых, так и различающихся заместителях.

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Химические свойства:

Химические
свойства циклоалканов сильно зависят от размера цикла, определяющего его
устойчивость. Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными,
тем не менее, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов.
Валентные углы в циклопропане и циклобутане значительно меньше нормального
тетраэдрического угла 109°28’, свойственного sp3-гибридизованному атому углерода.

Это приводит
к большой напряженности таких циклов и их стремлению к раскрытию под действием
реагентов. Поэтому циклопропан, циклобутан и их производные вступают в реакции
присоединения, проявляя характер ненасыщенных соединений. Легкость реакций
присоединения уменьшается с уменьшением напряженности цикла в ряду: циклопропан
> циклобутан >> циклопентан.

Читайте также:  Какие свойства относятся к теплофизическим свойствам

Наиболее
устойчивыми являются 6-членные циклы, в которых отсутствуют угловое и другие
виды напряжения.

Реакции:

Малые циклы (C3, C4, C5) вступают в реакцию гидрирования:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Циклопропан
вступает в реакции галогенирования и гидрогалогенирования:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

В других циклах (начиная с
С5) угловое напряжение снимается благодаря неплоскому строению молекул. Поэтому
для циклоалканов (С5 и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в
которых сохраняется циклическая структура, т.е. реакции замещения:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов          

Галогенирование                                                                                  Нитрование

Им также характерны реакции
дегидрирования, и окисления в присутствии катализатора:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Получение
циклоалканов:

 1)    При переработке нефти:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

2)  Дегалогенирование
дегалогенпроизводных:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

3) Гидрирование бензола
и его гомологов:
    

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

4)Получение пиролизом
солей дикарбоновых кислот. Циклопентан и циклогексан образуются при пиролизе
(нагревании без доступа воздуха) кальциевых солей соответственно
гександикарбоновой и гептандикарбоновой кислот и воставлении образующихся
кетонов:

Какие химические свойства общие у предельных углеводородов и циклопарафинов

Значение для человека.

Циклоалканы находят
применение в разных областях  хозяйства.
Так, циклопентан используется в разных синтезах и как добавка к моторному
топливу для повышения качества. Циклогексан используется для синтеза
полупродуктов при производстве синтетических волокон нейлона и капрона.

Циклопропан используют в
медицине  как наркотический препарат (в соединении с кислородом), он
оказывает сильнейшее обезболивающее действие. Также циклоалканы содержатся в
сильнейших растительных ядах, зафиксировано примерно 100 тыс. смертей после
отравление ими. Циклоалканы присутствуют в незаменимых гормонах, без которых
человеку не выжить, в желчных кислотах, и в половых гормонах — тестостерон, —
основной мужской половой гормон, без которого невозможно размножение.

ЗАДАНИЯ:
Номенклатура
1.1) Выберите из данных названий корректные:
2,3-диметилциклопропан, 1-метил-4-бутилциклопентан, 1,5-диметилциклогексан,
изопропил-циклобутан, 1-метил-3-этилциклобутан, циклоэтан, циклопентан,  1,2-диизобутанциклобутан,
1,2-дибутадиенциклопентан, бутил-циклобутан.
1.2) Из предыдущего пункта выберите вещества, которые
существуют, но имеют другое название. Дайте им правильное название.

Изомерия углеродного скелета
2.1) Напишите всех изомеров циклопентана (и дайте название). К
каким классам веществ они принадлежат?
2.2) Чего больше – изомеров декана или циклодекана? Чего
больше – алканов вида C100H202 или циклоалканов вида C100H200?

Химические свойства:
3.1)Почему в реакции с малым циклом он распадается, в отличие
от большого цикла? Какой цикл является самым устойчивым?
3.2) Получите за несколько реакций из циклогексана фенолят
натрия. Какое наименьшее число реакций вам понадобилось?

Напоминание:  По правилам международной номенклатуры главной считается
цепь углеродных атомов, образующая цикл. Название строится по названию этой
замкнутой цепи с добавление приставки “цикло” (циклобутан, циклопентан). При
наличии заместителей нумерацию углеродных атомов в кольце проводят так, чтобы
номера заместителей были как можно меньше. Если заместитель один, его номер в
цикле не пишется.

ОТВЕТЫ:

1.1) 
  1-метил-3-этилциклобутан, циклопентан,
1,2-диизобутанциклобутан, бутил-циклобутан.
1.2)    2,3-диметилциклопропан –
1,2-диметилциклопропан, 1-метил-4-бутилциклопентан –
1-бутил-3-метилциклопентан.
2.1)    Это
циклоалканы и алкены. Циклоалканы: метил – циклобутан,
1,2-диметилциклопропан,этил-циклопропан. Алкены: пентен-1, пентен-2, 2-метилбутен-1,
3-метилбутен-1, 2-метилбутен-2, 2,2-диметилпропен.
2.2)     Изомеров циклодекана, циклоалканов вида C100H200.
3.1)     В малых циклах большое напряжение, они
стремятся раскрыться под действием реагентов. Самым устойчивым является шестичленный цикл.
3.2)     К примеру: циклогексан –
бензол – хлорбензол — фенол – фенолят натрия. Возможно, можно получить быстрее,
чем за 4 реакции

Источник

Циклоалканы, также полиметиленовые углеводороды[1], нафтены, цикланы, или циклопарафины — циклические насыщенные углеводороды, по химическим свойствам близки к предельным углеводородам. Входят в состав нефти. Открыты В. В. Марковниковым в 1883 году из Бакинской нефти[2]

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.

К циклоалканам относят предельные углеводороды с общей формулой CnH2n, имеющие циклическое строение. Названия циклоалканов строятся из названий соответствующих алканов с добавлением приставки цикло- (циклопропан, 1,3-диметилциклогексан).

Для циклоалканов характерны следующие виды изомерии:

  • Изомерия углеродного скелета;
  • Пространственная;
  • Межклассовая изомерия с алкенами.

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.
Циклопропан применяют для наркоза, но его применение ограничено из-за взрывоопасности.

Читайте также:  Области применения кислорода на каких свойствах кислорода они основаны

Физические свойства[править | править код]

При обычных условиях первые два члена ряда (C3 — C4) — газы, (C5 — C11) — жидкости, начиная с C12 — твёрдые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов. Циклоалканы в воде практически не растворяются. При увеличении числа атомов углерода возрастает молярная масса, следовательно, увеличивается температура плавления.

Температуры плавления и кипения некоторых циклоалканов:

ЦиклоалканТ. пл., °CТ. кип., °C
циклопропан C3H6−126,9−32,7
циклобутан C4H8−5012
циклопентан C5H10−93,949,3
циклогексан C6H126,580
циклогептан C7H14−12118,5
циклооктан C8H1614,363 при 45 мм рт. ст.
циклононан C9H189,769 при 14 мм рт. ст.
циклодекан C10H2010,8201
циклоундекан C11H22−7,291 при 12 мм рт. ст.
циклододекан C12H2461,6243
циклотридекан C13H2623,5128 при 20 мм рт. ст.
циклотетрадекан C14H2854131 при 11 мм рт. ст.
циклопентадекан C15H3062,1147 при 12 мм рт. ст.

Получение циклоалканов[править | править код]

  • Дегалогенирование дигалогенпроизводных:

Br-CH2-CH2-CH2-Br + Mg или Zn = циклопропан + MgBr2 или ZnBr2

  • Гидрирование бензола и его гомологов (образуются циклогексан или его производные):

C6H6 +3H2 = C6H12

Химические свойства[править | править код]

По химическим свойствам малые и обычные циклы существенно различаются между собой. Циклопропан и циклобутан склонны к реакциям присоединения, то есть сходны в этом отношении с алкенами. Циклопентан и циклогексан по своему химическому поведению близки к алканам, так как вступают в реакции замещения.

  • Циклопропан и циклобутан способны присоединять бром:

C3H6 + Br2 → BrCH2—CH2—CH2Br

  • Также циклопропан и циклобутан могут присоединять галогеноводороды, присоединение происходит с раскрытием цикла, по правилу Марковникова[источник не указан 521 день].
  • Циклопропан, циклобутан и циклопентан могут присоединять водород, давая соответствующие нормальные алканы. Присоединение происходит при нагревании в присутствии никелевого катализатора:

C4H8 + H2 → CH3—CH2—CH2—CH3

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

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

Источник

Реферат

«Циклопарафины. Состав, строение, изомерия»

Циклоалканы – это ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется замкнутое кольцо из углеродных атомов.

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).

Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n, то есть циклоалканы изомерны этиленовым углеводородам. Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

По своему строению молекулы органическогих соединений различают на соединения с открытой цепью и циклические. Циклы могут быть построены либо только из атомов углерода (карбоциклы), либо могут включать в себя атомы других элементов (гетероциклы). В свою очередь, циклические соединения бывают предельными, непредельными и ароматическими.

Молекулы циклоалканов имеют скелет, построенный в виде цикла из только sp3-гибридных атомов углерода. Для образования названия циклоалканов необходимо к названию соответствующего предельного углеводорода добавить приставку «цикло». Так, наименьший из возможных циклоалканов – циклопропан, за ним следует циклобутан, затем циклопентан и т.д.

Положения заместителей указывают, нумеруя атомы цикла, причем атому с наиболее старшим заместителем присваивается номер 1. В дизамещенных циклоалканах заместители могут располагаться по одну (цис-) или по разные стороны плоскости кольца (транс-).

Молекулы циклоалканов могут состоять из двух и более циклов. Бициклические углеводороды следует различать по способу соединения (аннелирования) циклов. Если два цикла имеют лишь один общий атом углерода, соединения называют спироциклическими. Названия таких бициклов образуют, добавляя приставку «спиро» к названию соответствующему гомолога алкана. После приставки в квадратных скобках указывают две цифры, обозначающие число атомов углерода, расположенных по каждую сторону от узлового С-атома. Нумерацию атомов начинают с меньшего цикла, последним номером обозначают узловой атом.

В другом способе аннелирования циклы имеют два общих атома углерода. Это – так называемые мостиковые циклоалканы. Названия таких соединений начинается с указания количества циклов приставками бицикло-, трицикло-, затем указываются три цифры, обозначающие число углеродных атомов каждого мостика, связанного с узловыми атомами. В конце пишется название соответствующего алкана. Нумеруют атомы, начиная с одного узлового и передвигаясь по большему (главному) циклу к другому узловому С-атому. Иногда указывают дополнительные координаты мостика.

Получение

1. Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторых месторождений (отсюда произошло одно из их названий – нафтены). При переработке нефти выделяют главным образом циклоалканы С5 Н10 – С7 Н14

2. Действие активных металлов на дигалогензамещенные алканы (реакция Вюрца) приводит к образованию различных циклоалканов:

Читайте также:  Какие свойства проявляет аммиак

(вместо металлического натрия используется также порошкообразный цинк).

Строение образующегося циклоалкана определяется структурой исходного дигалогеналкана. Этим путем можно получать циклоалканы заданного строения. Например, для синтеза 1,3-диметилциклопентана следует использовать 1,5-дигалоген – 2,4-диметилпентан:

Существуют и другие методы получения циклоалканов. Так, например, циклогексан и его алкильные производные получают гидрированием бензола и его гомологов, являющихся продуктами нефтепереработки.

Изомерия

Для циклопарафинов, начиная с C4H8, характерны некоторые виды структурной изомерии, связанные:

a) с числом углеродных атомов в кольце – например,

(этилциклопропан),

(метилциклобутан);

b) с числом углеродных атомов в заместителях –

(1-метил-2-пропилциклопентан),

(1,2-диэтилциклопентан)

c) с положением заместителя в кольце –

(1,1-диметилциклогексан),

(1,2-диметилциклогексан)

Для циклоалканов характерна также межклассовая изомерия с алкенами.

При наличии двух заместителей в кольце у разных углеродных атомов возможна геометрическая цис-транс-изомерия, начиная с C5H10, и оптическая изомерия. Оптическая изомерия проявляется в том случае, если молекула не имеет плоскости симметрии.

Цис-транс-изомерия в циклических соединениях

При наличии двух заместителей в циклических соединениях также возможна цис-транс-изомерия. Метильные группы в приведенных примерах могут располагаться по одну сторону плоскости кольца (такой изомер называется цис-изомером) и по разные стороны (такой изомер называется транс-изомером).

Естественно, что при наложении друг на друга моделей цис- и транс- изомеров они не совмещаются. Взаимные изомеризации требуют разрыва цикла с последующим его замыканием или разрыва связи заместителя с углеродным атомом цикла и образованием новой связи с другой стороны цикла.

Следует отметить, что в циклических соединениях возможно возникновение не только цис-транс-, но и зеркальной изомерии. При наложении модели молекулы цис-изомера с одинаковыми заместителями и ее зеркального отражения они совмещаются, в то время как таковое невозможно для цис-изомера с различными заместителями. Для транс-изомеров совмещение модели молекулы и ее зеркального отражения невозможно как при одинаковых, так и различающихся заместителях.

Циклобутан, циклопентан и их конформации

Циклические соединения – это такие органические соединения, в которых углеродные атомы составляют замкнутые цепи, т.е. циклы. Простейшими представителями таких соединений являются циклопарафины или циклоалканы.

Прочность связей в циклических соединениях зависит от числа атомов, участвующих в образовании цикла. Она определяется степенью его напряженности, обусловленной изменением валентных углов атомов цикла и отклонением этих атомов от нормального направления.

Для циклопропана межъядерные углы составляют 60º, как в равностороннем треугольнике, для циклобутана – 90º, как в квадрате, а в циклопентане – 108º, как в правильном пятиугольнике. Нормальный валентный угол для атома углерода – 109,5º. Поэтому при расположении в названных соединениях всех атомов углерода в одной плоскости уменьшение валентных углов составляет в циклопропане – 49,5º, в циклобутане – 19,5º, в циклопентане – 1,5º.

Чем больше отклонение валентного угла от нормального, тем более напряжены и, следовательно, непрочны циклы. Однако в отличие от циклопропана циклобутан и циклопентан имеют неплоские циклы. Один из атомов углерода непрерывно выходит из плоскости. Циклобутан существует в виде неплоских «сложенных» конформаций. Циклопентан характеризуется конформацией «конверт». Таким образом, обсуждаемые циклы находятся в колебательном движении, приводящем к уменьшению «заслоненности» атомов водорода у соседних углеродных атомов и снижению напряжения.

Циклогексан и его конформации

Для циклогексана, как правильного шестиугольника, межъядерные углы составляют 120º. Если бы молекула циклогексана имела плоское строение, то отклонение от нормального валентного угла атома углерода составляло: 109,5º-120º = 10,5º.

Однако циклогексан и большие циклы имеют неплоское строение. В рассматриваемой молекуле циклогексана сохраняются обычные валентные углы при условии его существования в двух конформациях «кресла» и «ванны». Конформация «кресла» менее напряжена, поэтому циклогексан существует преимущественно в виде конформеров I и III, причем цикл претерпевает непрерывную инверсию (inversio – с латинского переворачивание, перестановка) с промежуточным образованием конформера II:

ось симметрии II III I

Двенадцать связей C–H, которые имеются у циклогексана в конформации «кресла», делятся на два типа. Шесть связей направлены радиально от кольца к периферии молекулы и называются экваториальными связями (e – связи), остальные шесть связей направлены параллельно друг другу и оси симметрии и называются аксиальными (a – связи). Три аксиальные связи направлены в одну сторону от плоскости цикла, а три – в другую (имеется чередование: вверх-вниз).

Свойства циклоалканов

Физические свойства циклоалканов закономерно изменяются с ростом их молекулярной массы. Пpи ноpмальных условиях циклопpопан и циклобутан – газы, циклоалканы С5Н10 – С16Н32 – жидкости, начиная с С17Н34, – твердые вещества. Температуры кипения циклоалканов выше, чем у соответвующих алканов. Это связано с более плотной упаковкой и более сильными межмолекулярными взаимодействиями циклических структур.

Источник