Подготовка к ЕГЭ по химии. Циклоалканы.
материал для подготовки к егэ (гиа) по химии

Циклоалканы - предельные циклические углеводороды.

Общая формула гомологического ряда CnH2n.

Строение циклоалканов. 

Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp3-гибридизации и образует четыре σ-связи С-С и С-Н.

    Углы между связями зависят от размера цикла. В малых циклах  С3 и С4 углы между связями С-С сильно отличаются от тетраэдрического угла 109,5°, что создает в молекулах напряжение и обеспечивает их высокую реакционную способность.

         σ-связи в циклопропане называют "банановыми". По свойствам они напоминают ПИ-связи. Поэтому молекулу циклопропана очень легко разорвать и поэтому он способен вступать в реакции присоединения (с разрывом цикла).

Циклобутан в пространстве имеет перегиб по линии, соединяющей 1 и 3 атом С в кольце:

Циклопентан имеет форму, которую называют «конверт»:

Большие циклы  очень устойчивы и не склонны к разрыву. Так, молекула циклогексана не является плоским многоугольником и принимает различные конформации, имеющие названия «кресло» и «ванна»:

      а — кресло                             б — ванна.

      И в конформации кресла, и в конформации ванны связи вокруг каждого атома углерода имеют тетраэдрическое расположение. Отсюда — несравнимо большая устойчивость обычных циклов по сравнению с малыми циклами, отсюда — их возможность вступать в реакции замещения, но не присоединения.

  Изомерия:

1. Структурная изомерия, связанная:
a) с числом углеродных атомов в кольце:

 (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)

2. Межклассовая изомерия: циклоалканы изомерны алкенам.

3. Геометрическая цис-транс-изомерия:

     Например, в молекуле 1,2-диметилциклопропана две группы СН3 могут находиться по одну сторону от плоскости цикла (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер):

  цис-изомер              транс-изомер

Получение. 

1. Отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:

2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные:            C6H6 + 3H2  -t°,р,Ni→  C6H12.

Химические свойства. 

1. Малые циклы (циклопропан и циклобутан) из-за большой напряженности кольца (малые углы) легко разрываются, вступая в реакции присоединения.

1)  Гидрирование. При каталитическом гидрировании трех-, четырех- и даже пятичленные циклы разрываются с образованием алканов.

(циклопропан) + H2 -120ºC,Ni🡪 CH3–CH2–CH3

(циклопентан)+ H2-300ºC,Pd🡪CH3–CH2–CH2–CH2–CH3

Пятичленный цикл разрывается только при высоких температурах.

2) Галогенирование. Циклопропан и циклобутан  разрываются, присоединяя атомы галогена.

+  Br2 🡪  BrCH2–CH2–CH2Br (1,3- дибромпропан)

3)Гидрогалогенирование. Циклопропан и замещенные циклопропаны взаимодействуют с галогеноводородами с разрывом цикла.

В случае замещенных циклопропанов реакция идёт в соответствии с правилом Марковникова.

   Другие циклоалканы с галогеноводородами не реагируют.

2. Большие циклы – циклопентан и циклогексан – гораздо более устойчивы, цикл в них не разрывается. Они ведут себя подобно алканам, вступая в реакции замещения: галогенирование на свету, нитрование.

1) Галогенирование: циклопентан и циклопентан реагируют с галогенами на свету, вступая в реакцию замещения.

 + Cl2-(свет)🡪   (хлорциклопентан) + HCl

2) Нитрование. 

Циклопентан + HNO3 –(t,p)🡪 нитроциклопентан + вода.

3.  Дегидрирование. Производные циклогексана дегидрируются в производные бензола:

4. Горение. Как и любые органические вещества, циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды.