Циклоалканы: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 5: Циклоалканы.

Циклоалканы – класс углеводородов, содержащих в своей структуре циклический фрагмент. Алициклические углеводороды (алифатические циклические). Общая формула циклоалканов {C}_{{n}}{H}_{2 {n}} .

Номенклатура.

В названии циклоалканов добавляют приставку -цикло, далее называют соответствующий алкан, т.е. содержащий то же количество атомов углерода. Нетрудно заметить, что наименьшее число атомов углерода в замкнутом цикле равно трём, поэтому в общей формуле алканов {n} \geq 3 . Для упрощения зарисовок циклических фрагментов используют геометрические фигуры, в которых каждая вершина соответствует атому углерода (рис. 1). Водород в такой форме записи не участвует (тем не менее правило четырехвалентного углерода соблюдается, необходимо внимательно следить за числом исходящих химических связей!).

1.jpeg При наличии заместителей в циклоалканах (ответвлений углеродного скелета) используются аналогичные алканам правила нумерации. Каждому атому углерода присваивается номер, причем нумерация идёт от по или против часовой стрелки в сторону ближайшего заместителя. В названии вещества заместители указываются по алфавиту(Примечательно, что в английском языке также используется номенклатура по алфавиту. Поэтому названия органических веществ могут иметь несколько различные названия (см. рис. 2). Тем не менее, они удовлетворяют основному правилу - однозначное соответствие структурной формуле).

2.jpeg Изомерия.

Для циклоалканов характерны все виды структурной изомерии, но, чтобы избежать ошибок, необходимо рассматривать каждого представителя данного класса отдельно. Ввиду наличия циклического фрагмента в структуре для циклоалканов выделяют изомерию количества атомов углерода в цикле:

3.jpeg Также циклоалканам характерна изомерия взаимного расположения ациклических заместителей (частный случай изомерии углеродного скелета):

4.jpeg Общая формула циклоалканов {C}_{n} {H}_{2{n}} , такая же общая формула у алкенов, что говорит о наличии межклассовой изомерии. Впоследствии мы увидим, что одна кратная связь или один циклический фрагмент «забирают» по два водорода из формулы предельно насыщенных углеводородов {C}_{n}{H}_{2{n}+2.}

5.jpeg Как видите, для органического вещества с формулой {C}_{5} {H}_{10} можно привести множество структурных формул, и все они между собой будут являться структурными изомерами.

Для некоторых циклоалканов характерна пространственная геометрическая изомерия (цис-, транс-изомерия). Для существования соединения в виде геометрических изомеров необходимо наличие заместителей у двух соседних атомов углерода в цикле. Так у 1,2-диметилциклопропана могут быть цис- и транс-изомеры, а у 1,1 -диметилциклопропана нет. Поясним данное понятие на примере пространственного строения 1,2 -диметилциклопропана. «Потянем» фигуру за переднее ребро из плоскости рисунка на себя. Относительно вытянутого ребра возможно разное расположение метильных групп: по одну сторону от плоскости фигуры (цис-изомер), либо по разные стороны (транс-изомер). Существование геометрических изомеров обусловлено невозможностью свободного вращения заместителей вокруг {sp}^{3} гибридизованных атомов углерода из-за замкнутости углеродного скелета.

6.jpeg Особенности строения.

Все атомы углерода в циклоалканах находятся в состоянии {sp}^{3} -гибридизации, все химические связи C-C и C-H одинарные ( \sigma -связи). При этом чем меньше циклический фрагмент, тем более напряжена молекула и тем менее она устойчива, такой цикл достаточно легко разорвать в ходе химической реакции. Например, в циклопропане из-за большого напряжения угол между гибридными орбиталями не равен 60^{\circ} , как в равностороннем треугольнике, а искажённые связи C-C получили название «банановых связей» из-за своей формы. Молекула циклобутана также является неустойчивой.

7.jpeg С увеличением числа углеродов у молекулы появляется возможность изогнуться в пространстве и уменьшить угловое напряжение, в результате молекула становится более устойчивой. Так известно существование двух конформаций циклогексана: «кресло» и «ванна» (рис. 2). Чем меньше в молекуле пространственных препятствий (мешающих друг другу заместителей), тем более она устойчива. Нетрудно догадаться, что «ванна» более устойчива в сравнении с «креслом». В высших циклоалканах угловое напряжение минимальное. Данные закономерности лежат в основе химических свойств циклоалканов.

8.jpeg