Строение циклоалканов (cnh2n), схема и примеры

Циклоалканы (циклопарафины) – органические насыщенные соединения, атомы углерода в молекулах которых, соединяясь  образуют циклы. Общая формула – CnH2n . Строение, получение и свойства циклоалканов отличаются от свойств нормальных алканов с тем же числом углеродных атомов.

В молекулах циклоалканов углеродные атомы связаны между собой σ – связями. Устойчивость циклопарафинов, т.е. прочность С-С связей возрастает с увеличением количества атомов углерода, образующих цикл. Циклы делят на малые (С3, С4) и обычные (C5 – С7).

В качестве представителя малого цикла рассмотрим циклопропан:

• Молекула циклопропана представляет собой плоский цикл, образованный тремя атомами углерода; атомы водорода при этом расположены вне его плоскости и занимают энергетически невыгодное («заслоненное») положение, что способствует  увеличению «напряженности» цикла и его неустойчивости.
• Валентные углы в плоском равностороннем треугольнике принимают значение равное 60°. А для sp3-гибридизованного атома углерода это значение соответствует 109,5°. В случае  молекулы циклопропана, sp3-гибридизованные орбитали атомов угле­рода перекрываются между собой вне прямой, соединяющей ядра атомов. Образующиеся σ-связи с подобным способом перекрывания называют «банановыми».  Их свойства обладают сходными чертами с π-связями, например, вступают в реакции при­соединения.

• 
• В отличие от трехчленных циклов, устойчивость пяти- и шестичленных циклических алканов на столько высока, что они не способны к разрыву.
• В качестве представителя обычного цикла рассмотрим циклогексан.

Для молекулы циклогексана не характерно плоское строение, напротив —  ей присуще несколько форм — конформаций.

Наиболее выгодной с энергетической точки зрения являются конформации кресла (более устойчива) и ванны.

Валентные углы образованные гибридными орбиталями атомов углерода в цикле равны 109,5°, ато­мы водорода у соседних атомов углерода расположены относительно друг друга в положении энергетически выгодном.

Тетраэдрическое расположение связей вокруг каж­дого атома углерода способствует большей устойчивости обычных циклов по сравнению с малыми. Для них возможны реакции замещения и невозможны реакции присоединения.

Физические свойства циклоалканов

При обычных условиях цик­лоалканы закипают и плавятся при более высоких температурах, по сравнению с соответствующими алканами. С увеличением размера цикла, температуры кипения и плавления растут. Циклоалканы С3 — С4 представляют собой газы, С5 — С16 — жидкости, C17 и более — твердые вещества. Растворимость циклических алканов в воде очень низка.

Получение циклоалканов

• Переработка нефти (получают циклогексан и его производные)
• Реакция отщепления.

При отщеплении от дигалогенпроизводных алканов двух атомов галогена получают трех- и четырехчленные циклоалканы:

• Реакция пиролиза солей дикарбоновых кислот.

Методом Ружичка получают циклогексан и циклопентан. Метод основан на воздействии высоких температур без доступа воздуха на соли дикарбоновых кислот.

• Реакция гидрирования ароматических углеводородов в присутствии катализатора каталитического.

При нагревании бензола или его гомологов и водорода в присутствии никелиевого катализатора получают циклогексан или его производные:

Химические свойства циклоалканов

Устойчивость, а, следовательно, и реакционная активность малых и обычных циклов сильно различаются.

Малые циклы, такие как циклопропан и циклобутан проявляют склонность к реакциям присоединения, тогда как для обычных циклов (циклопентан и циклогексан) более характерны реакции замещения.

1. Реакции присоединения

1. 
2. 
3. 

• Расщепление серной кислотой:

• Взаимодействие с сильными карбоновыми кислотами:

2. Реакции замещения (радикальный механизм)

• Галогенирование при действии ультрафиолета:

3. Реакция дегидрирования

В присутствии катализатора ведет к образованию бензола:

4. Реакция окисления

Как малые, так и обычные циклы при окислении сильными окислителями (например, 50%-ной азотной кислоты, перманганат натрия, бихромат калия) раскрываются с образованием двухосновных карбоновых кислот:

5. Перегруппировка (сужение или расширение цикла)

Применение циклоалканов

Источник: http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/stroenie-i-svojstva-cikloalkanov.html

Циклоалканы

Циклоалканы (циклопарафины, нафтены) — циклические насыщенные углеводороды, по химическому строению близкие к алканам. Содержат только простые одинарные сигма связи (σ-связи), не содержат ароматических связей.

Циклоалканы имеют большую плотность и более высокие температуры плавления, кипения, чем соответствующие алканы. Общая формула их гомологического ряда — CnH2n.

Номенклатура и изомерия циклоалканов

Названия циклоалканов формируются путем добавления приставки «цикло-» к названию алкана с соответствующим числом: циклопропан, циклобутан и т.д.

Как и у алканов, атомы углерода циклоалканов находятся в sp3 гибридизации.

Помимо изомерии углеродного скелета, для циклоалканов характерна межклассовая изомерия с алкенами и пространственная геометрическая изомерия в виде существования цис- и транс-изомеров.

Получение циклоалканов

В промышленности циклоалканы получают несколькими способами:

• Из ароматических углеводородов

Циклоалканы можно получить гидрированием (присоединением водорода) бензола и его гомологов.

• Циклизация алканов

При наличии катализатора и повышенной температуры алканы способны образовывать цикл, отщепляя при этом водород.

В лабораторных условиях циклоалканы можно получить реакцией дегалогенирования дигалогеналканов.

• Дегалогенирование дигалогеналканов (внутримолекулярная реакция Вюрца)

Химические свойства циклоалканов

Важно заметить, что циклопропан и циклобутан вступают в реакции присоединения, проявляя свойства ненасыщенных соединений. Для циклопентана и циклогексана реакции присоединения не характерны, они преимущественно вступают в реакции замещения.

• Гидрирование

Наиболее легко в реакции гидрирования вступают циклопропан и циклобутан. Циклопентан и циклогексан не вступают в реакции гидрирования.

• Галогенирование

Без освещения реакция циклопропана и циклобутана с хлором идет по типу присоединения. При освещении хлор образует свободные радикалы, реакция идет, как и у алканов, по механизму замещения. У циклопентана и циклогексана реакция идет только путем замещения.

• Гидрогалогенирование

В реакции гидрогалогенирования, протекающие по типу присоединения, вступают циклопропан и циклобутан.

• Дегидрирование

При отщеплении водорода от циклогексана образуется бензол, при наличии радикалов — гомологи бензола.

• Изомеризация

В ходе нагревания с катализатором — AlCl3 циклоалканы образуют изомеры.

Источник: https://studarium.ru/article/182

Циклоалканы

Как известно, атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей и циклов.

Первым, кто выдвинул идею о том, что атомы углерод образуют циклы, был А. Кекуле. Считают, что такая идея возникла у него после того, как он увидел в зоопарке обезьян, которые схватили друг друга за лапы и хвост. Некоторые считают, что во сне ему приснилась извивающаяся змея, которая ухватила себя за хвост и замерла.

В молекулах циклоалканов атомы углерода связаны между собой одинарными ковалентными связями. Для циклоалканов характерна sp3-гибридизация атомных орбиталей.

Поэтому трёх-и четырёхчленные циклы менее устойчивы, чем пяти-и шестичленные.

Общая формула циклоалканов отличается от общей формулы алканов, так как для того, чтобы образовался цикл нужно отщепить у алкана 2 атома водорода. И общая формула циклоалканов будет CnH2n. Например, у гексана формула С6Н14, а у циклогексана С6Н12.

• Циклоалканы относятся к карбоциклическим соединениям, то есть соединениям, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.
• Таким образом, циклоалканы – органические соединения, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.
• Молекулы циклоалканов могут содержать заместители, связанные с циклом: метилциклопропан, 1,3-диметилциклопентан, метилциклогексан.

Рассмотрим изомерию циклоалканов: например, циклоалканы могут различаться числом атомов углерода в цикле. Как, например, метилциклопетан и циклогексан.

Изомерные циклоалканы различаются и строением заместителей. Например, этилциклобутан и 1,2-диметилбутан. Циклоалканы различаются также положением заместителей в цикле. Например, 1,1-диметилциклобутан и 1,3-диметилциклобутан.

Составим всевозможные изомеры к циклоалкану состава С5Н10. Это цикл, который состоит из пяти томов углерода – циклопентан, затем четыре атома углерода могут образовывать цикл, а один атом углерода входить в состав заместителя. Это метилциклобутан.

Существуют также изомерные циклоалканы состава С5Н10, молекулы которых включают цикл из трех атомов углерода.

В этом случае с циклом связаны либо две метильные группы, причем метильные группы могут находиться как у одного атома углерода, так и у соседних, либо одна этильная группа: 1,1-диметилциклопропан, 1,2-диметилциклопропан, этилциклопропан.

Кроме того, для циклоалканов характерна межклассовая изомерия с алкенами. Так, между собой будут изомерны циклобутан и бутен-1.

Для циклоалканов, содержащих два и более заместителя, возможна пространственная изомерия – конформационная изомерия.

При этом происходит превращение одной формы в другую без разрыва связей, то есть идёт лишь разворот атомов относительно друг друга. Молекула как бы выворачивается.

Эти структуры между собой являются конформерами. Конформерами циклогексана будут «кресло», «ванна» или «лодка», также «твист».

Рассмотрим номенклатуру циклоаканов. Основные принципы построения названий такие же, как и в случае алканов, только вместо наиболее длинной углеродной цепи (главной цепи) в качестве основы выбирают цикл. Атомы углерода в цикле нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Принадлежность соединения к классу циклоалканов указывает приставка цикло- и суффикс -ан.

Используя эти правила, назовём некоторые изомерные циклоалканы состава С8Н16.

По своим физическим свойствам циклоалканы похожи на алканы. При комнатной температуре циклопропан и циклобутан – газы, С5 – С10 – бесцветные жидкости со специфическим запахом, высшие циклоалканы являются твёрдыми веществами. Циклоалканы практически нерастворимы в воде.

Химические свойства циклоалканов с различным числом атомов углерода в цикле существенно различаются. Например, для циклопропана и циклобутана характерны реакции присоединения. Циклопентан и циклогексан, наоборот, по химическим свойствам близки к алканам: так же, как и алканы, они не реагируют с кислотами и щелочами, но для них характерны реакции замещения с галогенами.

Циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды. Так, при горении циклогексана образуется углекислый газ и вода.

С6Н12 + 9О2 → 6СО2↑ + 6Н2О

Трёх и четырёхчленные циклы менее устойчивы, поэтому для них характерны реакции присоединения.

Реакции галогенирования. В реакции циклобутана с хлором идёт реакция присоединения и образуется 1,4-дихлобутан, а в реакции циклогексана с хлором идёт реакция замещения, в результате реакции образуется хлорциклогексан. Последняя реакция идёт по свободнорадикальному механизму, как и для алканов.

Пяти-и шестичленные циклы вступают и в реакцию нитрирования. Так, в реакции циклогексана с азотной кислотой образуется нитроциклогексан.

При повышенной температуре циклоалканы вступают в реакции присоединения. Так, при гидрировании циклпропана образуется пропан.

Циклоалканы вступают в реакции дегидрирования. При пропускании паров циклогексана над нагретым никелевым, платиновым или палладиевым катализатором образуется бензол.

В конце 19 века химики установили, что в состав нефти входят циклоалканы. Изучением их строения и свойств занимался русский химик В. В. Марковников. Именно он назвал эти соединения нафтенами (от греч. naphtha – «нефть»). Особенно велико содержание нефтенов в бакинской нефти, откуда их можно выделить фракционной перегонкой.

Циклоалканы можно получить при гидрировании бензола и его гомологов. Так, при гидрировании метилбензола образуется метилциклогексан.

Циклоалканы можно получить и при дегалогенировании дигалогенпроизводных. Так, при действии цинка или магния на 1,3-дибромпропан образуется циклопропан.

Алканы, содержащие пять и более атомов углерода в цепи, при нагревании в присутствии катализатора (платина, оксид хрома (III)) отщепляются два атома водорода с замыканием цикла. Например, при дегидрировании 2,4-диметилпентана образуется 1,3-диметилциклопентан.

Циклоалканы встречаются в природе. Они входят в состав нефти. Циклоалканы являются компонентами бензина. Из циклогексана получают капролактам – исходное вещество для синтеза капрона. Циклопропан применяется в медицине как обезболивающее средство.

Таким образом, циклоалканы являются карбоциклическими соединениями. Общая формула CnH2n. Для циклоалканов характерна изомерия по величине цикла, по строению заместителей, по расположению заместителей.

Для них характерна межклассовая изомерия с алкенами, а также конформационная изомерия. Названия циклоалканов образуются приставкой цикло- и суффиксом -ан.

Для трёх-и четырёхчленных алканов характерны реакции присоединения, для пяти-и шестичленных циклов – реакции замещения. Циклоалканы в промышленности получают из нефти.

Источник: https://videouroki.net/video/17-cikloalkany.html

Циклоалканы

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, нафтены). Общая формула гомологического ряда циклоалканов CnH2n.

Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Циклопропан	Циклобутан	Циклопентан	Циклогексан

Очень часто в органической химии структурные формулы перечисленных  циклоалканов изображают без символов C и H простыми геометрическими фигурами

Физические свойства

Циклоалканы имеют более высокие температуры плавления, кипения и большую плотность, чем соответствующие алканы. При одинаковом составе температура кипения циклопарафина тем выше, чем больше размер цикла. Циклоалканы в воде практически не растворимы, однако растворимы в органических растворителях. Физические свойства некоторых циклоалканов представлены в таблице.

Таблица. Физические свойства некоторых циклоалканов

Соединение	t°пл., °С	t°кип., °С
Циклопропан	-126,9	-33
Метилциклопропан	-177,2	0,7
Циклобутан	— 80	13
Метилциклобутан	-149,3	36,8
Циклопентан	— 94,4	49,3
Метилциклопентан	-142,2	71,9
Циклогексан	6,5	80,7

• Изомерия циклоалканов
• Для циклоалканов характерны как структурная, так и пространственная изомерия.
• Структурная изомеpия
• 1. Изомерия углеродного скелета:
• а) кольца

б) боковых цепей

2. Изомерия положения заместителей в кольце:

3. Межклассовая изомерия с алкенами:

Пространственная изомерия

1. Цис-транс-изомерия, обусловленная различным взаимным расположением в пространстве заместителей относительно плоскости цикла. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости кольца, в транс-изомерах – по разные:

2. Оптическая изомерия некоторых ди- (и более) замещенных циклов. Например, транс-1,2-диметилциклопропан может существовать в виде двух оптических изомеров, относящихся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение:

3. Конформационная изомерия циклоалканов. Все циклы, кроме циклопропана, имеют неплоское строение, что обусловлено стремлением атомов углерода к образованию нормальных (тетраэдрических) углов между связями.

Это достигается поворотами по σ-связям С–С, входящим в цикл. При этом возникают различные конформации (поворотные изомеры) с разной энергией и чаще реализуются те из них, которые обладают наименьшей энергией, т.е. более устойчивые.

Например, в циклогексане наиболее устойчивой является конформация «кресла».

Химические свойства

Химические свойства циклопарафинов зависят от числа атомов углерода, составляющих цикл. Низшие циклоалканы (циклопропан и циклобутан) ведут себя как ненасыщенные углеводороды, они способны вступать в реакции присоединения. Циклоалканы с большим количеством углеродных атомов в цикле ведут себя как алканы, для них характерны реакции замещения.

Реакции горения:

CnH2n + 3n/2O2 — t→ nCO2 + nH2O +Q

Малые циклы (n=3,4)

Реакции присоединения – сходство с алкенами. 1) Галогенирование: C3H6 + Br2 → C3H6Br2      (1,3-дибромпропан ) циклопропан      2) Гидрирование: C4H8 + H2    — t,Ni или Pt→    C4H10     (бутан ) циклобутан                          3) Гидрогалогенирование (по правилу Марковникова): C3H6 + HI → CH3-CH2-CH2I     (  1- йодпропан )

Обычные циклы (n=5-7)

Реакции замещения – сходство с алканами. 1) Галогенирование: C6H12   +   Br2   — t→    C6H11Br   +   HBr                                      бромциклогексан Реакции отщепления – дегидрирования циклогексана (р. Зелинского-Казанского):          C6H12    — t=300˚С ,Pt,Pd→   C6H6 + 3H2                                                       бензол

Получение циклоалканов

В промышленности

1) Из нефти (пяти- и шестичленных) Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторых месторождений (отсюда произошло одно из их названий — нафтены). При переработке нефти выделяют главным образом циклоалканы С5 — С7. 2) Из ароматических углеводородов – каталитическое гидрирование: C6H6 + H2 —t,p,Ni→ C6H12

В лаборатории

Из дигалогенпроизводных алканов (внутримолекулярная реакция Вюрца): Br-CH2-CH2-CH2-Br + Mg    — t →     MgBr2 + C3H6 или Cl-CH2-CH2-CH2-CH2-Cl + 2Na → 2NaCl + C4H8

Применение

Наибольшее практическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан. Циклогексан используется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, капролактама, а также в качестве растворителя. Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства.

Источник: http://www.yoursystemeducation.com/cikloalkany/

Строение циклоалканов | Химия онлайн

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

Углы между циклами зависят от размера цикла. В простейших циклах С3 и С4 углы между связями С─С сильно отличаются от тетраэдрического угла 109,280,
что создает в молекулах напряжение и обеспечивает их высокую реакционную способность. Свободное вращение вокруг связей С─С, образующих цикл, невозможно.

Строение малых циклов

Минимальный цикл циклопропанов – это три атома. При образовании молекулы атомы углерода образуют друг с другом σ-связи.

• 
• σ-Связи по определению образуются по линии, соединяющей центры атомов, в таком случае цикл должен представлять собой равносторонний треугольник с углом между связями 600С.
• 

Это существенное отличие от тетраэдрического угла 109°28'. Поэтому связь становится изогнутой, она уже не лежит на линии, соединяющей центры атомов.

1. 
2. Такие изогнутые связи из-за их характерной формы называют «банановыми».
3. Эти связи напряженные и легко разрываются, поэтому молекулы малых циклов (циклопропан и циклобутан) являются химически очень активными.
4. Строение обычных циклов
5. Для обычных циклов, например для циклогексана, характер связей будет другим.
6. 

В его молекуле углы между орбиталями близки к тетраэдрическим, т.к шестичленный цикл в отличие от трехчленного может изогнуться нужным образом в пространстве. Из-за этого связи в больших циклах такие же прочные как в алканах. Поэтому циклопентан и циклогексан – малоактивные вещества.

Циклоалканы

Источник: https://himija-online.ru/organicheskaya-ximiya/cikloalkany/stroenie-cikloalkanov.html

Циклоалканы

В отличии от остальных предельных углеводородов, в молекулах которых все углеродные атомы образуют открытые цепи, имеются углеводороды с замкнутыми цепями (циклами). Так, например, при действии на 1,5-дихлорпентан активным металлом цепь углеродных атомов замыкается и образуется циклический углеводород циклопентан:

Известны циклопарафины, молекулы которых состоят из трех, четырех и шести атомов углерода:

У циклопарафинов возможна изомерия. Например, молекулярной формуле C6H12 соответствует насколько веществ-изомеров; изомерия этих соединений связана с наличием боковых углеводородных цепей.

Общая формула циклопарафинов CnH2n.

Нахождение в природе

Циклопарафины главным образом находятся в составе некоторых нефтей. Отсюда и другое название циклопарафинов — нафтены. Пяти- и шестичленные циклопарафины были впервые выделены из нефти и изучены профессором Московского университета В. В. Морковниковым.

Получение

Как уже было сказано, в лаборатории циклопарафины получают из дигалогенопроизводных предельных углеводородов, действуя на них активными металлами. Циклопарафины можно выделить из нефти.

Физические свойства

Циклопропан и циклобутан при нормальных условиях — газы, а циклопентан и циклогексан — жидкости. Циклопарафины в воде практически не растворяются.

Химические свойства

У циклопарафинов, как и у предельных углеводородов, все связи насыщены, однако, в отличие от последних, они способны к реакциям присоединения. Это объясняется тем, что связи между атомами углерода в цикле могут разорваться. В результате образуются свободные связи, способные присоединять атомы водорода и других элементов.

Соединения с малыми циклами легче вступают в реакции присоединения, что их аналоги с большими циклами. Так, например, реакция гидрирования (присоединение водорода) происходит при различной температуре у разных циклопарафинов.
Для соединений с большими циклами характерны реакции замещения. В этом отношении они сходны с парафинами.

Циклопарафины подвергаются и реакциям дегидрирования(отщепления водорода).

Применение

Из циклопарафинов практическое значение имеют циклогексан, митилциклогексан и некоторые другие. В процессе ароматизации нефти эти соединения превращаются в ароматические углеводороды — в бензол, толуол и другие вещества, которые широко используют для синтеза красителей, медикаментов и т.д. Циклопропан применяют для наркоза.

Другие заметки по химии

Источник: http://edu.glavsprav.ru/info/cikloalkany

Циклопарафины. Состав, строение, изомерия (стр. 1 из 2)

• 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.

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.

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:

(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.

1. Изомерия
2. Для циклопарафинов, начиная с C4H8, характерны некоторые виды структурной изомерии, связанные:
3. a) с числом углеродных атомов в кольце – например,
4. b) с числом углеродных атомов в заместителях –

(этилциклопропан), (метилциклобутан); (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.

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.

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.

Источник: https://mirznanii.com/a/325059/tsikloparafiny-sostav-stroenie-izomeriya

Методическая разработка по химии (10 класс): Циклоалканы – изомерия, получение, свойства и применение. | Социальная сеть работников образования

• Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
• «Овгортская школа-интернат среднего общего образования»
• Шурышкарский район
•  Ямало-Ненецкий автономный округ
• Урок по органической химии
• «Циклоалканы – изомерия, получение, свойства и применение».
•  (10 класс)
• Учитель биологии  и химии:
• Голубева Инна Валентиновна
• с. Овгорт
• 2017г.
• Циклоалканы – изомерия, получение, свойства и применение.
• Цели: Изучить циклоалканы, как один из классов карбоциклических соединений.
• Образовательные:

— продолжить формирование понятия об основных классах углеводородов;- начать формировать понятие о  карбоциклических соединениях;           — изучить строение, номенклатуру и изомерию циклоалканов;- рассмотреть основные способы получения и применения циклоалканов;

— изучить химические свойства циклоалканов и генетическую связь с другими классами углеводородов.

1. Развивающие:

 — развивать когнитивную сферу учащихся; — развивать общеучебные умения и навыки учащихся; 

— развивать умения анализировать и делать самостоятельные выводы;              — развивать абстрактное и аналитическое мышление.

• Воспитательные:

— прививать культуру умственного труда и сотрудничества; — воспитывать дисциплинированность; — воспитывать коллективизм и чувство ответственности; 

— способствовать созданию благоприятного психоэмоционального климата на уроке;

1. Тип урока:  комбинированный.
2. Методы усвоения: словесные (рассказ, объяснение, беседа, сообщение), наглядные  демонстрационные,  лабораторная работа.
3. Формы организации деятельности обучающихся: фронтальная, индивидуально-обособленная, групповая (динамические группы), работа в парах.
4. Технология: элементы технологии «Сотрудничества» и «Проблемного обучения».
5. Оборудование: модели для составления молекул, коллекция ароматических веществ, видеопроектор, экран, дидактические карточки, маркерная доска и маркеры, мультимедийная презентация.
6. План урока

1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний.
3. Лабораторная работа-моделирование молекул.
4. Изучение нового материала.
5. Закрепление.
6. Рефлексия.
7. Домашнее задание.

Ход урока

 Добрый день! Наш урок проходит 19 октября, а в этот день в России отмечают День Лицеиста. Скажите, пожалуйста, кто такие лицеисты и почему есть День Лицея? (Ученики, которые очень развиты в какой-либо интеллектуальной сфере. Царскосельский лицей был основан в 1811 году). Ваш любознательный ум поможет вам на уроке успешно поработать.

Какой раздел химии мы изучаем? (углеводороды).

Какие классы органических соединений вам уже знакомы? (алканы, алкены).

• Дайте определения алканам, и алкенам.
• По индивидуальным карточкам предлагаю поработать 6-8 ученикам в течение 3-х минут (приложение 1).
•         Записать уравнения химических реакций по схемам на доске 2-3 ученикам (приложение 2).
• С остальным учениками работаем фронтально:
• — определение гомологов и гомологический ряд алканов;
• — понятие радикал, гомологическая разность;
• — гомологический ряд алкенов;
• — явление изомерии и изомеры;
• — для чего нужны алканы;
• — где добывают алканы;
• — характерные химические свойства алканов;
• — характерные химические свойства алкенов.  

  3. Лабораторная работа-моделирование молекул.

Далее работа в парах. Составьте шаростержневые модели молекул алканов (пропан, бутан, пентан, гексан), напишите их формулы и названия на доске в столбик.

        Теперь, представьте, что с вашим веществом проведена реакция дегидрирования (отщепление водорода) и открытая цепь молекулы превратилась в замкнутое кольцо. Сделайте модель        новой молекулы. У вас получились модели молекул циклоалканов.

В названии добавляем «цикло». На доске напишите во второй столбик новую формулу вещества и его название. Что у нас получилось? (гомологический ряд циклоалканов). Какая общая формула? (CnH2n). Хорошо! Составим определение циклоалканов, попробуйте сами.

1. Изучение нового материала.

Теперь работаем в тетради, запишите дату. Сформулируем тему урока (Циклоалканы: строение, свойства, получение и применение). Запишите определение. Что мы уже знаем про циклоалканы? (определение, общую формулу, гомологический ряд, номенклатуру). Уточним строение, изомерию по слайдам (приложение 3). Тип гибридизации sp3 .

Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Источник: https://nsportal.ru/shkola/khimiya/library/2019/03/03/tsikloalkany-izomeriya-poluchenie-svoystva-i-primenenie

Номенклатура циклоалканов

По
современной международной заместительной
номенклатуре названия циклоалканов
образуют прибавлением приставки «цикло»
к названиям соответствующих
углеводородов алифатического ряда
(циклопропан, циклобутан, циклопентан,
циклогексан и т.д.)

По
рациональной номенклатуре циклоалканы
рассматриваются как замкнутые цепочки,
состоящие из метиленовых групп СН2
(триметилен, тетраметилен, пентаметилен,
гексаметилен и т.д.).

При
наличии в молекуле циклоалкана двух и
более заместителей, их положение
нумеруют таким образом, чтобы сумма
номеров была наименьшей. При этом
наименьший номер получает младший
заместитель.

1,3-диметилциклогексан 1-метил-2-этилциклопентан

Изомерия циклоалканов

1. Изомерия, связанная с числом углеродных атомов в цикле:

Циклогексан Метилциклопентан Этилциклобутан Пропилциклопропан

1. Изомерия, связанная с числом углеродных атомов в заместителях:

1-метил-2-пропилциклогексан 1,2-диэтилциклогексан

1. Изомерия, зависящая от положения заместителей в цикле:

1,2-диметилциклогексан 1,3-диметилциклогексан 1,4-диметилциклогексан

1. Изомерия боковых цепей:

• 1-метил-4-изопропилциклогексан 1-метил-4-пропилциклогексан
• Геометрическая
  изомерия (цис-, транс-изомерия) наблюдается
  также в циклических насыщенных
  соединениях, где кольцо играет роль
  жесткой двойной связи.
• В
  циклических системах геометрической
  изомерии
  часто сопутствует оптическая
  изомерия.
• Кроме
  того, в случае неплоских колец возникает
  возможность конформационной
  изомерии.
• Для
  двухзамещенных циклопропанов цис-изомерами
  называют соединения, у которых оба
  заместителя расположены по одну сторону
  плоскости кольца, а транс-изомерами –
  соединения с заместителями, расположенными
  по разные стороны кольца:

В
случае одинаковых заместителей только
транс-форма имеет оптические изомеры,
так как оптическая изомерия проявляется
только в том случае, если молекула не
имеет плоскости симметрии.

В
случае различных заместителей каждый
из геометрических изомеров является
оптически активным

Для
циклов, имеющих большее число атомов
углерода в кольце, число возможных
цис-транс-изомеров возрастает, поскольку
здесь имеются изомеры положения.

В
циклогексановом ряду наряду с
геометрической изомерией наблюдается оптическая изомерия при 1,2 и
1,3-транс-положении заместителей:

1,1-изомер 1,2-транс 1,2-цис 1,3-транс 1,4-цис

1,4-цис 1,4-транс

Способы получения циклоалканов

Способы
получения алициклических соединений
можно разделить на две группы:

1. Общие, приемлемые для получения соединений с различной величиной цикла.

2. Специальные, которые используются для получения определенного цикла.

Общие
способы получения

1. Циклизация дигалогеналканов)

Этим
способом могут быть получены трех- и
четырехчленные циклы при действии Zn,
Na,
Mg на соответствующие дигалогенопроизводные
алканов:

1. n
   = 1,2 (3-4-членные
   циклы)
2. Пяти-
   и шестичленные циклические соединения
   этим методом образуются с трудом,
   вследствие преобладания конформаций,
   строение которых неблагоприятно для
   циклизации.
3. Эти
   конформации в результате свободного
   вращения по С-С-связи имеют такое строение углеродной цепи, при котором
   концевые группы взаимно удалены и
   вероятность образования конформации
   со сближенными концевыми группами
   невелика.

1. Взаимодействие дигалогенпроизводных с натриймалоновым эфиром

В
зависимости от выбора дигалогенпроизводного
(1,2-, 1,3-, 1,4- и т.д.) этим методом можно
получать соединения с 3-6-членными
циклами:

циклобутандикарбоновая
кислота циклобутан

1. Отщепление галогеноводородов от галогенокарбонильных соединений

Наиболее
легко этим способом получаются соединения
с трехчленными циклами. Однако этот
метод приемлем и для получения других
циклов.

1. Декарбоксилирование дикарбоновых кислот их солей

Этотметод
применяется для синтеза пяти- и
шестичленных цикловсоответственно
из адипиновой кислоты НООС-(СН2)4-СООН
и пимелиновой кислоты НООС-(СН2)5-СООН
и непригоден для получения трех- и
четырехчленных циклов.

1. Сухая перегонка дикарбоновых кислот

1. Сухая перегонка кальциевых или бариевых солей дикарбоновых кислот

1. Сложноэфирная конденсация эфиров дикарбоновых кислот

(реакция
Дикмана)

Конденсация
сложных эфиров дикарбоновых кислот под
влиянием алкоголятов натрия
приводит к образованию пяти- и шестичленных
циклов:

1. Межмолекулярная конденсация

эфир
щавелевой кислоты + эфир адипиновой
кислоты = циклогексан

1. Внутримолекулярная конденсация

Источник: https://studfile.net/preview/3718726/page:2/