Какое соединение из перечисленных является циклоалканом?
С12Н26
С2Н2
С3Н6
С3Н4
Циклопарафины – это те же алканы, только в циклической форме. Общая формула их гомологического ряда .
Отличие циклических форм от линейных заключается в их устойчивости. Возьмем, к примеру, циклопропан. Он состоит из трех атомов углерода. Валентный угол между связями углерод-углерод составляет 60°. Хотя для линейных углеводородов он составляет 109°28’. Подобная разница в величинах приводит к напряженности связей в молекуле циклопропана, что обусловливает их искривление в пространстве – приобретение ими «банановой» формы.
Таким образом объясняется высокая реакционная способность циклопропана и его ближайшего члена по гомологическому ряду – циклобутана. Наиболее устойчивыми являются циклы, состоящие из 5 или 6 атомов углерода. В таких соединениях угол между связями углерод-углерод близок к 109°28’.
Для циклопарафинов характерно явление конформации – изменение положения атомов углерода относительно друг друга, что позволяет посредством приобретения разнообразной формы достигать выгодного энергетического состояния.
Например, циклопентан может иметь форму конверта, которая изгибается то в одну сторону, то – в другую. Циклогексан существует в виде трех форм – ванна, кресло, твист-конформация. Они постоянно переходят друг в друга (находятся в динамическом равновесии), то есть некоторое количество времени присутствует одна конформация, затем другая, а потом – третья, в зависимости от того, сколько подобных форм может иметь циклическое соединение.
Рис. 1. «Конверт» циклопентана
Рис. 2. Конформации циклогексана
Получение циклопарафинов
Если спросить любого школьника, где можно добыть циклопарафины, то он ответит: «Из нефти». И будет прав. Действительно, впервые этот вид углеводородов был обнаружен в бакинской нефти В.В. Марковниковым в 1883 году.
Помимо «черного золота», в качестве источников данных соединений выступают химические превращения различных веществ.
Например, из бензола путем его восстановления водородом на платиновом (или никелевом) катализаторе при нагревании можно получить циклогексан. Если брать гомологи бензола, такие как толуол (метилбензол) или кумол (изопропилбезол), то можно получить метилциклогексан и изопропилциклогексан соответственно.
Другим известным способом является дегалогенирование дигалогенпроизводных. Объясним оба термина в названии способа, вдруг кому-то могут быть непонятны эти длинные названия.
Это процесс отщепления атомов галогена от исходной молекулы в процессе ее взаимодействия с таким реагентом, который может осуществить данное превращение.
Дигалогенпроизводные – это такие соединения, в составе которых имеется 2 атома галогена. О том, что атомов два, говорит нам приставка «ди» в начале термина. Если бы вместо нее была приставка «три», то мы бы говорили о наличии трех атомов галогена в молекуле, а если бы «тетра» (а такое тоже часто бывает) – о наличии четырех атомов.
С помощью данной реакции получают трех- и четырехчленные циклы. В качестве реагента, который будет отщеплять галогены, обычно берут магний или цинк.
У 1,4-дихлорбутана магний забирает 2 атома хлора, при этом атомы углерода, с которыми до этого были связаны забранные атомы хлора, остаются с неспаренными электронами. Эти электроны образуют новую связь углерод-углерод, замыкая цепочку в цикл. В итоге получаем циклобутан.
Еще одним методом получения является пиролиз солей дикарбоновых кислот.
Это нагревание до высоких температур при недостатке кислорода, в результате происходит разложение нагреваемого вещества.
Дикарбоновая кислота – это предельная органическая кислота, в молекуле которой присутствует две карбоксильные группы (СООН). В нашем случае используется ее соль.
С помощью реакции получают циклопентан и циклогексан. Для этого берут кальциевые соли гександикарбоновой и гептандикарбоновой кислот соответственно. Если нет кальциевой соли, то можно взять бариевую – результат будет тот же.
На первой стадии получают карбонат кальция и кетон. На второй – восстанавливают кетон водородом на платиновом катализаторе до циклического продукта.
Только что мы рассмотрели способы получения циклических парафинов. Далее поговорим об их химических свойствах.
Химические свойства циклопарафинов
Группы реакций циклоалканов таковы – окисление, присоединение, замещение и дегидрирование.
Окисление кислородом воздуха (или в народе – горение) приводит к выделению большого количества тепла и образованию углекислого газа и воды.
– обозначает выделяющуюся теплоту.
Присоединение характерно для высокореакционных циклов, в которых связи напряжены – это вышеназванные циклобутан и циклопропан. Ввиду их неустойчивости воздействие на них водородом (при повышенной температуре), галогенами (на свету) или галогеноводородами приводит к раскрытию цикла и образованию алканов и галогеналканов соответственно.
Если в первом случае в ходе реакции получается бутан, то во втором – 1,3-дибромпропан, а в третьем – 1-бромпропан.
В реакции замещения вступают циклы, в составе которых насчитывается 5 и более атомов углерода. Механизм реакции такой же как и у алканов – свободнорадикальный.
К реакциям замещения относят галогенирование и нитрование. Рассмотрим их подробнее.
Галогенирование происходит на свету, что является обязательным условием для протекания данного процесса. Кванты света способствуют распаду молекулы галогена на свободные радикалы, которые и являются атакующими частицами. В результате реакции образуется галогенпроизводное исходного циклоалкана, при этом не происходит раскрывания цикла. Вторым продуктом является галогеноводород. Пример взаимодействия приведен далее.
Это процесс взаимодействия реагента с азотной кислотой.
В нашем случае берут 10%-ную кислоту. Смесь реагентов подогревают. В конце концов получается нитропроизводное исходного, к примеру, циклогексана и вода.
Дегидрирование – это процесс обратный гидрированию. Если в блоке про получение циклоалканов мы говорили о гидрировании бензола и его гомологов, то, чтобы получить бензол и подобные ему соединения из класса ароматических углеводородов, нужно применить дегидрирование. А именно, взять циклогексан или метилциклогексан (и далее по гомологическому ряду: этилциклогексан, пропилциклогексан и т.п.) и закачать в емкость с платиновым или никелевым катализатором. При нагревании мы получим целевой продукт – бензол или метилбензол (толуол) или этилбензол и т.п.
Как видно, циклопарафины являются важными в промышленном отношении соединениями. Из них можно получать разнообразные, ценные для многих синтезов, вещества. К тому же их несложно получить, необходимо лишь подобрать необходимые условия и катализаторы.
Не знаете, сколько стоит статья по химии на заказ? Обратитесь к нашим экспертам!
Комментарии