Реферат
«Циклопарафины. Состав,строение, изомерия»
Циклоалканы(Циклопарафины)
Циклоалканы – это ненасыщенныеуглеводороды, в молекулах которых имеется замкнутое кольцо из углеродныхатомов.
В отличие отпредельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей,существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами). По своим свойствам онинапоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда ипроизошло их название – циклоалканы (циклопарафины).
Общая формулагомологического ряда циклоалканов CnH2n, то есть циклоалканыизомерны этиленовым углеводородам. Представителями этого ряда соединенийявляются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.
/>
/>
/>
/> Циклопропан Циклобутан Циклопентан Циклогексан
По своемустроению молекулы органическогих соединений различают на соединения с открытойцепью 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 иароматическими.
Молекулыциклоалканов имеют скелет, построенный в виде цикла из только sp3-гибридныхатомов углерода. Для образования названия циклоалканов необходимо к названиюсоответствующего предельного углеводорода добавить приставку «цикло». Так,наименьший из возможных циклоалканов – циклопропан, за ним следует циклобутан,затем циклопентан и т.д.
Положениязаместителей указывают, нумеруя атомы цикла, причем атому с наиболее старшимзаместителем присваивается номер 1. В дизамещенных циклоалканах заместителимогут располагаться по одну (цис-) или по разные стороны плоскости кольца(транс-).
Молекулыциклоалканов могут состоять из двух и более циклов. Бициклические углеводородыследует различать по способу соединения (аннелирования) циклов. Если два циклаимеют лишь один общий атом углерода, соединения называют спироциклическими.Названия таких бициклов образуют, добавляя приставку «спиро» к названию соответствующемугомолога алкана. После приставки в квадратных скобках указывают две цифры,обозначающие число атомов углерода, расположенных по каждую сторону от узловогоС-атома. Нумерацию атомов начинают с меньшего цикла, последним номеромобозначают узловой атом.
В другомспособе аннелирования циклы имеют два общих атома углерода. Это – такназываемые мостиковые циклоалканы. Названия таких соединений начинается суказания количества циклов приставками бицикло-, трицикло-, затем указываютсятри цифры, обозначающие число углеродных атомов каждого мостика, связанного сузловыми атомами. В конце пишется название соответствующего алкана. Нумеруютатомы, начиная с одного узлового и передвигаясь по большему (главному) циклу кдругому узловому С-атому. Иногда указывают дополнительные координаты мостика.
/>Получение
1.Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторыхместорождений (отсюда произошло одно из их названий – нафтены). Припереработке нефти выделяют главным образом циклоалканы С5 Н10– С7 Н14
2. Действие активных металлов надигалогензамещенные алканы (реакция Вюрца) приводит к образованию различныхциклоалканов:
/>
(вместо металлического натрияиспользуется также порошкообразный цинк).
Строение образующегося циклоалканаопределяется структурой исходного дигалогеналкана. Этим путем можно получатьциклоалканы заданного строения. Например, для синтеза 1,3-диметилциклопентанаследует использовать 1,5-дигалоген – 2,4-диметилпентан:
/>
Существуют и другие методы полученияциклоалканов. Так, например, циклогексан и его алкильные производные получаютгидрированием бензола и его гомологов, являющихся продуктами нефтепереработки.
/>
/>Изомерия
Дляциклопарафинов, начиная с C4H8, характерны некоторые видыструктурной изомерии, связанные:
a) с числомуглеродных атомов в кольце – например, />(этилциклопропан), />(метилциклобутан);
b) с числомуглеродных атомов в заместителях – />(1-метил-2-пропилциклопентан), />(1,2-диэтилциклопентан)
c) сположением заместителя в кольце – />(1,1-диметилциклогексан), />(1,2-диметилциклогексан)
Дляциклоалканов характерна также межклассовая изомерия с алкенами.
При наличиидвух заместителей в кольце у разных углеродных атомов возможна геометрическаяцис-транс-изомерия, начиная с C5H10, и оптическаяизомерия. Оптическая изомерия проявляется в том случае, если молекула не имеетплоскости симметрии.
Цис-транс-изомерияв циклических соединениях
При наличиидвух заместителей в циклических соединениях также возможна цис-транс-изомерия.Метильные группы в приведенных примерах могут располагаться по одну сторонуплоскости 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 несовмещаются. Взаимные изомеризации требуют разрыва цикла с последующим егозамыканием или разрыва связи заместителя с углеродным атомом цикла иобразованием новой связи с другой стороны цикла.
Следуетотметить, что в циклических соединениях возможно возникновение не толькоцис-транс-, но и зеркальной изомерии. При наложении модели молекулы цис-изомерас одинаковыми заместителями и ее зеркального отражения они совмещаются, в товремя как таковое невозможно для цис-изомера с различными заместителями. Длятранс-изомеров совмещение модели молекулы и ее зеркального отражения невозможнокак при одинаковых, так и различающихся заместителях.
Циклобутан,циклопентан и их конформации
Циклическиесоединения – это такие органические соединения, в которых углеродные атомысоставляют замкнутые цепи, т.е. циклы. Простейшими представителями такихсоединений являются циклопарафины или циклоалканы.
Прочностьсвязей в циклических соединениях зависит от числа атомов, участвующих вобразовании цикла. Она определяется степенью его напряженности, обусловленнойизменением валентных углов атомов цикла и отклонением этих атомов отнормального направления.
Дляциклопропана межъядерные углы составляют 60º, как в равностороннем треугольнике,для циклобутана – 90º, как в квадрате, а в циклопентане – 108º, как вправильном пятиугольнике. Нормальный валентный угол для атома углерода – 109,5º.Поэтому при расположении в названных соединениях всех атомов углерода в однойплоскости уменьшение валентных углов составляет в циклопропане – 49,5º, вциклобутане – 19,5º, в циклопентане – 1,5º.
Чем большеотклонение валентного угла от нормального, тем более напряжены и,следовательно, непрочны циклы. Однако в отличие от циклопропана циклобутан ициклопентан имеют неплоские циклы. Один из атомов углерода непрерывно выходитиз плоскости. Циклобутан существует в виде неплоских «сложенных» конформаций.Циклопентан характеризуется конформацией «конверт». Таким образом, обсуждаемыециклы находятся в колебательном движении, приводящем к уменьшению «заслоненности»атомов водорода у соседних углеродных атомов и снижению напряжения.
Циклогексани его конформации
Дляциклогексана, как правильного шестиугольника, межъядерные углы составляют 120º.Если бы молекула циклогексана имела плоское строение, то отклонение отнормального валентного угла атома углерода составляло: 109,5º-120º =10,5º.
Однакоциклогексан и большие циклы имеют неплоское строение. В рассматриваемоймолекуле циклогексана сохраняются обычные валентные углы при условии егосуществования в двух конформациях «кресла» и «ванны». Конформация «кресла» менеенапряжена, поэтому циклогексан существует преимущественно в виде конформеров Iи III, причем цикл претерпевает непрерывную инверсию (inversio – с латинскогопереворачивание, перестановка) с промежуточным образованием конформера II:
/>
ось симметрииII III I
Двенадцатьсвязей C–H, которые имеются у циклогексана в конформации «кресла», делятся надва типа. Шесть связей направлены радиально от кольца к периферии молекулы иназываются экваториальными связями (e – связи), остальные шесть связейнаправлены параллельно друг другу и оси симметрии и называются аксиальными (a –связи). Три аксиальные связи направлены в одну сторону от плоскости цикла, атри – в другую (имеется чередование: вверх-вниз).
Свойствациклоалканов
Физическиесвойствациклоалканов закономерно изменяются с ростом их молекулярной массы. Пpиноpмальных условиях циклопpопан и циклобутан – газы, циклоалканы С5Н10 – С16Н32 – жидкости, начиная с С17Н34, – твердые вещества.Температуры кипения циклоалканов выше, чем у соответвующих алканов. Это связанос более плотной упаковкой и более сильными межмолекулярными взаимодействиямициклических структур.
Химическиесвойствациклоалканов сильно зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость.Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, тем неменее, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Валентныеуглы в циклопропане и циклобутане значительно меньше нормальноготетраэдрического угла 10928’, свойственного sp3-гибридизованному атомууглерода.
/>
Это приводитк большой напряженности таких циклов и их стремлению к раскрытию под действиемреагентов. Поэтому циклопропан, циклобутан и их производные вступают в реакцииприсоединения, проявляя характер ненасыщенных соединений. Легкость реакцийприсоединения уменьшается с уменьшением напряженности цикла в ряду:
циклопропан > циклобутан >> циклопентан.
Наиболееустойчивыми являются 6-членные циклы, в которых отсутствуют угловое и другиевиды напряжения.
Малыециклы (С3Н6 – С4Н8) довольно легко вступаютв реакции гидрирования:
/>
Циклопропан иего производные присоединяют галогены и галогеноводороды:
/>
В другихциклах (начиная с С5) угловое напряжение снимается благодарянеплоскому строению молекул. Поэтому для циклоалканов (С5 и выше)вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическаяструктура, т.е. реакции замещения.
/>
Этисоединения, подобно алканам, вступают также в реакции дегидрирования, окисленияв присутствии катализатора и др.
/>
/>
Столь резкоеотличие в свойствах циклоалканов в зависимости от размеров цикла приводит кнеобходимости рассматривать не общий гомологический ряд циклоалканов, аотдельные их ряды по размерам цикла. Например, в гомологический ряд циклопропанавходят: циклопропан С3Н6, метилциклопропан С4Н8,этилциклопропан С5Н10 и т.д./>Применение
Наибольшеепрактическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан. Циклогексаниспользуется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты,капролактама, а также в качестве растворителя. Циклопропан используется вмедицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства.
Список использованной литературы
1. Химия: Органическаяхимия: Учебное издание для 10 кл. сред. шк. – Москва, Просвещение, 1993
2. Глинка Н.Л. Общаяхимия. -25-е изд., испр. – Л.: Химия
3. Артеменко А.И. Органическаяхимия: учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 2000.
4. Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курссовременной органической химии. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа,1999.
5. ХИМИЯ. Справочникшкольника, – М., 1995.
6. ХИМИЯ. Энциклопедиядля детей. АВАНТА, 2000.
7. Хомченко Г.П. Химиядля поступающих в ВУЗы. – М., 1995 г.
8. «Органическая химия».,Просвещение, 1991