Почему трёхчленный цикл рвётся, а шестичленный — самый устойчивый в органике
Циклоалканы (циклопарафины, нафтены) — насыщенные углеводороды, атомы углерода в которых замкнуты в цикл. Все связи одинарные, как у алканов, но два «свободных конца» цепи соединены друг с другом — и на это уходят два атома водорода.
Поэтому общая формула ряда — CnH2n, а не CnH2n+2. Начинается ряд с n = 3: цикла из двух атомов не бывает.
CnH2n — формула и алкенов тоже. Циклоалкан и алкен с одинаковым числом атомов углерода — межклассовые изомеры: состав один, классы разные. Циклопропан C3H6 и пропен C3H6 — самая частая пара в заданиях.
Каждый атом углерода здесь в состоянии sp³-гибридизации и «хочет» угол 109°28′. Но цикл держит атомы жёстко: в плоском треугольнике угол 60°, в квадрате — 90°. Связи приходится изгибать, и в молекуле копится угловое напряжение.
| Цикл | Угол в плоской модели | Отклонение от 109°28′ | Как себя ведёт |
|---|---|---|---|
| Циклопропан C3H6 | 60° | −49° | цикл рвётся легко |
| Циклобутан C4H8 | 90° | −19° | рвётся при нагревании |
| Циклопентан C5H10 | 108° | −1,5° | устойчив |
| Циклогексан C6H12 | 120° | +10,5° | устойчив: цикл неплоский |
Вся химия циклоалканов вытекает из одной величины — насколько угол в цикле отличается от 109°28′. Малые циклы (C3, C4) напряжены и раскрываются, как непредельные. Циклы из пяти и более атомов напряжения не несут и ведут себя как алканы — вступают в замещение.
В таблице у циклогексана стоит +10,5° — но это угол плоского шестиугольника, которого в природе нет. Реальная молекула изогнута: она принимает форму кресла, и в ней все углы ровно 109°28′. Напряжение исчезает полностью, поэтому шестичленный цикл — самый распространённый в органике и в живой природе.
Кроме «кресла» существует менее выгодная форма — «ванна». Молекула постоянно перескакивает между конформациями, но при обычной температуре более 99 % молекул находятся в форме кресла.
Циклопропан и циклобутан — газы, C5–C10 — жидкости, далее твёрдые вещества. В воде не растворяются, легче воды.
При одинаковом числе атомов углерода циклоалкан кипит выше соответствующего алкана: кольцо компактнее и симметричнее цепи, молекулы упаковываются плотнее, и межмолекулярные силы работают лучше. Циклогексан кипит при +81 °C, гексан — при +69 °C.