Циклоалканы (циклопарафины, нафтены) — предельные углеводороды, атомы углерода в молекулах которых образуют замкнутый цикл. Общая формула моноциклических циклоалканов — CnH2n, где n ≥ 3.
По сравнению с алканом того же числа атомов углерода у циклоалкана на два атома водорода меньше: цикл замыкается ещё одной связью C–C. Формула совпадает с формулой алкенов, поэтому циклоалканы и алкены — межклассовые изомеры.
Размер цикла
Циклоалканы делят по числу атомов в кольце: малые циклы (3–4 атома: циклопропан, циклобутан), обычные (5–7 атомов: циклопентан, циклогексан, циклогептан), средние и большие. От размера цикла зависит главное — насколько молекула напряжена.
Угловое напряжение
Атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в состоянии sp³-гибридизации, и выгодный для них угол — 109°28′. Но в плоском треугольнике циклопропана угол между связями C–C всего 60°, в квадрате циклобутана — 90°. Гибридные орбитали не могут перекрыться по прямой, соединяющей ядра, и перекрываются «под углом». Такие изогнутые связи называют «банановыми»; они слабее обычных σ-связей.
| Цикл | Угол в плоском цикле | Форма молекулы | Напряжение |
|---|---|---|---|
| циклопропан | 60° | плоский треугольник | очень большое |
| циклобутан | 90° | слегка изогнутый квадрат | большое |
| циклопентан | 108° | «конверт» | малое |
| циклогексан | 120° (если бы был плоским) | «кресло» | практически нет |
Чем больше напряжение, тем легче цикл раскрывается. Поэтому циклопропан и циклобутан вступают в реакции присоединения с разрывом цикла, как алкены, а циклопентан и циклогексан реагируют как алканы — замещением.
Конформации циклогексана
Шестичленный цикл не плоский. Он изгибается так, что все углы C–C–C становятся равны тетраэдрическим 109°28′ и напряжение исчезает. Самая выгодная форма — «кресло»; менее выгодная — «ванна». Формы переходят друг в друга вращением вокруг σ-связей: это не разные вещества, а конформации одной молекулы.
Физические свойства
- При обычных условиях циклопропан и циклобутан — газы, циклопентан и циклогексан — жидкости, высшие циклоалканы — твёрдые вещества.
- Температуры кипения и плавления немного выше, чем у алканов с тем же числом атомов углерода: циклогексан кипит при 81 °C, гексан — при 69 °C.
- Циклоалканы не растворяются в воде, хорошо растворяются в органических растворителях.
- Циклопентан, циклогексан и их гомологи входят в состав нефти — отсюда старое название нафтены.
Главное в параграфе
- Циклоалканы — предельные циклические углеводороды CnH2n, межклассовые изомеры алкенов.
- Атомы углерода — sp³; в малых циклах угол сильно меньше 109°28′, возникает угловое напряжение.
- Малые циклы (C3, C4) легко раскрываются — реакции присоединения; C5, C6 — устойчивы, реакции замещения.
- Циклогексан принимает форму «кресла» и не напряжён.
Проверь себя: строение циклоалканов
Задание 11 ЕГЭ — строение, гибридизация и изомерия, в том числе циклических углеводородов.