Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 12. ЦИКЛОАЛКАНИ

Склад і будова молекул. Номенклатура. Атоми Карбону в стані sр3-гібридизації можуть сполучатися з утворенням не лише ланцюгових, а й циклічних молекул, наприклад:

Ці сполуки належать до циклоалканів, або циклопарафінів. У їх молекулах міститься на два атоми Гідрогену менше, ніж у молекулах алканів; загальна формула циклоалканів — СnН2n.

Назви циклоалканів утворюються від назв алканів з відповідним числом атомів Карбону додаванням префікса цикло-. Перед назвою зазначають цифрою місця і назви замісників у абетковому порядку.

Розглянемо будову молекули циклопропану, що має трикутну форму (мал. 25, 26). Оскільки кути у правильному трикутнику дорівнюють 60о, тобто менші від тетраедричного кута 109,5о, електронні орбіталі атомів Карбону, що перебувають у стані sр3-гібридизації, не здатні перекриватися максимально й утворювати міцні С—С-зв’язки. Відхилення від тетраедричного кута створює в молекулі певне напруження, унаслідок чого молекула циклопропану нестійка. Це напруження дістало назву кутового, або байєрівського, напруження за іменем німецького хіміка А. Байєра, який створив так звану теорію напруження циклів (1885 р.).

Мал. 25. Схема утворення σ-зв’язків у молекулі циклопропану

Мал. 26. Геометрія молекули циклопропану

У правильному п’ятикутнику кути дорівнюють 105о, тобто вони близькі до тетраедричних. Отже, можна припустити, що циклопентан — стійкіша сполука.

За теорією Байєра, молекули циклопарафінів з великими циклами мають бути менш стійкими, оскільки в них збільшується відхилення від тетраедричного кута. Проте експериментальні дані суперечать теоретичним передбаченням, і великі цикли виявляються достатньо міцними.

Виходить, що вчений помилявся? Так, і помилка полягала в тому, що Байєр уважав усі цикли плоскими. Сучасна наука довела, що плоскою є лише молекула циклопропану, інші ж циклоалкани існують у різних неплоских конформаціях. При цьому зберігаються валентні кути 109,5о і довжини зв’язків 0,154 нм. Якщо ми спробуємо сконструювати молекулу циклогексану з типових моделей тетраедричних атомів Карбону, то виявиться, що молекула циклогексану може мати дві геометричні форми — «човна» і «крісла». Такі назви вони отримали через подібність до цих предметів.

Теоретичні обчислення засвідчують, що форма «човен» має більшу енергетичну напруженість порівняно з формою «крісло», тому маємо усі підстави стверджувати, що для циклогексану переважною є саме конформація «крісло» (мал. 27).

Мал. 27. Конформації циклогексану: а — «крісло»; б — «човен»

Для циклопентану енергетично найвигіднішою є форма «конверт»:

Ізомерія циклоалканів зумовлена будовою циклу та будовою бічних відгалужень. Наприклад, складу С5Н10 відповідають такі ізомерні циклопарафіни:

Циклоалкани ізомерні алкенам (про це в наступному параграфі).

Хімічні властивості. Подібно до алканів циклоалкани горять, утворюючи вуглекислий газ і воду. У результаті реакції часткового окиснення утворюються оксигеновмісні органічні сполуки.

Реакції циклоалканів

Специфічність реакцій, що залежать від розміру та стійкості циклу, пояснюється особливостями будови циклоалканів.

Циклопропан і циклобутан, молекули яких найменш стійкі, вступають у реакції приєднання водню з розкриванням циклу. У результаті реакції «знімається» напруження в циклі й утворюється стійка молекула алкану.

Циклоалкани зі стійкими циклами, такі як циклопентан і циклогексан, подібно до алканів вступають у реакції заміщення (галогенування, нітрування).

Добування. Циклопентан, циклогексан та їхні гомологи (загальна назва — нафтени) входять до складу деяких сортів нафти, зокрема каліфорнійської та бакинської.

Джерелом добування інших циклоалканів у лабораторії є органічний синтез. Три-, чотири-, п’ятичленні цикли добувають з галогенопохідних алканів за реакцією Г. Густавсона (1887 р.):

Циклогексан утворюється також унаслідок приєднання водню до бензену:

Застосування. Циклопропан використовують у медицині як засіб для наркозу (у суміші з киснем).

Циклопентан застосовують у промисловості як розчинник і в органічному синтезі.

Циклогексан — розчинник, а також вихідна речовина для синтезу поліамідних волокон (капрону, нейлону).

Три циклогексанові кільця у формі «крісла» утворюють молекулу адамантану (мал. 28, а). Похідні цієї сполуки чинять противірусну дію, тому їх використовують у фармації. Зокрема, це відомий протигрипозний засіб ремантадин (мал. 28, б). У його промисловій розробці брали участь українські вчені-хіміки.

Мал. 28. Структури адамантану (а) і ремантадину (б)

Висновки

• Циклоалкани — насичені вуглеводні циклічної будови.

• Загальна формула циклоалканів — СnН2n.

• Циклоалканам властива структурна ізомерія, зумовлена розміром циклу, будовою бічного відгалуження, і міжгрупова ізомерія циклоалкани — алкени.

• Стійкість молекул циклоалканів залежить від будови циклів.

• Молекули циклоалканів мають неплоску будову.

• Для циклогексану енергетично найвигіднішою є конформація «крісло».

• Менш стійкі цикли вступають у реакції приєднання, більш стійкі — у реакції заміщення.

• Природне джерело п’яти- та шестичленних циклоалканів — нафта.

Завдання для самоконтролю

1. Поясніть назву циклоалкани.

2. Наведіть загальну формулу циклоалканів.

3. Наведіть структурні формули декількох ізомерів циклогексану.

4. Опишіть будову молекули циклогексану. Яка конформація є переважною для цієї молекули?

5. У чому полягала помилка А. Байєра?

6. Поясніть, чи зберігаються параметри молекули в різних конформаціях.

7. Які реакції характерні для п’яти- і шестичленних циклоалканів?

8. Як відбувається приєднання водню до циклопропану?

9. Що таке нафтени?

10. Схарактеризуйте значення циклоалканів та їхніх похідних для медицини.

Додаткові завдання

11. Що зумовлює ізомерію циклоалканів? Наведіть приклади.

12. Поясніть причину стійкості (або нестійкості) молекул циклоалканів.

13. Унаслідок чого «знімається» напруження в молекулі циклогексану?

14. Як будова молекул циклоалканів позначається на хімічних властивостях цих сполук?

15. Порівняйте хімічні властивості алканів і циклоалканів.

16. Чому саме нафтени трапляються у природі у вільному стані?

17. Масова частка Гідрогену у вуглеводні становить 14,3 %, густина пари за воднем — 21. Укажіть правильні твердження щодо цієї сполуки.

А приєднує водень

Б існує в конформаціях «човен» і «крісло»

В атоми Карбону перебувають у стані sр3-гібридизації

Г є першим членом гомологічного ряду