Урок позволяет сформировать у учащихся представления о циклоалканах как о карбоциклических соединениях. Он познакомит их с общей формулой класса, номенклатурой и изомерией циклоалканов, их физическими и химическими свойствами, а также способами получения циклоалканов. Как известно, атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием цепей и циклов.
Первым, кто выдвинул идею о том, что атомы углерода образуют циклы, был А. Кекуле (1829−1896). Считают, что такая идея возникла у него после того, как он увидел в зоопарке обезьян, которые схватили друг друга за лапы и хвосты. Некоторые считают, что во сне ему приснилась извивающаяся змея, которая ухватила себя за хвост и замерла.
В молекуле циклоалканов атомы углерода связаны между собой одинарными ковалентными связями. Для циклоалканов характерна sp3-гибридизация атомных орбиталей. На свойства циклоалканов оказывает влияние устойчивость цикла, которая зависит от его размера. Например, углеродная цепь более устойчива, если валентный угол близок к тетраэдрическому. Поэтому трёх-и четырёхчленные циклы менее устойчивы, чем пяти-и шестичленные.
Общая формула циклоалканов отличается от общей формулы алканов, так как для того, чтобы образовался цикл, нужно отщепить у алкана 2 атома водорода. И общая формула циклоалканов будет CnH2n. Например, у гексана формула С6Н14, а у циклогексана С6Н12.
Циклоалканы относятся к карбоциклическим соединениям, то есть соединениям, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.
Таким образом, циклоалканы — органические соединения, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.
Молекулы циклоалканов могут содержать заместители, связанные с циклом: метилциклопропан, 1,3-диметилциклопентан, метилциклогексан.
Рассмотрим изомерию циклоалканов: например, циклоалканы могут различаться числом атомов углерода в цикле.
Как, например, метилциклопетан и циклогексан. Изомерные циклоалканы различаются и строением заместителей. Например, этилциклобутан и 1,2-диметилциклобутан. Циклоалканы различаются также положением заместителей в цикле. Например, 1,1-диметилциклобутан и 1,3-диметилциклобутан.
Составим всевозможные изомеры к циклоалкану состава С5Н10. Это цикл, который состоит из пяти томов углерода, — циклопентан, затем четыре атома углерода могут образовывать цикл, а один атом углерода входить в состав заместителя. Это метилциклобутан. Существуют также изомерные циклоалканы состава С5Н10, молекулы которых включают цикл из трех атомов углерода. В этом случае с циклом связаны либо две метильные группы, причем метильные группы могут находиться как у одного атома углерода, так и у соседних, либо одна этильная группа: 1,1-диметилциклопропан, 1,2-диметилциклопропан, этилциклопропан.
Кроме того, для циклоалканов характерна межклассовая изомерия с алкенами. Так, между собой будут изомерны циклобутан и бутен-1.
Для циклоалканов, содержащих два и более заместителя, возможна пространственная изомерия — конформационная изомерия. При этом происходит превращение одной формы в другую без разрыва связей, а происходит лишь разворот атомов относительно друг друга. То есть молекула как бы выворачивается. Эти структуры между собой являются конформерами. Конформерами циклогексана будут «кресло», «ванна» или «лодка», также «твист».
Рассмотрим номенклатуру циклоалканов. Основные принципы построения названий такие же, как и в случае алканов, только вместо наиболее длинной углеродной цепи (главной цепи) в качестве основы выбирают цикл. Атомы углерода в цикле нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Принадлежность соединения к классу циклоалканов указывает приставка цикло- и суффикс — ан-.
По своим физическим свойствам циклоалканы похожи на алканы. При комнатной температуре циклопропан и циклобутан — газы, С5 — С10 — бесцветные жидкости со специфическим запахом, высшие циклоалканы являются твердыми веществами.
Циклоалканы практически нерастворимы в воде.
Химические свойства циклоалканов с различным числом атомов углерода в цикле существенно различаются. Например, для циклопропана и циклобутана характерны реакции присоединения. Циклопентан и циклогексан, наоборот, по химическим свойствам близки к алканам: так же, как и алканы, они не реагируют с кислотами и щелочами, но для них характерны реакции замещения с галогенами.
Циклоалканы горят с образованием углекислого газа и воды. Так, при горении циклогексана образуется углекислый газ и вода.
Трёх и четырёхчленные циклы менее устойчивы, поэтому для них характерны реакции присоединения.
Пяти- и шестичленные циклы вступают и в реакцию нитрирования. Так, в реакции циклогексана с азотной кислотой образуется нитроциклогексан.
При повышенной температуре циклоалканы вступают в реакции присоединения. Так, при гидрировании циклопропана образуется пропан.
Циклоалканы вступают в реакции дегидрирования. При пропускании паров циклогексана над нагретым никелевым, платиновым или палладиевым катализатором образуется бензол.
В конце 19 века химики установили, что в состав нефти входят циклоалканы. Изучением их строения и свойств занимался русский химик
В. В. Марковников. Именно он назвал эти соединения нафтенами (от греч. naphtha — нефть). Особенно велико содержание нафтенов в бакинской нефти, откуда их можно выделить фракционной перегонкой.
Циклоалканы можно получить при гидрировании бензола и его гомологов. Так, при гидрировании метилбензола образуется метилциклогексан.
Циклоалканы можно получить и при дегалогенировании дигалогенпроизводных. Так, при действии цинка или магния на 1,3-дибромпропан образуется циклопропан.
Циклоалканы встречаются в природе. Они входят в состав нефти. Циклоалканы являются компонентами бензина. Из циклогексана получают капролактам — исходное вещество для синтеза капрона. Циклопропан применяется в медицине как обезболивающее средство.