Циклоалканы (цикланы, циклопарафины или нефтены) - это циклические насыщеные углеводороды, в молекулах которых имеется замкнутая цепочка углеродных атомов. Они содержат только простые одинарные сигма связи и не содержат ароматических связей.
Общая формула циклоалканов CnH2n (причем n больше или равно трем, так как необходимо минимум три атома углерода для того, чтобы сформировать цикл).
Часто при изображении структурных формул циклоалканов? группы -CH2- в составе цикла просто не изображают и используют сокращённые структурные формулы в виде геометрических фигур:
История открытия циклоалканов.
Встречающиеся в природе циклоалканы (циклопентан, циклогексан, циклогептан и др.) были впервые обнаружены химиком Владимиром Васильевичем Марковниковым в бензиновой фракции нефти. Термин «нафтены» иногда используется для всех циклоалканов, однако его чаще применяют только к производным циклопентана и гексана.
Долгое время считалось, что структура циклоалканов линейная. Лишь в 1890 году немецкий химик Адольф Байер установил циклическое строение этих соединений на примере циклогексана. Это открытие положило начало систематическому изучению свойств циклоалканов.
Вообще циклоалканы широко распространены в природе. Помимо того что они содержатся в нефте, циклоалканы содержатся в смоле деревьев, входят в состав восточных благовоний — мускуса, камфоры, амбры, мятного и лимонного масла и т.д.
Номенклатура циклоалканов.
Названия циклоалканов формируются путем добавления приставки "цикло-" к названию алкана с соответствующим числом: циклопропан, циклобутан и т.д.
Изомерия циклоалканов.
Для циклоалканов характерны следующие виды изомерии:
1. Изомерия углеродного скелета.
2. Межклассовая изомерия с алкенами (циклоалканы изомерны алкенам содержащим то же число атомов углерода)
3. Цис-транс изомерия.
Физические свойства циклоалканов.
Агрегатное состояние циклоалканов постепенно изменяется с ростом молекулярной массы:
C3H6 - C4H8 - газы.
C5H10 - C16H32 - жидкости.
C17H34 и т.д. - твердые вещества.
Температуры кипения циклоалканов как правило выше чем у соответствующих алканов.
Все циклоалканы практически нерастворимы в воде.
Способы получения циклоалканов.
1. Из ароматических углеводородов (путем гидрирования бензола и его гомологов).
2. Дегалогенирование дигалогеналканов (внутримолекулярная реакция Вюрца).
3. Дегидроциклизация алканов/Дегидроциклизация по Казанскому и Платэ (Этой реакцией возможно получить циклоалканы с размером цикла от пяти атомов углерода. Алканы меньшей длины при дегидрировании не циклизуются.)
Химические свойства циклоалканов.
Химические свойства циклоалканов зависят от размеров цикла и его устойчивости.
Трех- и четырехчленные циклы стремятся к раскрытию под действием реагентов, поэтому циклопропан и циклобутан вступают в реакции присоединения, проявляя характер ненасыщеных соединений.
1. Реакция гидрирования C3H6 и C4H8.
2. Галогенирование C3H6 и C4H8 (необходимо запомнить, что в случае циклобутана результат зависит от условий реакции)
3. Гидрогалогенирование C3H6 и C4H8.
Большие циклы более устойчивы и не склонны к раскрытию.
4. Галогенирование С5H10 и C6H12.
Вообще реакция в данном случае идет по ступенчатому механизму, поэтому в цепочках превращений смотрим внимательно, сколько моль галогена присоединяется к циклоалкану.
5. Дегидрирование.
6. Нитрирование
7. Окисление циклоалканов перманганатом калия в кислой среде приводит к образованию дикарбоновых кислот.
Применение некоторых циклоалканов:
1. Циклопентан применяется в качестве вспенивателя пенополиуретана, в холодильном оборудовании в качестве заменителя фреонов. Как растворитель простых эфиров целлюлозы.
2.Циклогексан используется как сырье для получения капролактама, адипиновой кислоты и циклогексанона; растворитель эфирных масел, восков, лаков, красок, экстрагент в фармацевтической промышленности.
3. Циклогептан используется как неполярный растворитель в химической промышленности, а также в качестве исходного вещества в синтезе ряда химических веществ и лекарственных препаратов.
4. Так же в нефтехимической промышленности циклоалканы широко применяют для получения ароматических углеводородов.