Войти
Шаровидная модель циклобутана В органическая химия, циклоалканы (также называемые нафтенами, но отличные от нафталина ) являются моноциклическими насыщенные углеводороды. Другими словами, циклоалкан состоит только из атомов водорода и углерода, расположенных в структуре, содержащей одно кольцо (возможно, с боковыми цепями ), и все углерод-углеродные связи являются одинарными. Циклоалканы названы аналогично их нормальным алканам аналогам с тем же количеством углерода: циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т. Д. Циклоалканы большего размера, содержащие более 20 атомов углерода, обычно называют циклопарафинами.
Циклоалканы без боковых цепей подразделяются на небольшие (циклопропан и циклобутан), обычные (циклопентан, циклогексан и циклогептан ), средние (циклооктан - циклотридекан ) и большие (все остальные).
Помимо этого стандартного определения Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC), в использовании некоторыми авторами термин циклоалкан включает также те насыщенные углеводороды, которые являются полициклическими. В любом случае, общая форма химической формулы для циклоалканов - C nH2 (n + 1-r), где n - количество атомов углерода, а r - количество атомов углерода. кольца. Более простая форма при работе без фокусировки на кольцах - C nH2 (n).
Норборнан (также называемый бицикло [2.2.1] гептан) Обозначение полициклических алканов такие как бициклические алканы и спиро алканы, являются более сложными, с именем основания, указывающим количество атомов углерода в кольцевой системе, префиксом, указывающим количество колец (например, «бицикло- "), а перед ним числовой префикс, указывающий количество атомов углерода в каждой части каждого кольца, не считая соединений. Например, бициклооктан, состоящий из шестичленного кольца и четырехчленного кольца, которые имеют два соседних атома углерода, образующих общий край, представляет собой [4.2.0] -бициклооктан. Эта часть шестичленного кольца без общего края имеет 4 атома углерода. Эта часть четырехчленного кольца, не считая общего края, имеет 2 атома углерода. Само ребро, за исключением двух определяющих его вершин, имеет 0 атомов углерода.
Существует более одного соглашения (метода или номенклатуры) для наименования соединений, которое может сбивать с толку тех, кто только учится, и неудобно для тех, кто хорошо отрепетировал старые способы. Новичкам лучше изучать номенклатуру IUPAC из актуального источника, потому что эта система постоянно пересматривается. В приведенном выше примере [4.2.0] -бициклооктан будет записан как бицикло [4.2.0] октан, чтобы соответствовать соглашениям об именовании IUPAC. Затем в нем есть место для дополнительного числового префикса, если есть необходимость включить подробности других присоединений к молекуле, таких как хлор или метильная группа. Другое соглашение для наименования соединений - это общее название, которое является более коротким названием и дает меньше информации о соединении. Пример общего названия - терпинеол, название которого может сказать нам только, что это алкоголь (потому что в названии есть суффикс «-ol»), и тогда он должен иметь к нему присоединена гидрокси (–ОН) группа.
Пример метода IUPAC приведен на соседнем изображении. В этом примере имя основания указано первым, что указывает общее количество атомов углерода в обоих кольцах, включая атомы углерода, составляющие общую границу (например, «гептан», что означает «гепта-» или 7 атомов углерода, и «-ан», что указывает на единственную связь между атомами углерода). Затем перед базовым именем стоит числовой префикс, в котором указывается количество атомов углерода в каждом кольце, исключая атомы углерода, общие для каждого кольца, плюс количество атомов углерода на мосту между кольцами. В этом случае есть два кольца с двумя атомами углерода каждое и один мостик с одним углеродом, исключая атомы углерода, общие для него и двух других колец. Всего существует три числа, и они перечислены в порядке убывания, разделенные точками, таким образом: [2.2.1].
Перед числовым префиксом стоит другой префикс, указывающий количество звонков (например, «бицикло-»). Таким образом, название - бицикло [2.2.1] гептан.
Группа циклоалканов также известна как нафтены .
| Алкан | Формула | Температура кипения [° C] | Температура плавления [° C] | Плотность жидкости [г · см] (при 20 ° C ) |
| Циклопропан | C3H6 | -33 | -128 | |
| Циклобутан | C4H8 | 12,5 | -91 | 0,720 |
| Циклопентан | C5H10 | 49,2 | -93,9 | 0,751 |
| Циклогексан | C6H12 | 80,7 | 6,5 | 0,778 |
| Циклогептан | C7H14 | 118,4 | -12 | 0,811 |
| Циклооктан | C8H16 | 149 | 14,6 | 0,834 |
| Циклононан | C9H18 | 69 | 10-11 | 0,8534 |
| Циклодекан | C10H20 | 201 | 9-10 | 0,871 |
Циклоалканы похожи на алканы по своим общим физическим свойствам, но у них более высокие точки кипения, точки плавления и плотности, чем у алканов. к более сильным силам Лондона, потому что форма кольца допускает большую площадь контакта.Содержание только связей C – C и C – H, инертность циклоалканов практически отсутствует кольцевой штамм (см. ниже) сравнимы с нециклическими алканами.
В циклоалканах атомы углерода sp гибридизованы, что означает идеальный тетраэдрический валентный угол 109 ° 28 ' когда возможно. В силу очевидных геометрических причин кольца с 3, 4 и (в очень незначительной степени) также с 5 атомами могут иметь только более узкие углы; последующее отклонение от идеальных тетраэдрических валентных углов вызывает увеличение потенциальной энергии и общий дестабилизирующий эффект. Затмение атомов водорода также является важным дестабилизирующим эффектом. энергия деформации циклоалкана представляет собой теоретическое увеличение энергии, вызванное геометрией соединения, и рассчитывается путем сравнения экспериментального стандартного изменения энтальпии горения циклоалкана со значением, рассчитанным с использованием. Конформации циклоалканов, их различный вклад в штамм также в отношении скоростей реакции и методы их характеристики кратко обсуждаются в разделе Википедии Конформационная изомерия. Расчеты молекулярной механики хорошо подходят для выявления многих конформаций, встречающихся, в частности, в средних кольцах.
Напряжение кольца является самым высоким для циклопропана, в котором атомы углерода образуют треугольник и, следовательно, имеют температуру 60 ° C Валентные углы –C – C. Также есть три пары затменных атомов водорода. Расчетная деформация кольца составляет около 120 кДж моль.
Циклобутан имеет атомы углерода в сморщенном квадрате с валентными углами примерно 90 °; «сморщивание» уменьшает затмевающие взаимодействия между атомами водорода. Его кольцевая деформация поэтому немного меньше, около 110 кДж моль.
Для теоретического плоского циклопентана валентные углы C – C – C будут 108 °, что очень близко к величине тетраэдрического угла. Фактические молекулы циклопентана сморщиваются, но это немного меняет только валентные углы, так что угловая деформация относительно мала. Затменные взаимодействия также уменьшаются, оставляя кольцевую деформацию около 25 кДж моль.
В циклогексане деформация кольца и затмевающие взаимодействия незначительны, поскольку сморщивание кольца позволяет достичь идеальных тетраэдрических валентных углов. Кроме того, в наиболее стабильной форме кресла циклогексана аксиальные атомы водорода на соседних атомах углерода направлены в противоположных направлениях, что практически устраняет затменную деформацию.
После циклогексана молекулы не могут принять структуру без кольцевой деформации, что приводит к увеличению энергии деформации, которая достигает максимума при 9 атомах углерода (около 50 кДж моль). После этого энергия деформации медленно уменьшается до 12 атомов углерода, где она значительно падает; при 14 происходит еще одно значительное падение, и деформация находится на уровне, сопоставимом с 10 кДж моль. После 14 атомов углерода источники расходятся во мнениях относительно того, что происходит с деформацией кольца, некоторые указывают, что она неуклонно увеличивается, другие говорят, что она полностью исчезает. Однако деформация межмолекулярного угла и затменная деформация являются проблемой только для меньших колец.
Кольцевая деформация может быть значительно выше в бициклических системах. Например, бициклобутан, C 4H6, известен как одно из наиболее напряженных соединений, которые можно выделить в больших количествах; его энергия деформации оценивается в 267 кДж моль.
Простые и более крупные циклоалканы очень стабильны, как алканы, и их реакции, например, радикально-цепные реакции подобны алканам.
Небольшие циклоалканы, в частности циклопропан, имеют более низкую стабильность из-за штамма Байера и кольцевого штамма. Они реагируют аналогично алкенам, хотя они не реагируют в электрофильном присоединении, а в нуклеофильном алифатическом замещении. Эти реакции представляют собой реакции раскрытия цикла или реакции разрыва цикла алкилциклоалканов. Циклоалканы могут быть образованы в реакции Дильса – Альдера с последующим каталитическим гидрированием. Средние кольца показывают более высокие скорости, например, в реакциях нуклеофильного замещения, но меньшие скорости при восстановлении кетона. Это происходит из-за преобразования из состояний sp3 в состояния sp2 или наоборот, а также из-за предпочтения состояния sp2 в средних кольцах, где некоторые из неблагоприятных деформаций кручения в насыщенных кольцах снимаются. Молекулярно-механические расчеты разницы энергий деформации SI между состояниями sp2 и sp3 показывают линейные корреляции со скоростями (как logk) многих окислительно-восстановительных реакций или реакций замещения.
