Физические и химические свойства циклоалканов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Циклоалканы – органические вещества, атомы углерода в молекулах которых замкнуты в циклы.

Общая формула циклоалканов – C_nH₂_n

Атомы углерода в молекулах циклоалканов связаны между собой только σ – связями. Циклоалканы широко распространены в природе. Они входят в состав нефти, смоляных кислот, стероидных гормонов, простограндинов, терпенов, витаминов и т.д.

Существует несколько классификаций циклоалканов: по числу атомов углерода в цикле, по количеству циклов в молекуле, по способу соединения циклических составляющих и т.д.

Устойчивость циклоалканов связана с степенью напряжения энергетического состояния молекулы. Устойчивость циклоалканов тем ниже, чем меньше атомов углерода входит в состав цикла.

Для циклоалканов характерна изомерия углеродного скетлета, стерео- или цис-транс-изомерия, пространственная изомерия а также межклассовая изомерия с алкенами.

Химические свойства циклоалканов

Для малых циклоалканов (С₃-С₄) характерны реакции присоединения, протекающие по радикальному механизму, в результате чего может происходить даже разрыв цикла. К таким реакциям относят галогенирование, которое проводят под действием УФ-излучения и при нагревании. Температура нагрева влияет на характер продуктов реакции присоединения хлора, присоединение брома, вне зависимости от внешних факторов протекает с разрывом цикла:

C₃H₆ + Cl₂ → C₂H₅-Cl + HCl (t < 100 $^{\circ}$ C);

C₃H₆ + Cl₂ → Cl-CH₂-CH₂-CH₂-Cl + H₂↑ (t > 100 $^{\circ}$ C).

Для малых циклов характерны реакции гидрирования, в результате которых образуются алканы. Условием протекания реакции служит нагрев и присутствие катализатора – никеля или платины:

C₄H₈ + H₂ → CH₃-(CH₂)₂-CH₃.

Для циклоалканов среднего размера (С₅-С₆) характерны реакции замещения, протекающие по радикальному механизму, например, галогенирование. В этом случае получают моногалогенпроизводные циклоалканов. Однако, можно получить и полигалогенпроизводные циклоалканов:

C₅H₁₀ + Br₂ → C₅H₉-Br + HBr;

C₆H₁₂ + Br₂ → C₆H₁₁-Br + HBr;

C₆H₁₂ + 6Cl₂ → C₆H₆Cl₆ + 6HCl.

Окисление циклоалканов приводит к образованию двухосновных карбоновых кислот, циклических спиртов или циклических кетонов:

Для циклоалканов характерны реакции изомеризации:

С₃Н₅-СН₃ ↔ С₄Н₈;

С₃Н₅-СН₂ – OH ↔ C₄H₆ + H₂O (kat = H₂SO₄).

Реакция дегидрирования циклогексана и его производных – один из способов получения бензола и его гомологов (реакция протекает при нагревании и в присутствии катализатора – платины):

Физические свойства циклоалканов

Низшие циклоалканы (С₃-С₄) – газообразные вещества, средние (С₅-С₁₁) – жидкости, а высшие (> C₁₂) – твердые вещества. Циклоалканы практически нерастворимы в воде. С ростом молекулярной массы, температура плавления циклоалканов увеличивается.

Получение циклоалканов

Низшие циклоалканы получают путем их синтеза из дигалогенпроизводных алканов:

Средние циклоалканы получают следующим способом:

Br-(CH₂)₄-Br + 2LiHg = C₄H₈ + 2LiBr + Hg;

Br-(CH₂)₅-Br + 2LiHg = C₅H₁₀ + 2LiBr + Hg;

Циклоалканы с 5-ю и более атомами углерода можно получить пиролизом кальциевых или натриевых солей двухосновных карбоновых кислот (метод Ружичка). Циклогексан и его производные получают из нефти или по реакции гидрирования бензола и его гомологов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Относительная плотность паров циклоалкана по азоту равна 5. Определите формулу циклоалкана и назовите его.

Решение

Пусть формула циклоалкана С_хН_у. Рассчитаем молекулярную массу циклоалкана с использованием значения его относительной плотности паров по азоту:

M(C_xH_y) = D(N₂) ×M(N₂) = 5×28 = 140.

Формула циклоалканов в общем виде – C_nH₂_n, выведем формулу для вычисления молекулярной массы циклоалкана с использованием общей формулы:

M(C_nH₂_n) = 12n + 2n = 14n.

Приравняем полученные значения молекулярных масс:

14n = 140;

n = 10.

Следовательно, формула циклоалкана – С₁₀Н₂₀, это циклодекан.

Ответ

Формула циклоалкана – С₁₀Н₂₀, это циклодекан.

ПРИМЕР 2

Задание

1,875 г органического соединения при н.у. занимает объем, равный 1л. При сжигании 4,2 г этого вещества образуется 13,2 г углекислого газа и 5,4 г воды. Определите формулу органического соединения.

Решение

Количества вещества газообразного соединения можно определить с использованием следующих формул:

n = m/M;

n = V/V_m.

Приравняем правые части записанных выше формул и выразим молярную массу:

M = m×V_m/V.

Тогда молярная масса органического соединения будет равна:

M = 1,875×22,4/1 = 42 г/моль.

При сжигании органических веществ углерод преобразуется в углекислый газ, а водород – в воду. Составим пропорции:

C→CO₂ (1);

2H→H₂O (2).

Согласно 1 уравнению n(C):n(CO₂) = 1:1, следовательно n(C) = n(CO₂) = 5,4/18×2 = 0,3 моль. Масса углерода будет равна 3,6 г. Согласно 2 уравнению n(H):n(H₂O) = 2:1, следовательно n(H) = 2×n(H₂O) = 13,2/44 = 0,6 моль. Масса углерода будет равна 0,6 г. Проверим наличие кислорода в составе органического соединения:

m(O₂) = m – m(C) – m(H) = 4,2 – 3,6 – 0,6 = 0г.

Следовательно, в составе органического соединения нет кислорода. Составим пропорцию:

n(C):n(H) = 0,3:0,6 = 1:2.

Следовательно, формула СН₂. Молярная масса – 14 г/моль, однако, известно (см. вычисления выше), что истинная молярная масса вещества 42г/моль. Тогда:

M(C_xH_y)/M(CH₂) = 42/14 = 3.

Истинная формула углеводорода – С₃Н₆.