Ціклопарафіни Склад будова ізомерія

Реферат

«Ціклопарафіни. Склад, будова, ізомерія »

Циклоалкани (Ціклопарафіни)

Циклоалкани - це ненасичені вуглеводні, в молекулах яких є замкнуте кільце з вуглецевих атомів.

На відміну від граничних вуглеводнів, що характеризуються наявністю відкритих вуглецевих ланцюгів, існують вуглеводні з замкнутими ланцюгами (циклами). За своїми властивостями вони нагадують звичайні граничні вуглеводні алкани (парафіни), звідси і відбулася їх назва - Циклоалкани (ціклопарафіни).

Загальна формула гомологічного ряду циклоалканов C _n H _2n, тобто Циклоалкани ізомерних етиленових вуглеводнів. Представниками цього ряду сполук є циклопропан, ціклобутан, циклопентан, циклогексан.

За своєю будовою молекули органіческогіх сполук розрізняють на з'єднання з відкритим ланцюгом та циклічні. Цикли можуть бути побудовані або тільки з атомів вуглецю (карбоцікли), або можуть включати в себе атоми інших елементів (гетероцикли). У свою чергу, циклічні сполуки бувають граничними, неграничними і ароматичними.

Молекули циклоалканов мають скелет, побудований у вигляді циклу з тільки sp ^{3-гібридних} атомів вуглецю. Для утворення назви циклоалканов необхідно до назви відповідного граничного вуглеводню додати приставку «цикло». Так, найменший з можливих циклоалканов - циклопропан, за ним слід ціклобутан, потім циклопентан і т.д.

Положення заступників вказують, нумеруючи атоми циклу, причому атому з найбільш старшим заступником присвоюється номер 1. У дизаміщених циклоалканами заступники можуть розташовуватися по один (цис-) або по різні сторони площини кільця (транс-).

Молекули циклоалканов можуть складатися з двох і більше циклів. Біциклічні вуглеводні слід розрізняти за способом з'єднання (аннелірованія) циклів. Якщо два цикли мають лише одну спільну атом вуглецю, сполуки називають спіроциклічеськие. Назви таких біциклів утворюють, додаючи префікс «спіро» до назви відповідного гомолога алкана. Після приставки в квадратних дужках вказують дві цифри, що позначають число атомів вуглецю, розташованих по кожну сторону від вузлового С-атома. Нумерацію атомів починають з меншого циклу, останнім номером позначають вузловий атом.

В іншому способі аннелірованія цикли мають два спільних атома вуглецю. Це - так звані мостіковие Циклоалкани. Назви таких сполук починається з вказівки кількості циклів приставками бицикло-, трицикл-, потім вказуються три цифри, що позначають число вуглецевих атомів кожного містка, пов'язаного з вузловими атомами. Наприкінці пишеться назва відповідного алкана. Нумерують атоми, починаючи з одного вузлового і пересуваючись по більшому (головному) циклу до іншого вузловому С-атому. Іноді вказують додаткові координати містка.

Отримання

1. Циклоалкани містяться в значних кількостях в нафтах деяких родовищ (звідси відбулося одне з їхніх назв - нафтени). При переробці нафти виділяють головним чином Циклоалкани З ₅ Н ₁₀ - С ₇ Н ₁₄

2. Дія активних металів на дігалогензамещенние алкани (реакція Вюрца) призводить до утворення різних циклоалканов:

(Замість металевого натрію використовується також порошкоподібний цинк).

Будова утворюється Циклоалкани визначається структурою вихідного дігалогеналкана. Цим шляхом можна отримувати Циклоалкани заданого будови. Наприклад, для синтезу 1,3-діметілціклопентана слід використовувати 1,5-дігалоген - 2,4-діметілпентан:

Існують й інші методи отримання циклоалканов. Так, наприклад, циклогексан і його алкільні похідні отримують гідруванням бензолу і його гомологів, які є продуктами нафтопереробки.

Ізомерія

Для циклопарафинов, починаючи з C ₄ H _8, характерні деякі види структурної ізомерії, пов'язані:

a) з числом вуглецевих атомів у кільці - наприклад, (Етілціклопропан), (Метілціклобутан);

b) з числом вуглецевих атомів в заступниках - (1-метил-2-пропілціклопентан), (1,2-діетілціклопентан)

c) з положенням заступника в кільці - (1,1-діметілціклогексан), (1,2-діметілціклогексан)

Для циклоалканов характерна також міжкласових ізомерія з алкенами.

При наявності двох заступників в кільці у різних вуглецевих атомів можлива геометрична цис-транс-ізомерія, починаючи з C ₅ H _10, і оптична ізомерія. Оптична ізомерія виявляється в тому випадку, якщо молекула не має площині симетрії.

Цис-транс-ізомерія в циклічних сполуках

При наявності двох заступників в циклічних з'єднаннях також можлива цис-транс-ізомерія. Метильної групи в наведених прикладах можуть розташовуватися по один бік площини кільця (такий ізомер називається цис-ізомером) і по різні сторони (такий ізомер називається транс-ізомерів).

Природно, що при накладенні один на одного моделей цис-і транс-ізомерів вони не поєднуються. Взаємні ізомеризації вимагають розриву циклу з наступним його замиканням або розриву зв'язку заступника з вуглецевим атомом циклу і утворенням нової зв'язку з іншого боку циклу.

Слід зазначити, що в циклічних з'єднаннях можливе виникнення не тільки цис-транс-, але і дзеркальної ізомерії. При накладенні моделі молекули цис-ізомеру з однаковими заступниками та її дзеркального відображення вони поєднуються, тоді як таке неможливо для цис-ізомеру з різними заступниками. Для транс-ізомерів суміщення моделі молекули і її дзеркального відображення неможливо як при однакових, так і різняться заступниках.

Ціклобутан, циклопентан та їх конформації

Циклічні сполуки - це такі органічні сполуки, в яких вуглецеві атоми складають замкнуті ланцюги, тобто цикли. Найпростішими представниками таких сполук є ціклопарафіни або Циклоалкани.

Міцність зв'язків у циклічних сполуках залежить від числа атомів, що беруть участь в утворенні циклу. Вона визначається ступенем його напруженості, обумовленої зміною валентних кутів атомів циклу і відхиленням цих атомів від нормального напряму.

Для циклопропану меж'ядерние кути складають 60 º, як в рівносторонньому трикутнику, для ціклобутана - 90 º, як в квадраті, а в циклопентаном - 108 º, як в правильному п'ятикутнику. Нормальний валентний кут для атома вуглецю - 109,5 º. Тому при розташуванні в названих з'єднаннях всіх атомів вуглецю в одній площині зменшення валентних кутів складає в циклопропаном - 49,5 º, в ціклобутане - 19,5 º, в циклопентаном - 1,5 º .

Чим більше відхилення валентного кута від нормального, тим більш напружені і, отже, неміцні цикли. Однак на відміну від циклопропану ціклобутан і циклопентан мають неплоских цикли. Один з атомів вуглецю безперервно виходить з площини. Ціклобутан існує у вигляді неплоских «складених» конформацій. Циклопентан характеризується конформацією «конверт». Таким чином, обговорювані цикли перебувають в коливальному русі, що приводить до зменшення «заслоненная» атомів водню у сусідніх вуглецевих атомів і зниження напруги.

Циклогексан і його конформації

Для циклогексану, як правильного шестикутника, меж'ядерние кути становлять 120 º. Якби молекула циклогексану мала плоске будова, то відхилення від нормального валентного кута атома вуглецю становило: 1 09,5 º -1 20 º = 10,5 º.

Однак циклогексан і великі цикли мають неплоскою будову. У досліджуваній молекулі циклогексану зберігаються звичайні валентні кути за умови його існування в двох конформаціях «крісла» і «ванни». Конформація «крісла» менш напружена, тому циклогексан існує переважно у вигляді конформеров I і III, причому цикл зазнає безперервну інверсію (inversio - з латинської перевертання, перестановка) з проміжним утворенням конформера II:

вісь симетрії II III I

Дванадцять зв'язків C-H, які є у циклогексану в конформації «крісла», діляться на два типи. Шість зв'язків спрямовані радіально від кільця до периферії молекули і називаються екваторіальними зв'язками (e - зв'язку), інші шість зв'язків спрямовані паралельно один одному й осі симетрії і називаються аксіальними (a - зв'язку). Три аксіальні зв'язку спрямовані в одну сторону від площини циклу, а три - в іншу (мається чергування: вгору-вниз).

Властивості циклоалканов

Фізичні властивості циклоалканов закономірно змінюються з ростом їх молекулярної маси. Пpи нормального зношення умовах ціклопpопан і ціклобутан - гази, Циклоалкани З ₅ Н ₁₀ - С ₁₆ Н ₃₂ - рідини, починаючи з З ₁₇ Н _34, - тверді речовини. Температури кипіння циклоалканов вище, ніж у соответвуют алканів. Це пов'язано з більш щільною упаковкою і сильнішими міжмолекулярними взаємодіями циклічних структур.

Хімічні властивості циклоалканов сильно залежать від розміру циклу, що визначає його стійкість. Трьох-і четирехчленние цикли (малі цикли), будучи насиченими, проте, різко відрізняються від усіх інших граничних вуглеводнів. Валентні кути в циклопропаном і ціклобутане значно менше нормального тетраедричну кута 109  28 ', властивого sp ^{3-гібрідізованному} атому вуглецю.

Це призводить до великої напруженості таких циклів і їх прагненню до розкриття під дією реагентів. Тому циклопропан, ціклобутан та їх похідні вступають в реакції приєднання, проявляючи характер ненасичених сполук. Легкість реакцій приєднання зменшується зі зменшенням напруженості циклу в ряду:

циклопропан> ціклобутан>> циклопентан.

Найбільш стійкими є 6-членні цикли, в яких відсутні кутовий і інші види напруги.

Малі цикли (С ₃ Н ₆ - З ₄ Н ₈₎ досить легко вступають в реакції гідрування:

Циклопропан і його похідні приєднують галогени і галогеноводороди:

В інших циклах (починаючи з С ₅₎ кутове напруга знімається завдяки неплоским будовою молекул. Тому для циклоалканов (С ₅ і вище) унаслідок їх стійкості характерні реакції, в яких зберігається циклічна структура, тобто реакції заміщення.

Ці сполуки, подібно алканів, вступають також у реакції дегідрування, окислення в присутності каталізатора та ін

Настільки різке відмінність у властивостях циклоалканов в залежності від розмірів циклу приводить до необхідності розглядати не загальний гомологічний ряд циклоалканов, а окремі їх ряди за розмірами циклу. Наприклад, в гомологічний ряд циклопропану входять: циклопропан З ₃ Н _6, метілціклопропан З ₄ Н _8, етілціклопропан З ₅ Н ₁₀ і т.д.

Застосування

Найбільше практичне значення мають циклогексан, етілціклогексан. Циклогексан використовується для отримання циклогексанолу, циклогексанону, адипінової кислоти, капролактаму, а також як розчинник. Циклопропан використовується в медичній практиці як інгаляційного анестезуючого засобу.

Список використаної літератури

1. Хімія: Органічна хімія: Навчальне видання для 10 кл. середовищ. шк. - Москва, Просвещение, 1993

2. Глінка Н.Л. Загальна хімія. -25-е изд., Испр. - Л.: Хімія

3. Артеменко А.І. Органічна хімія: навч. для будує. спец. вузів. - М.: Вища школа, 2000.

4. Березін Б.Д., Березін Д.Б. Курс сучасної органічної хімії. Навчальний посібник для вузів. - М.: Вища школа, 1999.

5. ХІМІЯ. Довідник школяра, - М., 1995.

6. ХІМІЯ. Енциклопедія для дітей. АВАНТА, 2000.

7. Хомченко Г.П. Хімія для вступників до ВНЗ. - М., 1995 р.

8. «Органічна хімія»., Просвещение, 1991