Общая формула, гомологический ряд и строение

В молекулах циклоалканов (циклопарафинов, нафтенов) атомы углерода замкнуты в кольцо, все связи одинарные. При замыкании цикла цепь теряет два атома водорода, поэтому общая формула $\mathrm{C_nH_{2n}}$ ( $n \ge 3$ ).

Гомологический ряд: циклопропан $\mathrm{C_3H_6}$ , циклобутан $\mathrm{C_4H_8}$ , циклопентан $\mathrm{C_5H_{10}}$ , циклогексан $\mathrm{C_6H_{12}}$ . Каждый следующий член отличается от предыдущего на группу $\mathrm{CH_2}$ .

Атомы углерода в цикле находятся в состоянии $sp^3$ -гибридизации. В циклопропане угол C–C–C равен $60^\circ$ , в циклобутане около $90^\circ$ . Это сильно отличается от нормального угла $109^\circ28'$ : цикл напряжён и легко разрывается. Циклы циклопентана и циклогексана практически не напряжены. Циклогексан не плоский, он существует в формах «кресло» и «ванна», поэтому его углы остаются равными $109^\circ28'$ .

Изомерия и номенклатура

При составлении названия главной цепью считают цикл: к названию алкана с тем же числом атомов углерода добавляют приставку «цикло-». Если есть заместители, атомы цикла нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера. Например, $\mathrm{C_6H_{11}{-}CH_3}$ с одной метильной группой в цикле называют метилциклогексаном (положение единственного заместителя номером не обозначают), а при двух метильных группах у соседних атомов углерода вещество называют 1,2-диметилциклогексаном.

Виды изомерии циклоалканов:

по размеру цикла: циклобутан и метилциклопропан;
по положению заместителей: 1,1-диметилциклопропан и 1,2-диметилциклопропан;
межклассовая: циклоалканы изомерны алкенам с тем же числом атомов углерода, например циклобутан и бутен-1 ( $\mathrm{C_4H_8}$ );
геометрическая (цис-транс): в 1,2-диметилциклопропане две метильные группы могут находиться по одну сторону плоскости цикла (цис) или по разные стороны (транс).

Получение и физические свойства

В нефти, особенно в бакинской, много производных циклопентана и циклогексана (нафтенов); их выделяют при переработке нефти. Лабораторные и промышленные способы:

действие цинка или натрия на дигалогеналканы (цикл замыкается): $\mathrm{CH_2Br{-}CH_2{-}CH_2Br} + \mathrm{Zn} \xrightarrow{t} \mathrm{C_3H_6} + \mathrm{ZnBr_2}$ ;
гидрирование бензола: $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{3H_2} \xrightarrow{\mathrm{Ni},\ t} \mathrm{C_6H_{12}}$ .

Циклопропан и циклобутан при обычных условиях газы, начиная с циклопентана — жидкости, высшие циклоалканы — твёрдые вещества. Они легче воды, в воде не растворяются, в органических растворителях растворяются хорошо. Температуры кипения немного выше, чем у алканов с тем же числом атомов углерода.

Химические свойства и применение

Все циклоалканы горят, при этом $\mathrm{CO_2}$ и вода образуются в равных количествах вещества: $\mathrm{C_6H_{12}} + \mathrm{9O_2} \rightarrow \mathrm{6CO_2} + \mathrm{6H_2O}$ .

Малые циклы (C₃, C₄), как и алкены, вступают в реакции присоединения с разрывом цикла:

$\mathrm{C_3H_6} + \mathrm{H_2} \xrightarrow{\mathrm{Ni},\ t} \mathrm{C_3H_8}$ (пропан);
$\mathrm{C_3H_6} + \mathrm{Br_2} \rightarrow \mathrm{CH_2Br{-}CH_2{-}CH_2Br}$ (1,3-дибромпропан);
$\mathrm{C_3H_6} + \mathrm{HBr} \rightarrow \mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2Br}$ (1-бромпропан).

При гидрировании циклобутана образуется бутан, но для этого нужна более высокая температура.

Циклопентан и циклогексан, как алканы, вступают в реакции замещения: $\mathrm{C_6H_{12}} + \mathrm{Cl_2} \xrightarrow{h\nu} \mathrm{C_6H_{11}Cl} + \mathrm{HCl}$ (хлорциклогексан). При дегидрировании циклогексана получается бензол: $\mathrm{C_6H_{12}} \xrightarrow{\mathrm{Pt},\ t} \mathrm{C_6H_6} + \mathrm{3H_2}$ .

При обычных условиях циклоалканы не обесцвечивают раствор $\mathrm{KMnO_4}$ ; так их отличают от изомерных алкенов.

Применение: из циклогексана получают бензол, адипиновую кислоту и капролактам для волокна капрон; циклоалканы используют как растворители.

Запомните

Общая формула $\mathrm{C_nH_{2n}}$ ( $n \ge 3$ ); атомы углерода цикла находятся в $sp^3$ -гибридизации.
Циклоалканы — межклассовые изомеры алкенов с тем же числом атомов углерода.
Циклы C₃ и C₄ напряжены: при присоединении $\mathrm{H_2}$ , $\mathrm{Br_2}$ , $\mathrm{HBr}$ цикл разрывается; циклопропан + бром → 1,3-дибромпропан.
Циклы C₅ и C₆ устойчивы: вступают в замещение, циклогексан при дегидрировании даёт бензол.
При горении $n(\mathrm{CO_2}) = n(\mathrm{H_2O})$ ; циклоалканы не обесцвечивают раствор $\mathrm{KMnO_4}$ .

Разобранные примеры

Пример 1
При полном сгорании 0,1 моль циклоалкана получили 13,44 л (н. у.) углекислого газа. Определите молекулярную формулу циклоалкана и вычислите объём (н. у.) израсходованного кислорода.
Решение
1. $n(\mathrm{CO_2}) = \frac{13{,}44}{22{,}4} = 0{,}6$ моль.
2. При сгорании 1 моль $\mathrm{C_nH_{2n}}$ образуется $n$ моль $\mathrm{CO_2}$ : $n = \frac{0{,}6}{0{,}1} = 6$ . Формула $\mathrm{C_6H_{12}}$ .
3. Уравнение: $\mathrm{C_6H_{12}} + \mathrm{9O_2} \rightarrow \mathrm{6CO_2} + \mathrm{6H_2O}$ .
4. $n(\mathrm{O_2}) = 0{,}1 \cdot 9 = 0{,}9$ моль, $V(\mathrm{O_2}) = 0{,}9 \cdot 22{,}4 = 20{,}16$ л.
Ответ: $\mathrm{C_6H_{12}}$ (например, циклогексан или метилциклопентан), 20,16 л кислорода.
Пример 2
Сколько существует циклоалканов (структурных изомеров) состава $\mathrm{C_5H_{10}}$ ? Назовите их.
Решение
Уменьшаем размер цикла и размещаем оставшиеся атомы углерода в заместителях:
1. Пятичленный цикл: циклопентан.
2. Четырёхчленный цикл + одна группа $\mathrm{CH_3}$ : метилциклобутан.
3. Трёхчленный цикл + два атома углерода в одном заместителе: этилциклопропан.
4. Трёхчленный цикл + две группы $\mathrm{CH_3}$ у одного атома: 1,1-диметилциклопропан.
5. Трёхчленный цикл + две группы $\mathrm{CH_3}$ у соседних атомов: 1,2-диметилциклопропан.
Ответ: 5 структурных изомеров. Если учесть цис- и транс-формы 1,2-диметилциклопропана, получится 6 изомеров.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Выберите вещество, которое является межклассовым изомером бутена-1.
1. бутан
2. циклопропан
3. бутадиен-1,3
4. циклобутан
5. метилциклопентан
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D циклобутан
Формула бутена-1 $\mathrm{C_4H_8}$ . Циклобутан тоже имеет формулу $\mathrm{C_4H_8}$ , но относится к другому классу (циклоалканам). Бутан — $\mathrm{C_4H_{10}}$ , циклопропан — $\mathrm{C_3H_6}$ , бутадиен-1,3 — $\mathrm{C_4H_6}$ , метилциклопентан — $\mathrm{C_6H_{12}}$ .
Какое вещество образуется при взаимодействии циклопропана с бромом?
1. 1,2-дибромпропан
2. 1,3-дибромпропан
3. бромциклопропан
4. 2,2-дибромпропан
5. 1-бромпропан
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B 1,3-дибромпропан
Напряжённый трёхчленный цикл разрывается, и атомы брома присоединяются к концам образовавшейся цепи: $\mathrm{C_3H_6} + \mathrm{Br_2} \rightarrow \mathrm{CH_2Br{-}CH_2{-}CH_2Br}$ . 1-бромпропан получается при реакции не с бромом, а с $\mathrm{HBr}$ .
Какой объём (н. у.) водорода нужен для полного гидрирования 8,4 г циклопропана?
1. 2,24 л
2. 3,36 л
3. 4,48 л
4. 6,72 л
5. 8,96 л
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C 4,48 л
$M(\mathrm{C_3H_6}) = 42$ г/моль, $n = \frac{8{,}4}{42} = 0{,}2$ моль. По уравнению $\mathrm{C_3H_6} + \mathrm{H_2} \rightarrow \mathrm{C_3H_8}$ $n(\mathrm{H_2}) = 0{,}2$ моль, $V = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48$ л.

Типичные ошибки

Считать алкеном любое вещество с формулой $\mathrm{C_nH_{2n}}$ . Эта формула подходит и алкенам, и циклоалканам; то, что вещество не обесцвечивает раствор $\mathrm{KMnO_4}$ , указывает на циклоалкан.
Думать, что все циклоалканы легко вступают в реакции присоединения. Цикл разрывается только у циклопропана и циклобутана, а циклопентан и циклогексан вступают в замещение.
Записывать продуктом бромирования циклопропана 1,2-дибромпропан. При раскрытии цикла атомы брома присоединяются к концам цепи, образуется 1,3-дибромпропан.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото