5. Алициклические углеводороды. Циклоалканы

1. Алициклические углеводороды

Алициклические углеводороды — органические соединения с замкнутой углеродной цепью (циклом), не обладающие ароматическими свойствами.

Основные виды:

• предельные — циклоалканы
• непредельные — циклоалкены, циклоалкины и др.

2. Циклоалканы

2.1 Общая характеристика

• Предельные циклические углеводороды
• Общая формула: CnH₂n
• Другие названия: нафтены, циклопарафины
• Широко распространены в нефти (до 50–70%)

2.2 Номенклатура

• К названию соответствующего алкана добавляется приставка цикло-
• Нумерация начинается с атома углерода, несущего заместитель
• Заместители получают наименьшие возможные номера

Примеры:

• циклогексан
• 1,4-диметилциклогексан

Радикалы циклоалканов называют с суффиксом –ил.

2.3 Классификация

По размеру цикла:

• малые циклы
• большие циклы

По числу колец:

• моноциклические
• бициклические
• спиро-соединения
• мостиковые соединения

3. Изомерия циклоалканов

3.1 Структурная изомерия

• изомерия размера цикла
• изомерия положения заместителей
• изомерия природы заместителей

3.2 Пространственная (геометрическая)

Цис-транс-изомерия

Возникает из-за фиксированного положения заместителей относительно плоскости кольца.

3.3 Оптическая изомерия

Возможна у асимметрично замещённых циклоалканов, не имеющих плоскости симметрии.

3.4 Конформационная изомерия

Циклы (кроме циклопропана) обычно неплоские, что приводит к образованию конформеров.

Примеры:

• циклобутан — складчатая форма
• циклогексан — формы «кресло» и «ванна»

4. Строение циклоалканов

• Углерод находится в состоянии sp³-гибридизации
• Валентный угол ≈ 109°28′
• Замкнутая цепь вызывает угловое напряжение

Теория Байера:

• Предполагала плоское строение циклов
• Устойчивость зависит от отклонения валентных углов от тетраэдрического значения

На практике:

• большинство циклов неплоские
• напряжение частично снимается
• наиболее устойчивы пяти- и шестичленные циклы

5. Физические свойства

Сходны со свойствами алканов:

• C₃–C₄ — газы
• C₅–C₁₆ — жидкости
• C₁₇ и выше — твёрдые вещества

Особенности:

• Температуры плавления и кипения выше, чем у соответствующих алканов
• Плохо растворимы в воде
• Хорошо растворимы в органических растворителях

6. Химические свойства

6.1 Малые циклы (циклопропан, циклобутан)

Характерны реакции присоединения (аналогично алкенам):

• галогенирование
• присоединение водорода (гидрогенолиз) → образование алканов
• присоединение галогеноводородов (для циклопропана)

6.2 Большие циклы (циклопентан, циклогексан)

Основные реакции:

• радикальное галогенирование
• гидрирование (затруднено)
• дегидрирование → образование ароматических соединений
• окисление
• горение

Пример:

7. Получение циклоалканов

Основные способы:

1. Выделение из нефти (циклопентан, циклогексан)
2. Гидрирование ароматических углеводородов
3. Замыкание цепи дигалогеналканов (реакция с Zn, Mg, Na)
4. Дегидроциклизация алканов (каталитический риформинг)

8. Применение

• Компоненты нефтепродуктов
• Сырьё органического синтеза
• Получение ароматических соединений
• Синтез циклических соединений (например, в реакции Дильса — Альдера)