Циклогексан и бензол
Переключай кнопки: сравни циклогексан C₆H₁₂ и бензол C₆H₆, который получается из него при отщеплении водорода.
Учебная модель: скелетная формула — вершины многоугольника обозначают атомы углерода, атомы водорода у них не подписаны. Кольцо циклогексана изображено плоским условно.
Строение и общая формула
Атомы углерода соединяются не только в линейные и разветвлённые цепи, но и в циклы — кольца. Одним из первых эту мысль высказал немецкий химик Август Кекуле (1829–1896).
Простейшие циклы — циклопропан, циклобутан, циклопентан и циклогексан. В каждой вершине кольца — группа CH₂. Часто рисуют скелетные формулы: многоугольник, каждая вершина которого — атом углерода с атомами водорода.
Чтобы замкнуть цепь в кольцо, от молекулы алкана отщепляют два атома водорода: из гексана C₆H₁₄ получается циклогексан C₆H₁₂. Общая формула алканов CₙH₂ₙ₊₂, а у циклоалканов на два атома H меньше — CₙH₂ₙ.
Циклоалканы — органические соединения состава CₙH₂ₙ, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода, связанных между собой одинарными ковалентными связями. К циклу могут быть присоединены заместители: метилциклопропан, метилциклогексан, 1,3-диметилциклопентан.
Циклопропан C₃H₆
цикл из 3 атомов C, tкип = −33 °C
Циклобутан C₄H₈
цикл из 4 атомов C, tкип = 13 °C
Циклопентан C₅H₁₀
цикл из 5 атомов C, tкип = 49 °C
Циклогексан C₆H₁₂
цикл из 6 атомов C, tкип = 81 °C
Циклоалканы — углеводороды состава CₙH₂ₙ с циклом из атомов углерода, связанных одинарными связями. В них на два атома водорода меньше, чем в алкане с тем же числом атомов углерода.
Изомерия циклоалканов
Изомерные циклоалканы могут различаться: числом атомов углерода в цикле (метилциклопентан и циклогексан); числом и строением заместителей (этилциклобутан и 1,2-диметилциклобутан); положением заместителей в цикле (1,1-диметилциклобутан и 1,3-диметилциклобутан).
Поэтому изомеров у циклоалканов больше, чем у алканов. Алканов C₅H₁₂ три: н-пентан, 2-метилбутан и диметилпропан. Посчитаем циклоалканы C₅H₁₀. Пять атомов C дают пятичленный цикл. Четыре атома C могут образовать цикл, а пятый — метильную группу. Цикл из трёх атомов C несёт две метильные группы (у одного атома или у соседних) либо одну этильную. Всего изомеров пять.
| Цикл | Заместители | Название |
|---|---|---|
| 5 атомов C | нет | циклопентан |
| 4 атома C | одна группа CH₃ | метилциклобутан |
| 3 атома C | две группы CH₃ у одного атома C | 1,1-диметилциклопропан |
| 3 атома C | две группы CH₃ у соседних атомов C | 1,2-диметилциклопропан |
| 3 атома C | одна группа C₂H₅ | этилциклопропан |
Изомеры циклоалканов различаются числом атомов углерода в цикле, числом и строением заместителей и их положением. Циклоалканов C₅H₁₀ пять, а алканов C₅H₁₂ — только три.
Циклогексан C₆H₁₂: форма «кресло»
Шаростержневая модель: тёмные шары — атомы углерода, светлые — водорода. Атомы углерода не лежат в одной плоскости, а у каждого из них по два атома водорода.
Benjah-bmm27 · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Август Кекуле (1829–1896)
Немецкий химик. Одним из первых предположил, что атомы углерода могут замыкаться в кольцо, когда разгадывал строение молекулы бензола.
Неизвестный автор · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Как назвать циклоалкан
Названия строят по тем же правилам, что и у алканов. Только главной цепью служит цикл, а не самая длинная цепь.
На класс циклоалканов указывают приставка цикло- и суффикс -ан: циклопропан, циклогексан. Атомы цикла нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
Например, изомеры состава C₈H₁₆: 1,2-диметилциклогексан, 1,3-диметилциклогексан и этилциклогексан.
Цикл
считаем атомы углерода в кольце: шесть → «циклогексан»
Нумерация
начинаем с атома с заместителем и идём к ближайшему другому: номера 1 и 3, а не 1 и 5
Заместители
номера и названия ставим перед корнем: 1,3-диметил-
Название
1,3-диметилциклогексан
Главная цепь в названии циклоалкана — цикл: приставка цикло- и суффикс -ан. Атомы цикла нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
Свойства и применение
По физическим свойствам циклоалканы похожи на алканы. При комнатной температуре циклопропан и циклобутан — газы, циклоалканы от C₅H₁₀ до C₁₀H₂₀ — бесцветные жидкости со специфическим запахом, высшие циклоалканы — твёрдые вещества. В воде они практически нерастворимы.
Химические свойства зависят от размера цикла. Для циклопропана и циклобутана характерны реакции присоединения. Циклопентан и циклогексан близки к алканам: не реагируют с кислотами и щелочами, а с галогенами вступают в реакции замещения. На примере циклогексана — три реакции.
Циклоалканы входят в состав нефти, поэтому их называют ещё нафтенами. Из циклогексана получают капролактам — исходное вещество для синтеза капрона. В Беларуси это делают на ОАО «Гродно Азот». Циклопропан применяли в медицине как обезболивающее средство для наркоза.
Галогенирование (hν)
C₆H₁₂ + Cl₂ → C₆H₁₁Cl + HCl — получается хлорциклогексан
Дегидрирование (Ni, t)
C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂ — получается бензол
Горение
C₆H₁₂ + 9O₂ → 6CO₂ + 6H₂O
Применение
нефть (нафтены); циклогексан → капролактам → капрон
Циклопентан и циклогексан, подобно алканам, при облучении вступают в реакцию замещения с хлором и бромом. Циклоалканы входят в состав нефти, из циклогексана получают капролактам.
Состав циклоалкана по названию
По названию циклоалкана сосчитайте атомы углерода и выберите его молекулярную формулу.
Разберите ситуацию
Найдите изомеры среди веществ: этилциклопропан, 1,1-диметилциклобутан, циклогексан, 1-метил-2-этилциклопропан, циклопентан.
Сверить рассуждение
Считаем атомы углерода. Этилциклопропан (3 + 2) и циклопентан (5) имеют формулу C₅H₁₀ — это изомеры. 1,1-Диметилциклобутан (4 + 2), циклогексан (6) и 1-метил-2-этилциклопропан (3 + 1 + 2) имеют формулу C₆H₁₂ — это вторая группа изомеров.
Вычислите массовую долю углерода в циклопропане и в циклопентане. Можно ли по массовым долям элементов установить молекулярную формулу циклоалкана?
Сверить рассуждение
w(C) в C₃H₆ = 36 / 42 = 0,857, или 85,7 %; в C₅H₁₀ = 60 / 70 = 85,7 %. Доли одинаковые, потому что у всех циклоалканов CₙH₂ₙ простейшая формула CH₂. Значит, по одним массовым долям формулу циклоалкана не установить — нужна ещё молярная масса.
На полное сжигание одного объёма паров циклоалкана расходуется шесть объёмов кислорода. Установите его молекулярную формулу.
Сверить рассуждение
CₙH₂ₙ + 1,5n O₂ → nCO₂ + nH₂O. Для газов отношение объёмов равно отношению количеств, поэтому 1,5n = 6, n = 4. Формула C₄H₈ — это циклобутан или метилциклопропан.