Повышенный уровень

§ 10. Циклоалканы

Цепочка атомов углерода может замкнуться в кольцо. Так получаются циклоалканы. Они есть в нефти, а из циклогексана на ОАО «Гродно Азот» делают сырьё для капрона.

Повышенный уровеньОбучающая модель4 смысловых раздела10 вопросов
Главный вопрос

Чем углеводород-кольцо отличается от цепочки алкана с тем же числом атомов углерода — составом, изомерами, свойствами?

Исследуем вместе

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.

01

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.

02

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.

ЦиклЗаместителиНазвание
5 атомов Cнетциклопентан
4 атома Cодна группа CH₃метилциклобутан
3 атома Cдве группы CH₃ у одного атома C1,1-диметилциклопропан
3 атома Cдве группы CH₃ у соседних атомов C1,2-диметилциклопропан
3 атома Cодна группа C₂H₅этилциклопропан

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.

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.

03

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.

04

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.

Тренажёр

Состав циклоалкана по названию

По названию циклоалкана сосчитайте атомы углерода и выберите его молекулярную формулу.

Думаем как химики

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.

Соберём главное

Шесть выводов

01Циклоалканы — 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.
02Изомеры циклоалканов различаются числом атомов углерода в цикле, числом и строением заместителей и их положением. Циклоалканов C₅H₁₀ пять, а алканов C₅H₁₂ — только три.
03Главная цепь в названии циклоалкана — цикл: приставка цикло- и суффикс -ан. Атомы цикла нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
04Циклопентан и циклогексан, подобно алканам, при облучении вступают в реакцию замещения с хлором и бромом. Циклоалканы входят в состав нефти, из циклогексана получают капролактам.
05Физические свойства циклоалканов подобны свойствам алканов: циклопропан и циклобутан — газы, от C₅H₁₀ до C₁₀H₂₀ — жидкости, в воде они практически нерастворимы.
06Малые циклы — циклопропан и циклобутан — вступают в реакции присоединения, а циклопентан и циклогексан по свойствам близки к алканам.
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 1 балл за ответ · максимум 10
1. Общая формула циклоалканов…
2. Сколько атомов водорода в молекуле циклопентана?
3. Какой из циклоалканов при комнатной температуре — газ?
4. Сколько существует изомерных циклоалканов состава C₅H₁₀?
5. Этилциклобутан и 1,2-диметилциклобутан — изомеры, которые различаются…
6. Две группы CH₃ стоят у первого и третьего атомов шестичленного цикла. Название вещества…
7. С хлором при облучении циклогексан вступает в реакцию…
8. При пропускании паров циклогексана над нагретым никелевым катализатором образуются…
9. Коэффициент перед O₂ в уравнении горения циклогексана…
10. Из циклогексана на ОАО «Гродно Азот» получают…

↑

Загрузка прогресса…

↑