Циклоалканы

Циклоалканы — предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода замкнуты в цикл. Общая формула \(\ce{C_nH_{2n}}\) — та же, что у алкенов, поэтому циклоалканы и алкены — межклассовые изомеры: составу \(\ce{C4H8}\) отвечают бутен-1, бутен-2, 2-метилпропен, циклобутан и метилциклопропан. Названия образуют приставкой цикло- к названию алкана с тем же числом атомов углерода: циклопропан \(\ce{C3H6}\), циклобутан \(\ce{C4H8}\), циклопентан \(\ce{C5H10}\), циклогексан \(\ce{C6H12}\).

Малые и обычные циклы

Атомы углерода в циклоалканах находятся в состоянии \(sp^3\), и устойчивый угол между связями для них — 109°28′. В трёхчленном цикле угол равен 60°, в четырёхчленном — около 90°. Связи в таких циклах напряжены и легко рвутся, поэтому малые циклы (циклопропан и циклобутан) вступают в реакции присоединения с раскрытием цикла, как алкены. Циклопентан и циклогексан почти не напряжены (циклогексан принимает неплоскую форму кресла с нормальными углами) и ведут себя как алканы.

Реакции циклопропана и циклобутана

Циклопропан присоединяет водород, галогены и галогеноводороды. Цикл раскрывается, и концевые атомы бывшего цикла получают по атому или группе:

\[ \ce{C3H6 + H2 ->[Ni, t^\circ] CH3-CH2-CH3} \quad (\text{из циклопропана — пропан}) \]

\[ \ce{C3H6 + Br2 -> Br-CH2-CH2-CH2-Br} \quad (\text{1,3-дибромпропан}) \]

\[ \ce{C3H6 + HBr -> CH3-CH2-CH2-Br} \quad (\text{1-бромпропан}) \]

Циклопропан обесцвечивает бромную воду, хотя двойных связей в нём нет. Циклобутан напряжён меньше и присоединяет только водород при нагревании: \(\ce{C4H8 + H2 ->[Ni, t^\circ] CH3-CH2-CH2-CH3}\).

Реакции циклопентана и циклогексана

Для обычных циклов характерно радикальное замещение на свету — как у алканов: \(\ce{C6H12 + Cl2 ->[h\nu] C6H11Cl + HCl}\) (хлорциклогексан). При нагревании с платиной или палладием циклогексан отщепляет водород и превращается в бензол; метилциклогексан — в толуол:

\[ \ce{C6H12 ->[Pt, t^\circ] C6H6 + 3H2}; \qquad \ce{C6H11-CH3 ->[Pt, t^\circ] C6H5-CH3 + 3H2} \]

Циклоалканы горят: \(\ce{C6H12 + 9O2 -> 6CO2 + 6H2O}\). Раствор перманганата калия они не обесцвечивают.

Получение

Циклогексан получают гидрированием бензола: \(\ce{C6H6 + 3H2 ->[Ni, t^\circ, p] C6H12}\). Малые циклы получают из дигалогеналканов, у которых атомы галогена стоят на концах цепи: цинк или натрий отнимает оба атома галогена, и концы цепи соединяются.

\[ \ce{Br-CH2-CH2-CH2-Br + Zn ->[t^\circ] C3H6 + ZnBr2} \quad (\text{циклопропан}) \]

Из 1,4-дибромбутана так же получается циклобутан, из 1,5-дибромпентана — циклопентан. Если атомы галогена стоят у соседних атомов углерода (1,2-дибромпропан), цинк даёт не цикл, а алкен: \(\ce{CH2Br-CHBr-CH3 + Zn -> CH2=CH-CH3 + ZnBr2}\).