МХ-22 (ХТІ) органічна хімія 22.11.22

 22.11.2022

Комбіноване заняття (2 год.)

Тема 2.4. Циклоалкани. 

Опрацювати: Хімія 10 клас профільний рівень (за посиланням «Підручники»), §12, с.51-55.

Виконати (письмово):

1. Наведіть структурні формули декількох ізомерів циклогексану.

2. Масова частка Гідрогену у вуглеводні становить 14,3 %, густина пари за воднем — 21. Встановіть молекулярну формулу. Укажіть правильні твердження щодо цієї сполуки:

А приєднує водень

Б існує в конформаціях «човен» і «крісло»

В атоми Карбону перебувають у стані sр³-гібридизації

Г є першим членом гомологічного ряду

 

Склад і будова молекул. Номенклатура. Ізомерія.

Атоми Карбону в стані sр³-гібридизації можуть сполучатися з утворенням не лише ланцюгових, а й циклічних молекул, наприклад:

 

Ці сполуки належать до циклоалканів, або циклопарафінів. У їх молекулах міститься на два атоми Гідрогену менше, ніж у молекулах алканів; загальна формула циклоалканів — С_nН_2n.

Назви циклоалканів утворюються від назв алканів з відповідним числом атомів Карбону додаванням префікса цикло-. Перед назвою зазначають цифрою місця і назви замісників у абетковому порядку.

Розглянемо будову молекули циклопропану, що має трикутну форму. Оскільки кути у правильному трикутнику дорівнюють 60^о, тобто менші від тетраедричного кута 109,5^о, електронні орбіталі атомів Карбону, що перебувають у стані sр3-гібридизації, не здатні перекриватися максимально й утворювати міцні С—С-зв’язки. Відхилення від тетраедричного кута створює в молекулі певне напруження, унаслідок чого молекула циклопропану нестійка. Це напруження дістало назву кутового, або байєрівського, напруження за іменем німецького хіміка А. Байєра, який створив так звану теорію напруження циклів (1885 р.).

 

                      Схема утворення σ-зв’язків у молекулі циклопропану

 

Геометрія молекули циклопропану

У правильному п’ятикутнику кути дорівнюють 105^о, тобто вони близькі до тетраедричних. Отже, можна припустити, що циклопентан — стійкіша сполука.

За теорією Байєра, молекули циклопарафінів з великими циклами мають бути менш стійкими, оскільки в них збільшується відхилення від тетраедричного кута. Проте експериментальні дані суперечать теоретичним передбаченням, і великі цикли виявляються достатньо міцними.

Байєр уважав усі цикли плоскими. Сучасна наука довела, що плоскою є лише молекула циклопропану, інші ж циклоалкани існують у різних неплоских конформаціях. При цьому зберігаються валентні кути 109,5^о і довжини зв’язків 0,154 нм.

Молекула циклогексану може мати дві геометричні форми — «човна» і «крісла». Такі назви вони отримали через подібність до цих предметів.

Теоретичні обчислення засвідчують, що форма «човен» має більшу енергетичну напруженість порівняно з формою «крісло», тому маємо усі підстави стверджувати, що для циклогексану переважною є саме конформація «крісло».

 

Конформації циклогексану: а — «крісло»; б — «човен»

Для циклопентану енергетично найвигіднішою є форма «конверт»:

 

Конформація циклопентану «конверт»

Ізомерія циклоалканів зумовлена будовою циклу та будовою бічних відгалужень. Наприклад, складу С₅Н₁₀ відповідають такі ізомерні циклопарафіни:

Міжкласовими ізомерами циклоалканів є алкени.

Хімічні властивості. Подібно до алканів циклоалкани горять, утворюючи вуглекислий газ і воду. У результаті реакції часткового окиснення утворюються оксигеновмісні органічні сполуки.

Реакції циклоалканів:

 

Специфічність реакцій, що залежать від розміру та стійкості циклу, пояснюється особливостями будови циклоалканів.

Циклопропан і циклобутан, молекули яких найменш стійкі, вступають у реакції приєднання водню з розкриванням циклу. У результаті реакції «знімається» напруження в циклі й утворюється стійка молекула алкану.

Циклоалкани зі стійкими циклами, такі як циклопентан і циклогексан, подібно до алканів вступають у реакції заміщення (галогенування, нітрування).

Добування. Циклопентан, циклогексан та їхні гомологи (загальна назва — нафтени) входять до складу деяких сортів нафти, зокрема каліфорнійської та бакинської.

Джерелом добування інших циклоалканів у лабораторії є органічний синтез. Три-, чотири-, п’ятичленні цикли добувають з галогенопохідних алканів за реакцією Г. Густавсона (1887 р.):

Циклогексан утворюється також унаслідок приєднання водню до бензену:

Застосування. Циклопропан використовують у медицині як засіб для наркозу (у суміші з киснем).

Циклопентан застосовують у промисловості як розчинник і в органічному синтезі.

Циклогексан — розчинник, а також вихідна речовина для синтезу поліамідних волокон (капрону, нейлону).

Три циклогексанові кільця у формі «крісла» утворюють молекулу адамантану. Похідні цієї сполуки чинять противірусну дію, тому їх використовують у фармації. Зокрема, це відомий протигрипозний засіб ремантадин. У його промисловій розробці брали участь українські вчені-хіміки.

 Висновки

• Циклоалкани — насичені вуглеводні циклічної будови.

• Загальна формула циклоалканів — С_nН_2n.

• Циклоалканам властива структурна ізомерія, зумовлена розміром циклу, будовою бічного відгалуження, і міжгрупова ізомерія циклоалкани — алкени.

• Стійкість молекул циклоалканів залежить від будови циклів.

• Молекули циклоалканів мають неплоску будову.

• Для циклогексану енергетично найвигіднішою є конформація «крісло».

• Менш стійкі цикли вступають у реакції приєднання, більш стійкі — у реакції заміщення.

• Природне джерело п’яти- та шестичленних циклоалканів — нафта.