Cykloalkany

Cykloalkany (také polymethylenové uhlovodíky , nafteny , cyklany nebo cykloparafiny ) [1] [2] [3] [4] - cyklické nasycené uhlovodíky patří k nasyceným karbocyklickým sloučeninám . Může obsahovat postranní řetězce obsahující uhlovodíkové (alkylové) substituenty připojené k cyklu. [1] Všechny uhlíkové atomy cykloalkanů jsou v hybridizovaném stavu sp 3 . [5]Monocyklické (obsahující jeden kruh) cykloalkany tvoří homologní řadu s obecným vzorcem CnH2n . Nejjednodušším cykloalkanem je cyklopropan ( cyklo - C 3 H 6 ). Podle počtu atomů uhlíku v cyklu se cykloalkany dělí na malé - cyklopropan a cyklobutan , obyčejné - cyklopentan , cyklohexan a cykloheptan , střední - od cyklooktanu (8 atomů uhlíku ) po cyklododekan (12 atomů uhlíku ), velké - s 13 nebo více atomů v karbocyklu. [3]

Navzdory tomu, že podle definice Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC) mohou cykloalkany ve své struktuře obsahovat pouze jeden cyklus, [1] řada autorů [6] [7] zařazuje do třídy cykloalkany všechny cyklické nasycené uhlovodíky , bez ohledu na počet cyklů v jejich struktuře a způsob, jakým jsou spojeny. Současně se v závislosti na počtu cyklů izolují monocyklické , bicyklické , tricyklické a obecně polycyklické cykloalkany. [6] V přítomnosti dvou nebo více cyklů v molekule se rozlišují cykloalkany s izolovanými a kondenzovanými cykly, spiro- a můstkové cykloalkany a také rámcové uhlovodíky . [6] [7] Ve všech těchto případech je univerzální obecný vzorec pro řadu cykloalkanů C n H 2( n +1− r ) , kde n je počet atomů uhlíku a r je počet cyklů. [6]

Jsou součástí ropy . Objevil V. V. Markovnikov v roce 1883 z ropy Baku [8]

Nomenklatura a izomerie

Názvy monocyklických nesubstituovaných cykloalkanů vznikají přidáním předpony cyklo- k názvu acyklického alkanu s přímým řetězcem se stejným počtem atomů uhlíku ( cyklopropan , cyklobutan , cyklopentan ). [3] [9]

V přítomnosti alkylových substituentů připojených k cyklu existují dva způsoby, jak vytvořit názvy: (1) název cyklického fragmentu se bere jako základ a názvy substituentů jsou vyjmuty z předpony nebo (2) název jednoho z acyklických fragmentů se bere jako základ a cyklický substituent je uveden v příslušenství. V tomto případě by uhlíkový řetězec fragmentu názvu braného jako základ měl (1) mít největší počet substituentů (3-methyl-3-cyklohexylpentan) nebo (2) obsahovat největší počet atomů uhlíku (1, 3-dimethylcyklohexan). [deset]

Cykloalkany se vyznačují následujícími typy izomerie :

• Izomerie uhlíkového skeletu, například cyklobutan a 1-methylcyklopropan.
• Prostorový . U cykloalkanů obsahujících dva substituenty na různých atomech uhlíku tříčlenného kruhu je možná cis - trans izomerie : [3] pokud jsou dva substituenty na stejné straně cyklu, pak se tento izomer nazývá cis -izomer , pokud dva substituenty jsou na opačných stranách cyklu, pak se izomer nazývá trans - izomer [5] , například cis- a trans -1,2-dimethylcyklopropan.
• Mezitřídní izomerie s alkeny , jako je cyklopropan a propen .

Klasifikace

Cykloalkany se dělí na monocyklické a bicyklické cykloalkany.

Na druhé straně se bicyklické cykloalkany dělí na spiroalkany a bicykloalkany:

• Spiroalkany jsou uhlovodíky sestávající ze dvou cyklů, ve kterých je sdílen jeden atom uhlíku ( spiroatom [ 11] ). Zástupcem spiroalkanů je spiropentan . Název vzniká přidáním předpony spiro-, udávající počet necentrálních atomů v cyklech v hranatých závorkách a přidáním koncovky odpovídajícího alkanu . Například pro spiropentan by tento název byl spiro[2.2]pentan.
• Bicykloalkany jsou uhlovodíky sestávající ze dvou cyklů, ve kterých jsou sdíleny dva atomy uhlíku. Název se získá přidáním předpony bicyklo-, udávající počet necentrálních atomů v cyklech v hranatých závorkách a přidáním koncovky odpovídajícího alkanu. Například pro bicyklobutan by tento název byl bicyklo[1.1.0]butan. [5]

Fyzikální vlastnosti

Všechny atomy uhlíku v molekulách cycloalkane mají sp³ hybridizaci . Úhly mezi hybridními orbitaly v cyklobutanu a zejména v cyklopropanu však nejsou 109°28', ale menší díky geometrii, která vytváří napětí v molekulách, takže malé cykly jsou velmi reaktivní.

Při pokojové teplotě jsou první dva členy řady (C 3  - C 4 ) plyny , (C 5  - C 11 ) jsou kapaliny , počínaje C 12  - pevnými látkami . Teploty varu a tání cykloalkanů jsou vyšší než u odpovídajících alkanů . Cykloalkany se ve vodě prakticky nerozpouštějí .

Teploty tání a varu některých cykloalkanů: [12]

Získání

Cykloalkany se nacházejí ve významných množstvích v ropě a nacházejí se také v přírodních sloučeninách. [5]

Organokovová syntéza

Cykloalkany lze získat dehalogenací dihalogenových derivátů (organokovová syntéza) hořčíkem , sodíkem nebo zinkem :

Katalytická hydrogenace

Cykloalkany lze získat jako výsledek katalytických hydrogenačních reakcí arenů, cykloalkenů, cykloalkadienů, například v důsledku přidání vodíku k benzenu v přítomnosti katalyzátoru vzniká cyklohexan ; Raneyův nikl , nikl , platina , palladium mohou sloužit jako katalyzátor v této reakci [13] :

Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti cykloalkanů obsahujících ve své struktuře malé kruhy ( cyklopropan , cyklobutan ) jsou specifické - vyznačují se spíše adičními reakcemi s otevřením kruhu, zatímco cyklopentan a starší členové homologní řady cykloalkanů jsou náchylní k radikálovým substitučním reakcím a tím Svým chemickým chováním se tedy blíží alkanům .

• Cyklopropan a cyklobutan jsou schopny přidat brom :

• Také cyklopropan a cyklobutan mohou přidávat halogenovodíky , přidávání probíhá otevřením kruhu podle Markovnikovova pravidla . [čtrnáct]
• Cyclopropane , cyclobutan , a cyclopentane moci přidat vodík , dávat odpovídající normální alkanes. K přidání dochází při zahřívání v přítomnosti niklového katalyzátoru:

Aplikace

V petrochemickém průmyslu jsou nafteny zdrojem aromatických uhlovodíků katalytickým reformováním . Největší praktický význam nabyl cyklohexan , používaný pro syntézu kaprolaktamu , kyseliny adipové a dalších sloučenin používaných při výrobě syntetických vláken .

Cyklopropan se používá pro anestezii , ale jeho použití je omezené kvůli jeho výbušné povaze.

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC). IUPAC termín  cykloalkany . goldbook.iupac.org . Datum přístupu: 18. února 2022.
2. ↑ Polymethylenové uhlovodíky // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
3. ↑ 1 2 3 4 Cykloalkany // Chemická encyklopedie  : [ rus. ]  : v 5 svazcích  / ed. N. S. Žefirová. - M .  : Velká ruská encyklopedie, 1999. - T. 5. - S. 364–365. — ISBN 5-85270-310-9 .
4. ↑ Uhlovodíkové-cykloalkany | Britannica  (anglicky) . www.britannica.com . Staženo: 20. února 2022.
5. ↑ 1 2 3 4 Valerij Fedorovič. Traven'. Organičeskaâ himiâ : v treh tomah. 1 . - 2. izd., pererab. já dop. — Moskva: BINOM. Laboratoria znanij, pol. 2013. - S. 196. - 368 s. S. - ISBN 978-5-9963-0406-6 , 5-9963-0406-6, 978-5-9963-0357-1, 5-9963-0357-4.
6. ↑ 1 2 3 4 Alkany a cykloalkany . www2.chemistry.msu.edu . Staženo: 20. února 2022. (neurčitý)
7. ↑ 1 2 George A. Olah. Obecné aspekty // Chemie uhlovodíků  (anglicky) . — 2. vydání. - John Willey & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003. - S. 1. - 871 s. - ISBN 0-471-41782-3 , 978-0-471-41782-8.
8. ↑ Vladimir Vasiljevič Markovnikov (1838-1904) [1948 - - Lidé ruské vědy. Svazek 1 ] . nplit.ru. Datum přístupu: 21. listopadu 2015. (neurčitý)
9. ↑ R-2.3.1 Uhlovodíky . www.acdlabs.com . Staženo: 20. února 2022. (neurčitý)
10. ↑ Pravidlo A-61. Obecné principy (CYKLICKÉ UHLOVODÍKY S BOČNÍMI ŘETĚZCI) . www.acdlabs.com . Datum přístupu: 19. února 2022. (neurčitý)
11. ↑ Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC). Termín IUPAC Spiroatom  . "Zlatá kniha" IUPAC . IUPAC. doi : 10.1351/zlatá kniha.S05884 . Staženo: 16. února 2022.
12. ↑ Roberts J., Caserio M. Základy organické chemie. Ve 2 svazcích = Základní principy organické chemie / Per. z angličtiny. Yu.G. Bundel, ed. A. N. Nesmeyanov. — 2. vyd., doplněno. - M. : Mir, 1978. - T. 1. - 121 s.
13. ↑ Valerij Fedorovič. Traven'. Organičeskaâ himiâ : v treh tomah. 1 . - 2. izd., pererab. já dop. — Moskva: BINOM. Laboratoria znanij, pol. 2013. - S. 198. - 368 s. S. - ISBN 978-5-9963-0406-6 , 5-9963-0406-6, 978-5-9963-0357-1, 5-9963-0357-4.
14. ↑ G.I. Deryabina, G.V. Kantaria, D.I. Groshev. Vlastnosti cykloalkanů . Interaktivní multimediální učebnice "Organická chemie" . (Ruština)

Literatura

• Kuzmenko N. E., Eremin V. V., Popkov V. A. Počátky chemie. Moderní kurz pro uchazeče o studium na vysokých školách .. - M . : zkouška, 2002.

Slovníky a encyklopedie	Velká Katalánština Skvělý norský Velký Rus Velký Rus okolo světa Nový chorvatský Britannica (online) Brockhaus Brockhaus Universalis
V bibliografických katalozích	BNF : 121074472 GND : 4148484-8 J9U : 987007538313705171 LCCN : sh85035091