ЦиклоПарафины Химическое и физические свойства
Кратко
Циклопарафины (циклоалканы, нафтены) — насыщенные углеводороды с замкнутым углеродным кольцом, общая формула \(\mathrm{C_nH_{2n}}\) (\(n \ge 3\)). Двойных связей нет, поэтому по строению они «родственники» алканов.
Главная мысль: химия циклоалкана зависит от размера кольца.
- кольца из 5–6 атомов и больше — ведут себя как алканы (замещение, горение, дегидрирование);
- малые кольца (3–4 атома) — напряжены и ведут себя отчасти как алкены (присоединение с раскрытием кольца).
Физические свойства
| Вещество | Формула | Состояние (н. у.) | \(t_{\text{кип}}\), °C |
|---|---|---|---|
| циклопропан | \(\mathrm{C_3H_6}\) | газ | −33 |
| циклобутан | \(\mathrm{C_4H_8}\) | газ | +12,5 |
| циклопентан | \(\mathrm{C_5H_{10}}\) | жидкость | +49 |
| циклогексан | \(\mathrm{C_6H_{12}}\) | жидкость | +80,7 |
Общие закономерности:
- Агрегатное состояние определяется молярной массой: \(\mathrm{C_3{-}C_4}\) — газы, \(\mathrm{C_5{-}C_{11}}\) — жидкости, высшие — твёрдые вещества.
- Растворимость: в воде практически нерастворимы (молекулы неполярны), хорошо растворяются в бензоле, эфире, \(\mathrm{CCl_4}\).
- Плотность меньше плотности воды (около 0,7–0,8 г/см³).
- Температуры кипения выше, чем у соответствующих алканов (гексан — 69 °C, циклогексан — 81 °C): компактная жёсткая молекула сильнее взаимодействует с соседями за счёт дисперсионных сил.
- Циклогексан существует в форме «кресла» — в ней углы близки к тетраэдрическим, поэтому кольцо устойчиво.
Химические свойства
1. Как у алканов (обычные кольца, \(\mathrm{C_5}\) и выше)
Радикальное замещение (на свету): \[ \mathrm{C_6H_{12} + Cl_2 \to C_6H_{11}Cl + HCl} \]
Горение — общая схема для \(\mathrm{C_nH_{2n}}\): \[ \mathrm{C_nH_{2n} + \frac{3n}{2}O_2 \to nCO_2 + nH_2O} \] Например, \(\mathrm{C_3H_6 + 4{,}5O_2 \to 3CO_2 + 3H_2O}\).
Дегидрирование (ароматизация) циклогексана: \[ \mathrm{C_6H_{12} \to C_6H_6 + 3H_2} \] (Pt или Ni, около 300 °C)
Изомеризация в алкен (Ni, нагревание): циклопропан → пропен.
2. Присоединение с раскрытием кольца (малые кольца)
\[ \mathrm{C_3H_6 + H_2 \to C_3H_8} \quad (\text{Ni, } t) \] \[ \mathrm{C_3H_6 + Br_2 \to BrCH_2{-}CH_2{-}CH_2Br} \] \[ \mathrm{C_3H_6 + HBr \to CH_3{-}CH_2{-}CH_2Br} \]
Циклобутан реагирует аналогично, но труднее. Циклопентан и циклогексан водород «не присоединяют» в обычных условиях.
3. Отношение к окислителям
Циклогексан и другие устойчивые циклоалканы не обесцвечивают бромную воду и раствор \(\mathrm{KMnO_4}\). Это и есть способ отличить их от алкенов (гексен обесцвечивает и то, и другое).
Почему так: причина — напряжение кольца
У \(sp^3\)-углерода нормальный угол \(109^\circ28'\). В циклопропане угол принудительно \(60^\circ\), в циклобутане около \(90^\circ\) — связи сильно изогнуты, запас энергии велик («угловое напряжение»). Такое кольцо легко раскрывается — отсюда реакции присоединения. В циклогексане углы в форме «кресла» почти идеальные, напряжение минимально — кольцо прочное, и остаются только реакции замещения.
Проверь себя
- Почему циклопропан присоединяет бром, а циклогексан — нет? — Из-за напряжения малого кольца.
- Отличите циклогексан от гексена-1. — Бромная вода: гексен обесцвечивает, циклогексан нет.
- Сколько литров \(\mathrm{CO_2}\) (н. у.) даст сгорание 1 моль циклопропана? — \(n=3\), значит 3 моль, то есть \(3 \cdot 22{,}4 = 67{,}2\) л. Проверка через коэффициенты \(\frac{3n}{2}=4{,}5\) моль \(\mathrm{O_2}\) — сходится.
