litceymos.ru 1

Получение. Свойства

Физические свойства. При обычных условиях первые два члена ряда (С3 - С4) — газы, (С5 - С16) — жидкости, начиная с C17 — твердые вещества. Температуры кипения и плавления цик­лоалканов выше, чем у соответствующих алканов.

Получение. 

1. Основной способ получения циклоалканов - отщепление двух атомов галогена от дигалогеналканов:



2. При каталитическом гидрировании ароматических углеводородов образуются циклогексан или его производные:

        t°,P,Ni
C6H6 + 3H2      →     C6H12.

Химические свойства. По химическим свойствам малые и обычные циклы существенно различаются между собою. Циклопропан и циклобутан склонны к реакциям присоединения, т.е. сходны в этом отношении с алкенами. Циклопентан и циклогексан по своему химическому поведению близки к алканам, так как вступают в реакции замещения.

1. Так, например, циклопропан и циклобутан способны присоединять бром (хотя реакция и идет труднее, чем с пропеном или бутеном):



2. Циклопропан, циклобутан и даже циклопентан могут присоединять водород, давая соответствующие нормальные алканы.
Присоединение происходит при нагревании в присутствии никелевого катализатора:



3. В реакцию присоединения с галогеноводородами опять же вступают только малые циклы. Присоединение к гомологам цик­лопропана происходит по правилу Марковникова:


4. Реакции замещения. Обычные циклы (С6 и выше) устойчивы и вступают только в реакции радикального замещения подобно алканам:



С6Н12 + Вr2         →     С6Н11Вr + НВr.

5. Дегидрирование циклогексана в присутствии никелевого катализатора приводит к образованию бензола:

t° Ni
      C6H12     →    C6H6 + 3H2.

6. При действии сильных окислителей (например, 50%-ной азотной кислоты) на циклогексан в присутствии катализатора об­разуется адипиновая (гександиовая) кислота:



Особенности строения циклоалканов и их химическое по­ведение. Выше мы продемонстрировали неустойчивость малых  циклов и их способность разрываться и вступать в реакции при­соединения. Причины этого кроются  в строении  циклов. Так, циклопропан имеет плоское строение, поэтому атомы водорода у соседних атомов углерода располагаются над и под плоскостью цикла в энергетически невыгодном ("заслоненном") положении. Это — одна из причин "напряженности" цикла и его неустойчивости.

Исходя из того, что трехчленный цикл является плоским равносторонним треугольником, валентные углы между атомами углерода должны быть равными 60°, т.е. резко отличающимися от величины нормального валентного утла 109,5° для классического случая sp'-гибридизации .

Установлено, что образование -связей между атомами угле­рода происходит путем перекрывания sp3-гибридных орбиталей не по прямой, соединяющей ядра атомов, а вне ее.

Такое перекрывание не является осевым, характерным для образования -связей, а несколько приближается к боковому пере­крыванию, характерному для образования -связей. Образовавшиеся -связи с расположением максимальной электронной плотности вне прямой между ядрами связываемых атомов называют "банановыми". По свойствам они напоминают -связи. Действительно, циклопропан способен вступать в реакции присоединения (с разрывом цикла).


Обычные циклы, наоборот, очень устойчивы и не склонны к разрыву. Так, молекула циклогексана не является плоским многоугольником и принимает различные конформации.

Среди неплоских конформаций наиболее энергетически вы­годной является конформация кресла, так как в ней все валентные углы между атомами углерода равны 109,5°, а ато­мы водорода у соседних атомов углерода находятся относительно друг друга в заторможенном положении.



a                                           б

Конформации шестичленного цикла: а — кресло: 6 — ванна.

Другое возможное для циклогексана расположение атомов со­ответствует конформации ванны, хотя оно менее устойчиво, чем конформация кресла. Следует отметить, что и в конформации кресла, и в конформации ванны связи вокруг каж­дого атома углерода имеют тетраэдрическое расположение. Отсюда — несравнимо большая устойчивость обычных циклов по сравнению с малыми циклами, отсюда — их возможность всту­пать в реакции замещения, но не присоединения.

2.5.3. Дегидрирование алканов

При нагревании алканов в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr2O3, Fe2O3, ZnO) происходит их каталитическое дегидрирование – отщепления атомов водорода за счет разрыва связей С—Н.



  • Строение продуктов дегидрирования зависит от условий реакции и длины основной цепи в молекуле исходного алкана.

1. Низшие алканы, содержащие в цепи от 2-х до 4-х атомов углерода, при нагревании над Ni-катализатором отщепляют водород от соседних углеродных атомов и превращаются в алкены:




Наряду с бутеном-2 в этой реакции образуется бутен-1 CH2=CH-CH2-CH3.
В присутствии катализатора Cr2O3/Al2O3 при 450-650 С из н-бутана получают также бутадиен-1,3 CH2=CH-CH=CH2.

2. Алканы, содержащие в основной цепи больше 4-х атомов углерода, используются для получения циклических соединений. При этом происходит дегидроциклизацияреакция дегидрирования, которая приводит к замыканию цепи в устойчивый цикл.


  • Если основная цепь молекулы алкана содержит 5 (но не более) атомов углерода (н-пентан и его алкильные производные), то при нагревании над Pt-катализатором атомы водорода отщепляются от концевых атомов углеродной цепи, и образуется пятичленный цикл (циклопентан или его производные):



  • Алканы с основной цепью в 6 и более атомов углерода также вступают в реакцию дегидроциклизации, но всегда образуют 6-членный цикл (циклогексан и его производные). В условиях реакции этот цикл подвергается дальнейшему дегидрированию и превращается в энергетически более устойчивый бензольный цикл ароматического углеводорода (арена). Например:



Эти реакции лежат в основе процесса риформинга – переработки нефтепродуктов с целью получения аренов (ароматизация предельных углеводородов) и водорода. Превращение н-алканов в арены ведет к улучшению детонационной стойкости бензина.

3. При 1500 С происходит межмолекулярное дегидрирование метана по схеме:



Данная реакция (пиролиз метана) используется для промышленного получения ацетилена.