Карбоциклические соединения представляют собой обширный и важный класс органических веществ, в молекулах которых атомы углерода образуют замкнутые циклы. Давайте разберемся в их многообразии и особенностях.
Понятие и классификация карбоциклических соединений
Карбоциклическими называют органические соединения, содержащие в своих молекулах циклы, кольца из атомов углерода. Они противопоставляются соединениям с открытыми углеродными цепями (ациклическим) и гетероциклическим соединениям, в кольцах которых наряду с атомами углерода присутствуют гетероатомы (атомы других элементов).
Карбоциклические соединения делятся на два класса:
- Алициклические
- Ароматические
Алициклы - предельные и непредельные циклы, не проявляющие ароматичности. Арены - циклы с выраженной ароматичностью, сходные по свойствам с бензолом.
Пример алициклического соединения - циклогексан.
Пример ароматического карбоциклического соединения - нафталин.
Многие природные органические вещества также относятся к карбоциклам. Например, углеводороды нефти, терпены, некоторые антибиотики, алкалоиды.
Строение карбоциклов
В зависимости от числа атомов углерода, с которыми связан данный атом в цикле, последние классифицируют на первичные, вторичные, третичные. Первичный атом углерода связан с одним атомом цикла, вторичный - с двумя, третичный - с тремя.
Карбоциклы могут быть предельными (насыщенными), содержащими только одинарные связи между атомами углерода, и непредельными, включающими двойные или даже тройные связи.
Рассмотрим структурные формулы двух разных карбоциклических соединений.
Циклогексен имеет шестичленное кольцо с одной двойной связью. Это непредельное алициклическое соединение.
Антрацен относится к ароматическим полициклическим углеводородам, содержит три кольца.
Геометрия циклов может существенно влиять на свойства карбоциклических соединений. Небольшие циклы с 3-4 атомами углерода обладают значительным напряжением из-за деформации валентных углов, что определяет их повышенную реакционную способность.
Химические свойства карбоциклов
Алициклические и ароматические карбоциклы резко различаются по своим химическим свойствам. Рассмотрим их реакционную способность и факторы, на нее влияющие.
Алициклы проявляют типичные реакции предельных и непредельных углеводородов - присоединение, замещение, окисление. Ароматические карбоциклы гораздо более инертны, для них характерны реакции электрофильного замещения с сохранением ароматического кольца.
Влияние заместителей на реакционную способность
Наличие заместителей в цикле может существенно влиять на реакционную способность карбоцикла. Электроноакцепторные группы (-NO 2, -CN, -COOR и др.) дезактивируют цикл к электрофильному замещению. Электронодонорные группы (-NH2, -OH, -OR), напротив, активируют цикл.
Типичные реакции превращения карбоциклов
Рассмотрим на конкретных примерах некоторые характерные реакции карбоциклических соединений.
Окисление карбоциклов
Окисление часто используется для превращения насыщенных циклов в непредельные. Например, при окислении циклогексана пероксидом водорода или хромовой кислотой образуется циклогексен.
Изомеризация карбоциклов
Под действием кислот, оснований или высокой температуры возможна изомеризация карбоциклов - превращение одних циклических структур в другие. Например, при нагревании циклогексенов происходит их изомеризация.
Присоединение к карбоциклам
Алициклические соединения способны к реакциям присоединения, характерным для соответствующих ациклических аналогов. Например, циклогексен может присоединять по двойной связи водород, галогены, галогеноводороды с образованием производных циклогексана.
Реакции конденсации карбоциклов
Возможны реакции взаимодействия карбоциклов друг с другом с образованием конденсированных систем. Так, при восстановительной конденсации двух молекул нафталина получается тетралин.
Электрофильное замещение в аренах
Для ароматических карбоциклов характерны реакции электрофильного замещения с сохранением ароматичности кольца. Классический пример - нитрование бензола.
Аналогично протекают реакции галогенирования, сульфирования и другие реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре. Положение заместителей в цикле определяется правилами ориентации.
Циклизация ациклических соединений
Важным методом получения карбоциклов является циклизация ациклических соединений. Например, при нагревании диеновых углеводородов происходит циклоприсоединение с образованием циклогексенов или ароматических производных бензола.
Каталитическое гидрирование карбоциклов
Каталитическое гидрирование широко используется для насыщения двойных связей в карбоциклах. Пример - восстановление нафталина до тетралина на никелевом катализаторе.
