Общая формула циклоалканов: структура, свойства и применение
Циклоалканы представляют собой класс органических соединений, в молекулах которых атомы углерода образуют замкнутые циклические структуры. Изучение строения, свойств и применения циклоалканов имеет большое значение для развития органической химии и нефтехимической промышленности.
Строение молекул циклоалканов
Общая формула циклоалканов имеет вид CnH2n, где n - число атомов углерода в цикле. Так, например, циклопропан содержит 3 атома углерода и его молекулярная формула равна C3H6. Для циклобутана n = 4 и формула C4H8 и т.д.
Наиболее простым циклоалканом является циклопропан. Его молекула имеет форму правильного треугольника из трех атомов углерода. Углы между связями C-C составляют 60°, что несколько меньше обычного тетраэдрического угла 109,5°. Такая деформация связей в молекуле делает ее нестабильной и легко разрушаемой.
Молекула циклобутана уже имеет объемную пространственную структуру в форме плоского четырехугольника. Углы между связями близки к тетраэдрическим.
С увеличением числа атомов углерода в цикле (начиная с пяти) и размера цикла растет степень его насыщения атомами водорода. Молекулы циклоалканов с числом атомов углерода больше 9 по форме уже слабо отличаются от ациклических алканов, например тетрадекана.
Номенклатура и изомерия
Циклоалканы называют, добавляя приставку "цикло-" к названию соответствующего алкана. Например:
- циклопентан (производное от пентана)
- циклогексан (от гексана)
- циклододекан (от додекана)
Количество изомеров циклоалканов с одинаковым числом атомов углерода значительно меньше, чем у ациклических алканов. Среди изомеров различают моноциклические и полициклические формы. Например, формула C6H12 соответствует:
- Моноциклическому циклогексану
- Бициклическому 1,1'-диметилциклопропану [(CH3)2C3H4]
- Трициклическому 1,3,5-триметилциклогексану [C6H9(CH3)3]
Число структурных изомеров циклоалканов резко возрастает для би- и полициклических форм.
Физические свойства
Простейшие представители гомологического ряда циклоалканов - циклопропан и циклобутан - газы при комнатной температуре. Начиная с циклопентана в нормальных условиях циклоалканы представляют собой жидкости или твердые кристаллические вещества.
| Вещество | Температура кипения, °С | Температура плавления, °С |
| Циклопропан | -33 | -127 |
| Циклобутан | 12 | -124 |
| Циклопентан | 49 | -94 |
| Циклогексан | 80 | 6 |
Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у ациклических алканов той же молекулярной массы. Это связано с повышенной прочностью циклической структуры молекул.
Большинство циклоалканов хорошо растворимы в органических растворителях (бензоле, хлороформе и др.). Их растворимость в воде очень мала и снижается с увеличением молекулярной массы. Например, при 20°С в 100 г воды растворяется:
- 0,53 г циклопентана
- 0,09 г циклогексана
- 0,007 г циклододекана
Плотность большинства жидких циклоалканов меньше плотности воды. Они хорошо вспениваются, образуя стабильную пену.
Химические свойства
В химическом отношении циклоалканы более инертны и устойчивы, чем ациклические алканы. Они труднее вступают в реакции окисления, галогенирования, изомеризации.
Однако малые циклоалканы с напряженным циклом (циклопропан, циклобутан) обладают повышенной реакционной способностью. Например, циклопропан легко полимеризуется под действием кислот Льюиса с образованием тримера трициклопропилметана [(CH2)3].
Крекинг и дегидрирование циклопарафинов также протекает сложнее, чем для ациклических алканов. Для разрыва цикла часто требуется более жесткий температурный режим и катализаторы.
Горение циклоалканов с образованием CO2 и H2O происходит несколько медленнее, чем для ациклических парафинов. Однако циклоалканы дают больше тепла при сгорании в расчете на 1 кг вещества.
Применение
Благодаря своим физико-химическим особенностям циклопарафины находят широкое применение в различных областях.
Малые циклоалканы (C3-C5) используют как газообразное топливо, компоненты ракетных и реактивных топлив. Их смеси обладают высокими антидетонационными свойствами.
Жидкие циклогексан и метилциклогексаны применяют в качестве высокооктановых компонентов моторных топлив. Они также являются ценными растворителями и экстрагентами для масел, лаков, красок.
Твердые циклопарафины используют для изготовления свечей, циклогексан - в производстве синтетического каучука и найлона.
Некоторые производные циклоалканов обладают биологической активностью и применяются в фармацевтической промышленности. Также циклические углеводороды являются ценным химическим сырьем для органического синтеза различных соединений и полимерных материалов.
Синтез циклоалканов
Промышленные способы получения циклопарафинов основаны на синтезе из алканов, циклизации непредельных соединений, восстановлении ароматических углеводородов.
Например, общая формула циклоалканов позволяет рассчитать необходимое соотношение исходных реагентов. Для синтеза циклогексана C6H12 используют реакцию тримеризации этилена:
3 C2H4 → C6H12
Циклические парафины также можно получить при общей гидрировании (насыщении водородом) бензола и его гомологов:
C6H6 + 3H2 → C6H12
Мировое производство
Общий объем мирового производства циклоалканов оценивается примерно в 35 млн тонн в год. Около 90% этого количества приходится на долю циклогексана и метилциклогексанов.
Крупнейшими производителями являются компании в США, Западной Европе и Японии. В России выпускается порядка 200 тыс. тонн циклических парафинов в год.
Токсичность и экологические аспекты
Циклоалканы относятся к умеренно токсичным веществам (3-й и 4-й классы опасности). Пары циклогексана и метилциклогексанов оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему.
Общая формула циклоалканов указывает на их полную биоразлагаемость. Жидкие циклопарафины загрязняют водоемы, изменяя органолептические свойства воды. При испарении с поверхности воды образуют токсичный смог.
Твердые циклоалканы инертны и экологически безопасны. Они могут накапливаться в окружающей среде, так как практически не разлагаются микроорганизмами.
Перспективы применения
Хорошая растворимость, низкая токсичность и экологическая безопасность циклопарафинов открывают перспективы их использования в качестве компонентов моющих средств, косметики, биологически активных добавок.
Кроме этого, общие свойства циклоалканов позволяют прогнозировать получение на их основе новых высокоэффективных органических материалов с заранее заданными характеристиками.
Таким образом, дальнейшие исследования в этой области представляются весьма актуальными и перспективными.