Циклоалканы представляют собой насыщенные углеводороды, молекулы которых содержат углеродные кольца, замкнутые цепи атомов углерода, соединённых одинарными σ-связями. Основная формула циклоалканов — CₙH₂ₙ, что отражает наличие двух атомов водорода меньше, чем у соответствующих нормальных алканов. Исключением является циклропропан и циклбутан, где напряжение кольца приводит к изменению свойств и реакционной способности.
Классификация по размеру кольца:
Конформации: Конформация кольца определяет его пространственное расположение атомов и напрямую влияет на энергию и стабильность молекулы. Наиболее изучен циклогексан, который может существовать в формах стула и кресла, при этом конформация кресла является более устойчивой за счёт минимизации углового и торсионного напряжения.
Температуры кипения и плавления циклоалканов повышаются с увеличением числа атомов углерода. Для малых колец (C₃–C₄) характерны низкие температуры кипения и плавления, они являются газами или низкокипящими жидкостями. Средние и крупные циклоалканы — жидкости при комнатной температуре, устойчивые к кристаллизации из-за гибкости молекулы.
Растворимость: циклоалканы нерастворимы в воде и хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, толуол и эфиры.
Плотность обычно меньше 1 г/см³, что объясняется неполярной природой молекулы и низкой компактностью углеродной структуры.
Циклоалканы проявляют типичную реакционную способность насыщенных углеводородов, но особенности кольца влияют на скорость и механизм реакций.
Циклоалканы активно реагируют с кислородом с выделением большого количества энергии: [ C_nH_{2n} + O_2 → n CO_2 + n H_2O] Реакция высокоэкзотермична, используется в качестве топлива.
Под действием света или нагрева циклоалканы вступают в реакцию с галогенами по радикальному механизму. [ C_nH_{2n} + X_2 → C_nH_{2n-1}X + HX] Напряжённые малые циклы (C₃–C₄) реагируют быстрее из-за повышенной реакционной способности σ-связей.
Циклоалканы могут превращаться в разветвлённые циклоалканы или даже открывать кольцо с образованием алканов, особенно под действием кислотных катализаторов и при высоких температурах.
При нагревании в присутствии катализаторов циклоалканы теряют водород с образованием ароматических соединений. Пример: дегидрирование циклогексана в бензол: [ C_6H_{12} → C_6H_6 + 3 H_2]
Напряжение кольца — это энергетическое состояние, вызванное отклонением углов связи от идеального значения (109,5° для sp³-гибридизации).
Напряжение кольца напрямую коррелирует с энергией реакции: чем выше напряжение, тем легче молекула вступает в реакции разрыва связей или галогенирования.
Каталитическое циклирование алканов
Гидрирование ароматических соединений
Закрытие цепи в органическом синтезе
Эти методы позволяют получать как малые, так и крупные циклоалканы с контролем чистоты и конформации.
Циклоалканы занимают ключевое место в нефтехимии и органическом синтезе, сочетая структурную стабильность с высокой реакционной способностью за счёт кольцевого напряжения, что делает их универсальными реагентами и сырьём для множества отраслей промышленности.