Циклопропан: структура молекулы и особенности реакционной способности

Структура молекулы и особенности реакционной способности

Большинство углеводородов выделяют из нефтяного сырья. Разделение нефтяных смесей на газообразные, жидкие и твёрдые фракции обеспечивает ректификационная колонна. Под воздействием жёстких условий углеводородные молекулы вступают в процессы циклизации, образуя различные замкнутые структуры - циклопропан, циклобутан и другие. Ниже подробно рассматриваются их определения, принципы строения и характерное химическое поведение.

Специфика циклических углеводородов

Начнём с базовых понятий: определим, что относят к циклическим соединениям, охарактеризуем их активность и разберём геометрию циклобутана вместе с циклопентаном.

Более дробная классификация выделяет несколько классов. Их характеристики удобно представить перечнем:

• циклоалканы - насыщенные замкнутые углеводородные цепи;
• циклоалкены - ненасыщенные кольца, содержащие одну двойную связь;
• циклоалкины - ненасыщенные кольца с одной тройной связью;
• арены - бензольные кольца с развитой системой сопряжённых связей.

Геометрия циклобутана и циклопентана

Прежде всего опишем устройство двух названных циклов.

В этой молекуле атомы углерода поочерёдно связаны между собой одинарными связями. Величина валентного угла здесь равна 90°. Из-за столь малого угла кольцо ослаблено, поэтому в жёстких условиях оно легко разрывается.

Циклопентан устроен несколько иначе. Между двумя углерод-углеродными связями его угол достигает 105°. Даже небольшой прирост угловой величины заметно упрочняет структуру, и повышение температуры либо давления уже не приводит к лёгкому раскрытию кольца.

Реакционная способность малых циклов

Малыми считают циклопропан и циклобутан. Внутренний угол в их молекулах невелик, из-за чего кольца легко раскрываются в реакциях с жёсткими условиями. Рассмотрим типичные превращения на конкретных примерах.

Ниже перечислены характерные реакции малых колец:

• Галогенирование - замещение водородного атома (H) на атом галогена (Hal). На примере брома и циклобутана: при обязательном участии света образуется бромциклобутан.
• Гидрогалогенирование - показательная реакция для циклопропана, протекающая при нагревании. Кольцо раскрывается, а галогеноводород присоединяется к образованной цепи; в качестве реагента можно взять хлороводород.
• Присоединительное галогенирование - взаимодействие молекулы галогена с малым циклом при нагреве. Кольцо разрывается, галоген достраивается к освободившимся концам (пример - циклобутан и хлор).
• Нитрование (реакция Коновалова) - свойственно исключительно циклобутану, поскольку циклопропан при сильном нагреве раскрывается мгновенно. Контакт кольца с азотной кислотой даёт нитроциклобутан.
• Гидрирование - присоединение водорода, сопровождающееся раскрытием кольца и образованием насыщенной углеводородной цепи; необходимы никелевый катализатор и нагревание.

Реакционная способность крупных циклов

Крупными называют циклопентан и системы с большим числом углеродных атомов. Значительная величина угла между углерод-углеродными связями придаёт таким кольцам устойчивость, поэтому они спокойно реагируют даже в жёстких условиях. Разберём их поведение на примерах.

Гидрирование протекает с теми же условиями и результатами, что и для малых колец. Галогенирование также идёт аналогичным образом. При нитровании (реакция Коновалова) крупное кольцо взаимодействует с азотной кислотой при нагреве: водород (H) уступает место нитрогруппе (NO₂), а побочно выделяется вода (H₂O). Горение - реакция окисления, доступная и малым, и крупным циклам; её продуктами всегда служат вода и углекислый газ, что демонстрирует сгорание циклопентана.

Определение и строение циклопропана

Дадим строгую научную формулировку для этого соединения.

Циклопропан - кольцо из трёх атомов углерода.

Молекулу удобно представлять треугольником, в котором угол между углерод-углеродными связями равен 60 градусам. Среди всех колец эта структура наименее устойчива и раскрывается уже при простом контакте с галогенами.

Страницы истории открытия

Первым циклопропан получил Август Фройнд в 1881 г., применив реакцию Вюрца: он пропускал 1,3-дибромпропан над натрием. Бром отщеплялся от молекулы и связывался с натрием, образуя соль - бромид натрия. Учёный также верно описал треугольное строение полученного соединения.

Позднее Густавсон заменил в реакции Вюрца натрий металлическим цинком, благодаря чему выход продукта возрос. Практического применения вещество не имело вплоть до 1929 г., когда Хендерсон и Лукас выявили у него анестетические свойства. Промышленный выпуск нового наркозного средства стартовал в 1936 г.

Энантиомерия у производных циклопропана

Энантиомерия проявляется, когда к молекуле присоединяется хотя бы пара группировок или радикалов. Этот тип изомерии называют также цис-транс-изомерией, и связан он с различным расположением заместителей относительно плоскости кольца.

Само кольцо циклопропана лежит в одной плоскости. Предположим, к разным углеродным звеньям присоединяются два атома хлора. Когда один из них находится над плоскостью, а второй под ней, речь идёт о транс-изомере. Если же оба атома хлора расположены с одной стороны кольца, соединение является цис-изомером.

Циклопропан в роли анестетика

На наркозные свойства циклопропана обратил внимание Ральф Уотерс, который и внедрил вещество в клиническую практику. Поначалу такой анестетик применяли вместе с поглощением углекислого газа. Газ не раздражает дыхательные пути и отличается сладковатым привкусом. Его технические показатели приведены ниже:

• минимальная альвеолярная концентрация - 17,5%;
• коэффициент распределения газа в крови - 0,55.

Отрицательное действие препарата состоит в снижении артериального давления, что способно спровоцировать сердечную аритмию. К минусам относили также высокую стоимость и взрывоопасность газа. Совокупность этих недостатков вынудила врачей отказаться от подобного наркозного средства.

Номенклатура и изомерия

Осталось рассмотреть правила наименования соединений и единственный изомер.

Правила номенклатуры

Введение одного заместителя в треугольное кольцо отражается приставкой к названию: присоединение атома хлора даёт хлорциклопропан. При двух заместителях указывают их положение и приставку числа - так, два атома хлора дают 1,2-дихлорциклопропан.

Единственный изомер

Пропилен - единственный межклассовый изомер циклопропана, включающий три атома углерода.