ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» ________________________________________________________________________________ В. А. Осянин АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Учебное пособие Самара 2008 Алициклические углеводороды Моноциклические углеводороды классифицируют в зависимости от размера цикла: С3, С4 – малые циклы С5 – С7 – обычные С8 – С11 – средние Начиная с С12 – макроциклы Моноциклические углеводороды могут быть предельные (циклоалканы) и непредельные (например, циклоалкены). Общая формула моноциклических циклоалканов СnH2n, а циклоалкенов CnH2n-2 Номенклатура К названию ациклического углеводорода с тем же числом атомов углерода добавляется приставка «цикло»: H3C циклопропан 2 3 1,2-димeтилциклобутан 1 циклогeксeн 4 H3C Изомерия I. Структурная CH3 1). по величине цикла: 2). по строению боковых цепей: и и CH2 CH2 CH3 CH CH3 CH3 3). по положению в цикле: CH3 CH3 и CH3 CH3 CH2CH3 CH3 4). по величине боковых цепей: и CH2CH2CH3 CH2CH3 II. Стереоизомерия 1). Геометрическая (положение заместителей по отношению к плоскости цикла): 2 CH3 H3C H H3C и H H H цис-1,2-диметилциклобутан 2). CH3 транс-1,2-диметилциклобутан Оптическая (при отсутствии элементов симметрии 2-ого рода): CH3 H3C H H H CH3 H CH3 зeркало отсутствует плоскость симметрии σ Строение циклоалканов и типы напряжения Об устойчивости циклов можно судить по теплотам сгорания ∆Нсгор. в расчёте на одну СН2 – группу: (CH2)n + 3n O2 → n CO2 + n H2O, ∆Нсгор. 2 ∆Н'сгор. = n ∆Н'сгор., ккал/моль Отклонение угла в плос-ком цикле от тетраэдрического сгор. . n 3 4 5 6 7 8 … 17 168,9 164 158,7 157,4 158,3 158,6 ... 157-158 +24º44' +9º44' +0º44' -5º16' -9º38' -12º46' ... -24º40' Байер объяснял различную прочность циклов угловым напряжением, которое рассчитывается как половина разности между тетраэдрическим углом и углом в правильном многоугольнике: 60° 24°44' 109°28' 24°44' 109°28' - 60° = + 24°44' 2 3 90° 109°28' - 90° = + 9°44' 2 109°28' 120° 109°28' - 120° = - 5°16' 2 109°28' Таким образом, по Байеру трёх- и четырехчленные циклы должны быть неустойчивы, наиболее устойчивы 5- и 6-членные циклы, а вопрос о существовании макроциклов вообще ставился под сомнение. Однако это не так. Ошибка связана с тем, что Байер считал циклический остов плоским, но уже начиная с циклобутана остов не плоский. Поэтому подобный расчёт углового напряжения неверный. Угловое напряжение характерно только для малых циклов. 1. Строение циклопропана H H 114 o эндоцикличeскиe С-С-свя зи на 17% нося т s-характeр, т.e. для этих орбиталeй можно приписать sp5-гибридизацию C o 21 H C H H C o lC-C = 1, 51 A H экзоцикличeскиe С-Н-свя зи на 33% имeют s-характeр, т.e. для этих орбиталeй можно приписать sp2-гибридизацию В циклопропане эндоциклические С-С-связи представляют собой τ-связи (банановые связи) [максимум области перекрывания орбиталей находится в стороне от линии, соединяющей ядра атомов]. Экзоциклические связи С-Н перпендикулярны плоскости кольца, угол между ними 114º. Банановые связи менее прочные, чем обычные σ С-С-связи, поэтому циклопропановый цикл легко раскрывается. Помимо углового, в циклопропане присутствует торсионное напряжение (напряжение заслонённых связей, напряжение Прелога). 4 Ещё более напряженным является нестабильный циклопропен: , который можно получить по реакции Гофмана из гидроксида соответствующего четвертичного аммониевого основания: Ag2O, H2O 3 CH3I to -N(CH3)3 -2 HI + + NH2 N(CH3 )3OH -AgI N(CH3 )3I -H2O 2. Строение циклобутана Общая энергия напряжения циклобутана близка к энергии напряжения циклопропана, при этом угловое напряжение в нём вносит меньший, а торсионное больший вклад по сравнению с циклопропаном. Циклобутан существует в неплоской складчатой конформации, где одна СН2 – группа отклонена на 25º от плоскости с тремя другими атомами углерода. H H 107 7o o H H H 88 o 25 H o плоский квадрат H H H H H H В циклобутане также присутствуют банановые связи, но отклонение от межъядерной оси меньше (7º), чем в циклопропане (21º). Складчатая форма является гибкой и лёгко превращается в другую складчатую форму через плоскую квадратную. O Оксетан плоский, т. к. исчезают четыре заслонённых взаимодействия. 3. Строение циклопентана В гипотетическом плоском циклопентане валентные углы должны быть 108º, что очень близко к тетраэдрическому углу (109º28'). 108 o 72 o 360 = 72° 5 180 – 72 = 108° Однако в плоском циклопентане 10 пар заслонённых С-Н-связей, что вызывает значительное торсионное напряжение, поэтому он неплоский: 5 3 2 1 5 4 Конформация «конверт» Атомы 1, 2, 4, 5 лежат в одной плоскости, угол ССС 104,5º, угол НСН 106º. полукресло конверт 4. Строение циклогексана Почти на 100% циклогексан существует в конформации кресла, которая полностью свободна от напряжения: H H o 111 H H Hа H H H H 107,5 He o He Hа 6 атомов водорода, расположенных параллельно оси С 3, называют аксиальными (а); 6 других атомов водорода, которые лежат вблизи воображаемой плоскости кольца под углом 107,5º к аксиальным протонам, называют экваториальными (е). C3 Согласованное вращение вокруг С-С-связей превращает одну конформацию кресла в другую, идентичную ей по энергии кресловидную конформацию, в которой все экваториальные атомы водорода становятся аксиальными и наоборот. Этот процесс называется инверсией (конверсией) цикла и протекает через ряд более напряжённых конформаций: E полутвист полутвист ванна Hа твист твист He He крeсло крeсло Hа 6 В монозамещённых циклогексанах заместитель почти всегда стремится занять экваториальное положение, а трет-бутильная группа С(СН3)3 всегда экваториальна: CH3 (a) инвeрсия CH3 (e) H H 5% 95% (термодинамически более стабильный конформер) C(CH3)3 (a) инвeрсия C(CH3)3 (e) H H 0,01% 99,99% 1,2-, 1,3- и 1,4-Дизамещённые циклогексаны могут существовать в виде цис- и транс-изомеров. Более стабильным обычно является тот изомер, который в результате инверсии может дать конформер с большим числом заместителей в экваториальном положении. X (a) X (a) a) ae aa X (e) X (a) цис-1,2 транс-1,2 ea X (a) X (e) X (e) ee X (e) Таким образом, устойчивее транс-изомер (в ее-конформации). б) Аналогично, для 1,3-дизамещённых циклогексанов устойчивее изомер с цисконфигурацией: X (a) X (e) цис-1,3 X (e) X (a) в) Для 1,4-дизамещённых циклогексанов транс-изомер устойчивее цис-: X (a) X (e) X (e) X (a) При переходе от циклогексана к циклононану напряжение в цикле увеличивается, а затем снова уменьшается, что связано с появлением трансаннулярного напряжения 7 (напряжения Прелога), которое заключается в пространственном (ван-дер-ваальсовом) взаимодействии между атомами кольца и заместителями расположенными напротив друг друга: C(CH3 )3 H трет-бутилциклооктан В цикле могут присутствовать кратные связи. Циклоалкины относительно стабильны, начиная с циклооктина: Начиная с циклогептена, можно получить цис- и транс-изомеры. Транс-циклооктен можно разделить на оптические антиподы: зeркало Получение І. Циклопропаны и циклобутаны 1). дегалогенирование дигалогеналканов: CH2 Br (CH2 )n CH2 Br Zn или Mg или Na CH2 CH2 ZnBr (CH2 )n CH2 Br - ZnBr2 (CH2 )n CH2 n=1÷4 При n > 2 выходы низкие. Для получения циклоалканов с высоким выходом на первой стадии соединение обрабатывают магнием, а затем трифлатом серебра СF3SO3Ag (серебряная соль трифторметансульфокислоты). 2). взаимодействие дигалогеналканов с малоновым эфиром: 8 CH2 Br (CH2)n CH2 CH2 COOC2H5 H 2 RONa C + Br COOC2H5 - 2 NaBr H - 2 ROH CH2 (CH2 )n COOH (CH2)n COOC2H5 CH2 to (CH2 )n - CO2 COOH + 2 HOH, H -2 C2H5OH C CH2 C CH2 COOC2H5 CH COOH n = 0 :- 4 CH2 Аналогичным образом реагируют с дигалогеналканами и другие соединения типа X CH2 , гдe X= COOC2H5, Y= CN или X= C6H5, Y= NO2 и др. Y Механизм реакции: O COOC2 H5 CH2 COOC2 H5 - + C2H5ONa - C2H5ONa + Na CH C CH2 CH2 COOC2 H5 Br CH COOC2 H5 OC2H5 Br CH2CH2 Br - NaBr OC H 2 C 5 O - + C2H5ONa - C2H5ONa CH2 CH2 COOC2 H5 Br C Na+ COOC2 H5 COOC2 H5 - NaBr COOC2 H5 3). Дегидрогалогенирование соединений, содержащих акцепторные заместители в γположении по отношению к галогену: Y OH CH CH2 Hal - H O 2 CH2 H Hal: Br, Cl; Y: C R , O Y CH C O Y CH2 Hal CH2 - Hal NO2 . C N, , OR 4). Взаимодействие алкенов с карбенами (смотри алкены). H C C H3C CH3 H Br + .. CBr2 Реакция Симмонса - Смита: CH3 H3C + C C H H H Br C C C H3C CH2I2 CH3 H Zn/Cu Na + C2H5OH - 2 NaBr H3C H H H3C CH3 H CH3 H 9 Процесс стереоспецифичен. Механизм реакции: CH2I2 + Zn → Y−Zn−CH2I (карбеноид) =/ + ZnI ZnI CH2 I CH2 + ZnI2 I ІІ. Циклопентаны и циклогексаны 1). Пиролиз солей двухосновных кислот O CH2 C (CH2 )n CH2 C O - M2+ O 500o CH2 (CH2 )n + O CH2 O MCO3 M2+: Fe, Ba, Ca, Mn. n= 2÷4 или самих дикарбоновых кислот (над оксидом тория ТhО2): CH2 CH2 COOH ThO2 CH2 + CO2 (CH2)4 to COOH CH2 C O 2). Внутримолекулярная сложноэфирная конденсация эфиров дикарбоновых кислот по Дикману: OO O CH2 C (CH2)n CH2 C O R O - + RONa - ROH CH2 C (CH2)n O R C O CH COOR CH2 C AdN (CH2)n O CH C .. CH C + H3O - ROH (гидролиз сложного эфира) CH2 (CH2 )n - - RO CH2 C O CH OR O OR O R CH2 (CH2 )n O R to - CO2 (CH2 )n (дeкарбоксиCOOH лированиe) C O Zn (Hg) + HCl (восстановлeниe CH2 по Клeммeнсeну) (CH2 )n n=2, 3 3). Реакция Дильса – Альдера: C N C N + диен диенофил 10 ). Гидрирование бензола и его производных: CH3 + 3 H2 CH3 Pt to 5). Из малонового эфира и дигалогеналканов. 6). Дегидроциклизация алканов: CH3 H3C C CH2 CH CH3 CH3 CH3 H3C Pt to + H2 H3C CH3 7). Ацилоиновая конденсация: O C (CH2 )n C OCH3 O C Na; (CH3)3SiCl ксилол (CH2 )n C OCH3 Zn + CH3COOH (CH2)n O + H3O O Si(CH3 )3 CH OH (CH2 )n O Si(CH3 )3 C O n= 2÷27 ! Механизм: - + . ONa O C (CH2 )n C OCH3 O . + 2 Na C SET (CH2 )n C. OCH3 OCH3 - + ONa OCH3 - + ONa (CH2)n OCH3 C O (CH2 )n C - + ONa 2 Na O (CH2 )n SET C O Si(CH3)3 (CH2)n C O Si(CH3)3 OCH3 . - + C ONa . - + C ONa (CH2 )n - + C. ONa + H3O - 2 (CH3)3SiOH -2 CH3ONa C OH (CH2)n C OH - + C ONa ~H + 2 (CH3)3SiCl - 2 NaCl C (CH2)n O CH OH ІІІ. Средние циклы и макроциклы 1). Ацилоиновая конденсация; 2). Внутримолекулярная циклизация динитрилов по Торпу: 11 CH2 C N C2H5ONa - C2H5ONa (CH2)n CH2 C N C2H5OH - C2H5ONa CH2 C (CH2)n CH2 (CH2 )n - CH Na+ C NH + H3O N AdN (CH2)n C N - + C N Na CH C N CH2 (CH2 )n CH2 C O CH CH C CH2 to - CO2 (CH2 )n C O CH2 COOH N n= 2 ÷ 5, >11 (при n = 6 ÷ 10 выходы очень низкие). 3). Взаимодействие циклоалканонов с диазометаном: CH2 (CH2)n C O + ..- CH2 + N N CH2 + CH2 N C (CH2)n N - O CH2 - N2 CH2 (CH2)n C O n= 1, 2, 4, 5 (циклогексанон [n =3] получить нельзя). Если в качестве катализатора использовать BF3+LiCl, то n= 6 ÷ 12. Физические свойства С3 - С4 - газы; С5 - С11 – жидкости, начиная с С12 – твёрдые вещества; ρ<1, плохо растворимы в воде, хорошо растворимы в неполярных растворителях; температуры плавления, кипения и плотность больше, чем у соответствующих алканов. Химические свойства І. Свойства циклопропанов Из-за высокой напряжённости циклопропан легко вступает в реакции присоединения с раскрытием цикла (хотя и труднее алкенов). Другие циклоалканы обычно подвергаются реакциям замещения (SR) с сохранением цикла (за исключением гидрирования). Все циклоалканы, включая циклопропан, устойчивы к О3 и KMnO4. 12 R Cl2, h, t>100o или Cl2 + FeCl3 H2C CH2 C R' Cl Cl H3C CH2 CH R' + Cl2, h t<100o R' H2C CH2 C R' Br Br R R' R + H2O, H Hg (CH3COO)2 в R''-OH R H3C CH2 C R' OH (по правилу Марковникова) R HHal в присутствии воды H3C C O Hg CH2 C R' (рeакция сопря жeнного O O R'' присоeдинeния ) NaBH4 H3C CH2 C R' Hal (Hal= Cl, Br; по правилу Марковникова) R CH3 C R' O R'' CH3 C CH3 R Br2, h R + R' Cl HCl R R H2, Ni, 80o (R''= H, CH3, C2H5, COCH3 и др.) Чаще всего разрываются С-С-связи между наиболее и наименее замещёнными атомами углерода. Циклопропаны более сильные С-Н-кислоты, чем алканы: Li + C4H9Li + C4H10 При нагревании в присутствии силикагеля циклопропаны изомеризуются в алкены: to SiO2 H2C CH CH3 Если циклопропановый цикл находится в сопряжении с С=О группой, то присоединение ННаl идёт против правила Марковникова: C + HBr , но нe H3C CH2 CH C BrCH2 CH2 CH2 C O O Br O Гидрирование винилциклопропанов вследствие сопряжения протекает как 1,5присоединение: 4 5 3 2 CH3 1 CH2 H2 5 4 3 CH3 2 1 H3C CH2 CH C CH3 ІІ. Свойства циклов с бόльшим числом атомов углерода 13 Химические свойства аналогичны свойствам алканов (реакции SR) Br NO2 HNO3 (разб.) t o, p (рeакция Коновалова) HO HHal + HBr H2, Ni 310o H3C (CH2 )4 CH3 [O] [O] O Br2, h AlCl3, to конц. HNO3 или О2 / Kt Pt (Pd) 300o + 3 H2 (дeгидрированиe) (изомeризация ) [O] CH3 O R C OH C OH R Pt R' o t R Pt, to - 3 H2 R' O адипиновая (гександиовая) кислота R' (миграция алкильной группы и последующее дегидрирование) Цис- и транс-изомеры производных циклогексана могут по-разному реагировать с одним и тем же реагентом, например: a) H OH OH Cl OH H транс-изомeр H H инвeрсия O H - H2O H Cl SN2 - Cl O Cl для образования цикла требуется 1,2-диаксиальное расположение заместителей. H OH H Cl цис-изомeр OH H H O- + ~H - Cl O Cl бимолекулярное элиминирование 14 б) CH3 H Cl H H3C CH3 CH3 C2H5ONa - C2H5ONa CH3 + H3C H3C CH3 0% 100% H CH3 CH3 CH3 - OC2H5 Cl CH3 Cl CH3 H Cl H3C CH3 CH3 CH3 и H H3C C2H5ONa - C2H5ONa CH3 + H3C H3C CH3 78% CH3 22% Cl CH3 - C2H5O H смeсь изомeров - OC2H5 H В случае средних циклов часто протекают трансаннулярные реакции, которые осуществляются с участием пространственно сближенных атомов, находящихся на противоположных сторонах цикла: - Br Br Br2 - - Br + Br циклононадиeн-1,5 CH3 H HO OH 1-метилциклодекандиол-1,6 Br CH3 + H + H2O H O H - CH3 ~H - H2O + -H O 6-метилциклодеканон-1 ІІІ. Реакции, сопровождающиеся расширением и сужением цикла Перестройка циклов происходит тогда, когда в реагирующей молекуле возникает карбокатионный центр. При этом, когда он локализуется на эндоциклическом атоме 15 углерода, происходит сужение цикла, а когда на атоме углерода, соседнем с циклом – его расширение. Сужение обычно наблюдается для С4→С3 и С6→С5, С5→С4 (редко, например, в перегруппировке Фаворского), а расширение для всех. NH2 HNO2 + + CH2 - N2 рeакция Дeмья нова - H+ H2O - H+ H2O OH CH2OH + CH2 NH2 HNO2 - N2 + - H+ H2O - H+ H2O OH CH2OH Аналогично: CH2OH H2SO4 - H2O + CH2 + - H+ - H+ CH2 CH2 OH HBr - H2O + + CH2 - Br - Br Br CH2 Br Сужение циклов происходит и при перегруппировке Фаворского. Перегруппировка Фаворского – превращение циклических α–галогенкетонов под 16 действием щёлочей в циклоалканкарбоновые кислоты с меньшим на одно углеродное звено циклом: O O C ONa + 2 NaOH + NaBr + H2O Br Механизм: O Br - - OH - H2O Br - O O OH + H3O H C OH - Br- + O - O - OH C O C O- O OH Отдельные представители циклоалканов 1). Стероиды – содержат фрагмент циклопентанопергидрофенантрена: напримeр, холeстeрин CH3 H3C CH3 CH3 CH3 HO половые гормоны (эстрон, тестостерон), сердечные гликозиды. 2). Пиретрины – природные инсектициды, производные хризантемовой кислоты: (CH3)2C CH COOH H3C CH3 3). Простагландины – производные простановой кислоты: 17 COOH CH3 Действуют на половую систему, стимулируют роды, прекращают беременность и др. 4). Ряд терпенов имеют циклическое строение: CH3 CH3 CH3 H3 C H3C CH2 лимонен (содержится в масле цитрусовых) α-пинен (содержится в скипидаре) монотерпены Полициклические соединения 1). Изолированные: CH2 циклопропилциклопентилметан циклопропилциклопентан Получение: a) 2 Cl + 2 Na (рeакция Вюрца) - 2 NaCl б) Cl + Mg (C2H5)2O O + H3O - Mg(OH)Cl MgCl O MgCl OH в) CH2 + 6 H2 Pt to CH2 18 2). Циклы с одним общим атомом углерода (спиросоединения): 9 10 7 6 8 1 Приставка «спиро» соединяется с названием нормального алкана с тем же числом атомов углерода. В квадратных скобках в порядке возрастания ставят числа, указывая число атомов в каждом цикле. Нумерацию ведут так, чтобы общий атом углерода имел меньший номер. 2 3 5 4 спиро[4.5]декан O CH2 CH2 C CH2 C - OR O 1 9 8 RO 5 6 7 OR COOR 2 (реакция Дикмана) 3 4 O алкил-3-оксоспиро[4.4]-нонан-2-карбоксилат 3). Циклы с двумя общими соседними атомами углерода (конденсированные циклические системы) Приставка «бицикло» прибавляется к названию алкана с тем же числом атомов углерода. В квадратных скобках в порядке уменьшения ставят число атомов в каждом цикле. Нумерацию ведут с самого большого цикла. 2 3 4 5 1 9 бицикло[4.3.0]нонан 8 6 7 Получение: H H H a) H2, Ni + H транс-декалин бицикло[4.4.0]декан б) + цис-декалин ..CH 2 - N2 h [2+1]-циклоприсоeдинeниe бицикло[4.1.0]гeптан CH2N2 в) CH2 C CH2 C O OH O OH 5 ThO2, to - CO2 - H2O 4 3 2 6 1 7 8 O 9 бицикло[4.3.0]нонан-8-он 19 O O г) (реакция Дильса-Альдера) + O O 4). Циклы с числом общих атомов углерода в цикле больше двух (мостиковые циклические системы): 1 2 3 6 узловыe атомы ("голова моста") 7 CH 2 5 мостиковый атом 4 бицикло[2.2.1]гeптан Приставка «бицикло» прибавляется к названию алкана с тем же числом атомов углерода. В квадратных скобках в порядке уменьшения ставят число атомов углерода в каждом цикле. Нумерацию ведут с самого большого цикла, а мостиковые атомы нумеруют последними. (реакция Дильса-Альдера) + X X 5). Каркасные соединения (полиэдрические): C(CH3 )3 C(CH3)3 (CH3 )3C C(CH3 )3 кубан 1 8 9 7 6 5 призман тетра-трет-бутилтетраэдран 2 10 3 адамантан (содержится в нефти, но очень мало) 4 Получение: 2 CH2 2 H2, Pd (реакция Дильса-Альдера) CH2 AlCl3, 170°C (изомеризация) Адамантан содержит три циклогексановых кольца в конформации кресла, свободен от напряжений, структура является фрагментом кристаллической решётки алмаза. 20