В обычных условиях циклопропан и циклобутан — газы; циклоалканы, содержащие от 5 до 11 атомов углерода в цикле, — жидкости; последующие представители — твердые вещества.
Температуры кипения и плавления циклоалканов выше по сравнению с константами соответствующих алканов. Практически не растворимы вводе.
Строение циклоалканов
Циклоалканы представляют собой в определенной степени жесткие структуры.
Для циклоалканов характерны следующие виды напряжений:
1 ) торсионное (Пи гцеровское) напряжение — связано со взаимодействием химических связей в заслоненной или частично заслоненной конформациях;
2) напряжение Ван-дер-Ваальса — обусловлено взаимным отталкиванием заместителей при сближении на расстояние, близкое сумме их вандерваальсовых радиусов;
3) угловое (Байеровское) напряжение — присуще отдельным циклоалканам и связано с отклонением валентных углов между углерод-углеродными связями в цикле от нормального (тетраэдрического) значения.
Теория напряжения циклов была предложена немецким химиком-органиком А. Байером в 1885 г. Согласно этой теории циклоалканы представляют собой плоские многоугольники. Единственным фактором, определяющим прочность цикла, считалось напряжение, вызванное отклонением внутренних валентных углов цикла по сравнению с тетраэдрическим углом.
Если рассматривать форму циклоалканов в виде простых геометрических фигур, имеющих плоское строение, то можно отметить, что при переходе от одного никла к другому происходит изменение валентного угла. Чем значительнее отклонение, тем выше угловое напряжение и менее устойчив цикл.
В соответствии с вышеприведенным, трехчленный цикл менее устойчив, чем четырехчленный, а последний — менее устойчив, чем пятичленный. Эти представления подтверждались накопленным к тому времени экспериментальным материалом. Однако для шестичленного цикла экспериментальные данные вступали в противоречия с теорией. Шестичленные циклы (внутренний угол 120' ). имеющие значительное отклонение валентных углов, оказались устойчивее пятичленных, в которых внутренние углы наиболее близки к тетраэдрическим.
Причиной несоответствия теории Байера с экспериментальным материалом явилось ошибочное представление о плоском строении циклов. В действительности же циклоалканы (исключая циклопропан) не имеют плоского строения.
Пространственное строение циклоалканов определяется разной конформационной подвижностью углеродных атомов, зависящей от числа звеньев в цикле. Молекула любого циклоалкана стремится принять в пространстве такую форму (конформацию), в которой сумма углового, торсионного и вандерваальсового напряжений была бы минимальной. Наиболее жесткую структуру имеет циклопропан. В соответствии с правилами геометрии три точки всегда лежат в одной плоскости. Именно поэтому молекула циклопропана имеет плоское строение. Атомы водорода в данной молекуле находятся в заслоненной конформации, что и обуславливает сильное торсионное напряжение. Свободное вращение относительно углерод-углеродных связей невозможно. Внутренние валентные углы в молекуле циклопропана сильно отклонены от тетраэдрнческого значения, в результате чего и возникает большое угловое напряжение. Искажение валентных углов при гибридизации орбиталей углеродных атомов должно составлять а = ( 109°28' — 60°):2 = 24*44'. В действительности в молекуле циклопропана валентный угол равен 106". Согласно квантовохимическим представлениям изменение угла является результатом изменения гибридизации атомов углерода. Гибридизация орбиталей в молекуле циклопропана ближе к гибридизации алкенов, чем к гибридизации алканов (промежуточное положение).
Вследствие взаимного отталкивания электронных облаков углерод-углеродных связей максимальная электронная плотность перекрывающихся орбиталей атомов углерода в молекуле циклопропана расположена не по прямой, соединяющей центры связываемых атомов, а за пределами треугольника молекулы.
Образующиеся связи называют «банановыми» или т-(греч. «тау») связями. Они занимают промежуточное положение между g и r-связями. Образование т-связей выгодно, так как валентные углы увеличиваются до 106е (вместо теоретически рассчитанных 60°) и снижается угловое напряжение молекулы.
Четырехчленный цикл, в отличие от трехчленного, все же обладает незначительной гибкостью. Валентные углы искажены меньше, чем в трехчленном цикле, несколько ниже и угловое напряжение. Один из углеродных атомов циклобутана выходит из плоскости трех атомов на угол 25-30', что приводит к уменьшению торсионного напряжения цикла.
В пятичленном цикле практически отсутствует угловое напряжение (отклонение внутренних валентных углов от тетраэдрического составляет менее 1°). Однако в плоском пятичленном цикле связи С-H находятся в заслонен ной конформации, что обуславливает значительное торсионное напряжение. Каждый из пяти углеродных атомов циклопентана, стремясь уменьшить торсионное напряжение в цикле, поочередно выходит из плоскости, в которой расположены четыре оставшихся атома углерода. Кольцо находится в непрерывном волнообразном движении — псевдовращения. Эта неплоская осциллирующая структура называется конформацией «конверта». В конформации «конверта» угловое напряжение увеличивается, однако это в полной мере компенсируется снижением торсионного напряжения молекулы.
Если представить шестичленный НИ ICI плоским, то его внутренние валентные углы должны быть равными 120е. Это обусловило бы значительное угловое напряжение. Следует отметить, что в плоской структуре появляются взаимодействия, связанные с заслонением С-H-связей, то есть торсионное напряжение.
Однако же циклогексан не является плоской структурой и существует без углового напряжения, так как все валентные углы в нем тетраэдрические.
До недавнего времени считали, что наиболее устойчивыми структурами циклогексана являются две изомерные конформации, взаимопревращающиеся друг в друга за счет поворота вокруг с-связей без их разрыва: «кресла» С (от англ. chair— кресло) и «ванны» В (от англ. tor—лодка). Более устойчивой является конформация «кресла», так как лишена торсионного напряжения (все атомы углерода и водорода находятся в заторможенной конформации). В конформации «ванны» происходит заслонение связей, расположенных вдоль двух параллельных боковых сторон молекулы, что обуславливает торсионное напряжение.
В настоящее время с помощью физико-химических методов исследования установлено, что циклогексан может существовать в различных конформациях: «кресло», твист-форш (искаженная ванна), «полукресло», «ванна». Второй по устойчивости является твист-форма. Она образуется в результате «скручивания» конформации «ванны» в продольном направлении, что уменьшает напряжение в цикле.
В обычных условиях преобладающая часть молекул циклогексана (99,9 %) существует в конформации «кресла». В результате вращения вокруг углерод-углеродных связей одна конформация «кресла» переходит в другую, энергетически равноценную, форму кресла. Такой процесс называют инверсией цикла. Две конформации «кресла» могут взаимно превращаться как с промежуточным образованием конформации «ванны», конформации, так и без прохождения через конформацию «ванны».
Изучая пространственное строение циклогексана, было установлено, что шесть С-Н связей расположены вдоль оси симметрии молекулы, а другие шесть — под углом 109*28*. Связи, параллельные оси симметрии, называют аксиальными (обозначают символом «а»), а рас положенные радиально — называют экваториальными (обозначают символом «е»). Каждый атом углерода имеет одну аксиальную, а другую экваториальную связь С—Н. При инверсии никла (-100 ООО раз в секунду при 25 С) все экваториально связанные атомы водорода становятся аксиальными, а все аксиально-связанные — экваторнальными. Взаимопревращения в циклогексане протекают настолько быстро, что все атомы водорода циклогексана становятся эквивалентными.