Циклопропан: строение и структура

Дегидрирование алканов

Алканы с длинным углеродным скелетом, содержащие  5 и более атомов углерода в главной цепи, при нагревании в присутствии металлических катализаторов образуют циклические соединения.

При этом протекает дегидроциклизация – процесс  отщепления водорода с образованием замкнутого цикла.

Пентан и его гомологи, содержащие пять атомов углерода в главной цепи, при нагревании над платиновым катализатором образуют циклопентан и его гомологи:

Алканы с углеродной цепью, содержащей 6 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют устойчивые шестиатомные циклы, т. е. циклогексан и его гомологи, которые далее превращаются в ароматические углеводороды.

Гексан при нагревании в присутствии оксида хрома (III) в зависимости от условий может образовать циклогексан и потом бензол:

Гептан при дегидрировании в присутствии катализатора образует метилциклогексан и далее толуол:

Дегидроциклизация алканов — важный промышленный способ получения циклоалканов.

2. Гидрирование бензола и его гомологов

При гидрировании бензола при нагревании и в присутствии катализатора образуется циклогексан:

При гидрировании толуола образуется метилциклогексан:

Этим способом можно получить только циклогексан и его гомологи с шестичленным кольцом.

Реакции присоединения к циклоалканам

1. Гидрирование циклоалканов

С водородом могут реагировать малые циклы, а также (в жестких условиях) циклопентан. При этом происходит разрыв кольца и образование алкана.

Циклопропан и циклобутан довольно легко присоединяют водород при нагревании в присутствии катализатора:

Циклопентан присоединяет водород в жестких условиях:

Бромирование протекает более медленно и избирательно.

Циклогексан и циклоалканы с большим число атомов углерода в цикле с водородом не реагируют.

2. Галогенирование циклоалканов

Циклопропан и циклобутан реагируют с галогенами, при этом тоже происходит присоединение галогенов к молекуле, сопровождающееся разрывом кольца.

3. Гидрогалогенирование

Циклопропан и его гомологи с алкильными заместителями у трехчленного цикла вступают с галогеноводородами в реакции присоединения с разрывом цикла.

1. Галогенирование

Галогенирование циклопентана, циклогексана и циклоалканов с большим количеством атомов углерода в цикле протекает по механизму радикального замещения.

При хлорировании метилциклопентана замещение преимущественно протекает у третичного атома углерода:

2. Нитрование циклоалканов

При взаимодействии циклоалканов с разбавленной азотной кислотой при нагревании образуются нитроциклоалканы.

3. Дегидрирование

При нагревании циклоалканов в присутствии катализаторов протекает дегидрирование – отщепление водорода.

Циклогексан и его производные дегидрируются при нагревании и под действием катализатора до бензола и его производных.

Реакции замещения

Дегалогенирование дигалогеналканов

При действии активных металлов на дигалогеналканы, в которых между атомами галогенов находится три и более атомов углерода.

Таким образом можно синтезировать циклоалканы заданного строения, в том числе циклоалканы с малыми циклами (С3 и С4).

1. Горение

Как и все углеводороды, алканы горят до углекислого газа и воды. Уравнение сгорания циклоалканов в общем виде:

CnH2n 3n/2O2 → nCO2 nH2O Q

2C5H10 15O2 → 10CO2 10H2O Q

2. Окисление

При окислении циклогексана азотной кислотой или в присутствии катализатора образуется адипиновая (гександиовая) кислота:

Аналоги

Триметилен, Фторотан, Трихлорэтилен.

Взаимодействие

Противопоказано вводить Адреналин и Норадреналин.

Геометрическая (цис-транс-) изомерия

У циклоалканов с двумя заместителями, расположенными у соседних атомов углерода в цикле цис-транс-изомерия обусловлена различным взаимным расположением в пространстве заместителей относительно плоскости цикла.

Для 1,1-диметилциклопропана цис-транс-изомерия не характерна.

Енантиомерия производных циклопропана

Енантиомерия алициклических соединений возникает при наличии хирального атома углерода и отсутствия элементов симметрии, в первую очередь плоскости симметрии. Так, циклопропан с двумя одинаковыми заместителями в транс-1,2-положении или с двумя разными как в транс-1,2, так и в цис-1,2-положении существует в виде энантиомеров:

Рисунок 4.

Соединения с цис-1,2 и транс-1,2 пложениями двух одинаковых заместителей является диастереоизомерами между собой.

Метиленциклопропан

Метиленциклопропан представляет собой органическое соединение с формулой $(CH_2)_2CCH_2$.

Рисунок 14.

Это бесцветный легко сжижаемый газ, который используется в качестве реагента в органическом синтезе.

Будучи напряженной и ненасыщенной молекула метиленциклопропана претерпевает множество реакций, особенно в присутствии металлических катализаторов. Например, метиленциклопропаны могут быть преобразованы в циклобутеноны в присутствии платинового катализатора. Этот процесс можно рассматривать аналогично расширению цикла самого циклопропана и прочих его производных:

Рисунок 15.

Молекулярная структура циклопропана

Молекулярную структуру циклопропана можно представить в виде правильного треугольника с валентными углами между тремя атомами углерода по 60$^circ$ и углами водород-углерод-водород по 114$^circ$:

Рисунок 5.

Таким образом валентные углы в цикле циклопропана на 49,5$^circ$ меньше тетраэдрических углов между углеродными атомами алканов, что приводит к напряжению, называемому угловым напряжением Байера.

Согласно квантово-механическим расчеты в молекулах циклопропана реальные углы между связанными углеродными амтомами ( их $sp^3$ гибридными орбиталями) составляют не 60$^circ$, а 104$^circ$:

Рисунок 6.

Такое отклонение объясняется двумя различными теориями:

1. В результате максимальное перекрытие орбиталей происходит не вдоль мижьядерных осей связей $C-C$, а несколько вне их (вне сторон треугольника) с образованием слабых «бананоподибных» связей, которые фактически являются промежуточными между $sigma$- и $pi$-связями (рис. 7, а, А. Коулсон и И И. Моффит, 1947 г.).

2. Также существует мнение об $sp^2$- гибридном состоянии атомов углерода в циклопропане и значительном вкладе $p$-атомных орбиталей в образование бананоподибных связей (рис. 7, б, А. Уолп, 1949),

Рисунок 7. Схема образования связей в циклопропана: а — структура А, Коулсона и Е. Моффита, б — структура А. Уолша. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Наличие такой связи и внутреннего «байеровського» напряженияе приводит к откланению внутренней энергии циклопропана по сравнению с другими циклоалканами и вызывает его высокую реакционную способность, подобную алкенам. Это означает условно, что циклизация пропана в циклопропан более эндотермических реакцией, которая нуждается в дополнительной энергии — энергии «напряжение» в сравнении с циклизацией гексана в циклогексан.

Номенклатура циклоалканов

В названиях циклоалканов используется префикс -ЦИКЛО.

Название циклоалканов строится по следующим правилам:

1. Цикл принимают за главную углеродную цепь. При этом считают, что углеводородные радикалы, которые не входят в главной цепь,  являются в ней заместителями.

2.Нумеруют атомы углерода в цикле так, чтобы атомы углерода, которые соединены с заместителями, получили минимальные возможные номера. Причем нумерацию следует начинать с более близкого к старшей группе конца цепи.

3.Называют все радикалы, указывая впереди цифры, которые обозначают их расположение в главной цепи.

Для одинаковых заместителей эти цифры указывают через запятую, при этом количество одинаковых заместителей обозначается приставками ди- (два), три- (три), тетра- (четыре), пента- (пять) и т.д.

Например, 1,1-диметилциклопропан или 1,1,3-триметилциклопентан.

4.Названия заместителей со всеми приставками и цифрами располагают в алфавитном порядке.

Например: 1,1-диметил-3-этилциклопентан.

5.Называют углеродный цикл.

Обратите внимание!

Информация о лекарствах на сайте является справочно-обобщающей, собранной из общедоступных источников и не может служить основанием для принятия решения об использовании медикаментов в курсе лечения. Перед применением лекарственного препарата Циклопропан обязательно проконсультируйтесь с лечащим врачом.

Особые свойства циклопропанового кольца

Циклопропановое кольцо настолько стабильно к действию окислителей, что алкилциклопропаны реагируют только по $alpha$-положению без раскрытия цикла. Наиболее наглядным примером такого рода реакции является озонолиз тетраспироциклопропана, приводящий к моно- и диспирокетонам.

Рисунок 2.

Аналогично окислительный озонолиз транс-1,2-дифенилциклопропана дает транс-циклопропан-1,2-дикарбоновую кислоту:

Рисунок 3.

Циклопропан является наиболее сильной $C-H$ кислотой из всех циклоалканов. Арилциклопропаны отщепляют протон уже при действии раствора трет-бутилата калия в ДМСО.

Рисунок 4.

Передозировка

Проявляется симптомами: остановка дыхания, остановка сердца.

Лечение: симптоматическая терапия, поддержание жизненных функций организма.

Побочные действия

Часто встречаются головная боль, рвота в послеоперационном периоде, парез кишечника.

Противопоказания

Заболевания, сопровождающиеся нарушением предсердно-желудочковой проводимости.

Реакции с солями ртути

Производные циклопропана реагируют с солями ртути. Эти реакции, были открыты Р. Я. Левиной, и напоминают оксимеркурирование алкенов. Направление раскрытия цикла также как и в случае прочих реакций присоединения соответствует правилу Марковникова.

Рисунок 13.

Свойства циклопропана, характерные и прочим циклоалканам

1. Гидрирование циклопропана (каталитический гидрогенолиз).

   Напряжение цикла циклопропана проявляется во многих его реакциях. В частности он подвергается каталитическому гидрогенолизу с образованием пропана, однако при жестких условиях по сравнению с гидрогенолизом этилена и пропилена.

   

   Рисунок 5.

2. Реакции присоединения. К реакциям присоединения среди циклоалканов в первую очередь склоннен именно циклопропан (в меньшей мере также и циклобутан, который вступает в них в более жестких условиях):

   

   Рисунок 6.

   При действии галогеноводородов на производные циклопропана реакция проходит по правилу Марковникова:

   

   Рисунок 7.

3. Реакции замещения в циклопропане. Несмотря на то, что реакции замещения более характерны для пяти-, шестичленных и высших циклов, циклопропан и и его производные также вступают в этот тип реакций. Например, при хлорировании на свету они образуют смесь моно- и дихлоропроизводных:

   

   Рисунок 8.

   Кроме того, в зависимости от условий при реакции с хлором протекать реакция с раскрытием цикла

   

   Рисунок 9.

   При аналогичной реакции с бромом образуется только 1,3-дибромпропан.

   

   Рисунок 10.

4. Изомеризация циклопропана. Для циклоалканов характерна изомеризация цикла с его расширением или сужением. Только циклопропан изомеризуется при нагревании в присутствии некоторых металлов с расщеплением до пропилена:

   

   Рисунок 11.

   Изомеризация циклопропана происходит также при реакциях замещения, причем цикл сужается или расширяется, как правило, на один атом углерода (М. Кижнер, В. Марковников):

   

   Рисунок 12.

Состав

Бесцветный легковоспламеняющийся газ, который при комнатной температуре и давлении 5 атм. переходит в жидкое состояние.

Срок годности

2 года со дня ввода баллона в эксплуатацию.

Строение циклопропана

Циклопропан представляет собой молекулу циклоалкана с молекулярной формулой $C_3H_6$, состоящей из трех атомов углерода, связанных друг с другом с образованием кольца, каждый атомом углерода связан с двумя атомами водорода, что приводит к $D3h$ симметрии молекулы.

Рисунок 1.

Циклопропан и пропилен имеют одинаковую молекулярную формулу — $C_3H_6$, но имеют различные структуры, что делает их структурными изомерами.

Циклопропан является анестетиком. В современной анестезиологической практике, он был заменен другими агентами, из-за его крайней реактивности при нормальных условиях: когда газ смешивается с кислородом, существует значительный риск взрыва.

Структурная изомерия

Для  циклоалканов характерна структурная изомерия, связанная с разным числом углеродных атомов в кольце, разным числом углеродных атомов в заместителях и с положением заместителей в цикле.

• Изомеры с разным числом атомов углерода в цикле отличаются размерами углеродного цикла.

• Изомеры с разным числом атомов углерода в заместителях отличаются строением заместителей у одинакового углеродного цикла.

• Изомеры с разным положением одинаковых заместителей в углеродном цикле.

• Межклассовая изомерия: циклоалканы изомерны алкенам.

Условия продажи

Отпускается медицинским учреждениям.

Условия хранения

В прохладных местах с отсутствием источников огня.

Фармакодинамика

Циклопропан — бесцветный газ, обладающий высокой анальгетической и наркозной активностью.

Фармакокинетика

Введение в наркоз — 3-5 мин, без стадии возбуждения. Быстро вызывает стадию глубокого наркоза.

Не разрушается в организме, в неизменном виде выделяется практически полностью в течение 10 мин.

Фармакологическое действие

Общее анестезирующее, средство для ингаляционного наркоза.

Форма выпуска

Стальные баллоны оранжевого цвета объемом 1 л и 2 л под давлением 5 атм. Надпись выполняется черным цветом.

Химические свойства циклоалканов

Циклоалканы с малым циклом (циклопропан, циклобутан и их замещенные гомологи) из-за большой напряженности в кольце  могут вступать в реакции присоединения.

Цена, где купить

В настоящий момент Циклопропана нет в наличии в аптеках и интернет-аптеках городов России. Есть несколько компаний, занимающихся реализацией химической продукции для научных лабораторий, фармацевтики и медицины. На их сайтах можно сделать заказ, оставив свой запрос.

Циклопропан — вики

Циклопропан, как анестетик

Циклопропан был введен в клиническую практику о американским анестезиологом Ральфом Вотерсом, который использовал закрытую систему с поглощением углекислого газа, чтобы сохранить этот тогда дорогостоящий агент. Циклопропан является относительно мощным анестетиком, не вызывает раздражения и имеет сладкий запах с минимальной альвеолярной концентрацией 17,5% и коэффициентом распределения кровь/газ 0,55.

Это означает, что индукция анестезии при вдыхании циклопропана и кислорода была быстрой и не неприятной. Однако при длительной анестезии циклопропаном у пациентов может возникнуть внезапное снижение кровяного давления, что может привести к сердечной аритмии; реакции, известной как «циклопропановый шок».

По этой причине, а также из-за его высокой стоимости и его взрывоопасности, его теперь используют только для индукции анестезии, и из клинического использования он исключон с середины 1980-х годов. Баллоны циклопропана и его расходомеры были окрашены в оранжевый цвет.

Циклопропан неактивен для ГАМК и глициновых рецепторов, а вместо этого выступает в качестве антагониста рецептора НМДА. Он также ингибирует рецептор АМПА и никотиновые рецепторв ацетилхолина и активизирует определенные каналы К2П.

Отзывы

Общие анестетики делятся на ингаляционныеи неингаляционные. Растворы неингаляционных анестетиков вводятся внутривенно, их концентрацией управлять трудно, но они имеют преимущество — отсутствует стадия возбуждения при их применении.

Современный наркоз начинается с внутривенного введения неингаляционного анестетика. Далее переходят на один из ингаляционных анестетиков или их комбинацию, которая позволяет уменьшить токсические эффекты.

Ингаляционные анестетики представлены легко испаряющимися (летучими) жидкостями и газами, среди которых — Циклопропан. Подаются через наркозный аппарат и их концентрацией легко управлять. В настоящий момент Фторотан, имея хорошие наркотизирующие свойства и безопасность применения, вытеснил ранее применявшийся Циклопропан.

В стоматологии Циклопропан применялся вообще очень редко по некоторым причинам. Он образует воспламеняющиеся смеси и применять его крайне опасно в условиях использования бормашины и приборов, дающих искру. Кроме того, он повышает возбудимость слизистой дыхательных путей и при операциях в полости рта, на тканях ротоглотки и гортани на фоне его применения возникает ларингоспазм/бронхоспазм.