Номер 13, страница 28 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.13. В чём особенности реакционной способности циклопропана? Приведите примеры реакций.

Особенности реакционной способности циклопропана, представителя малых циклов, кардинально отличают его от других циклоалканов (начиная с циклопентана) и сближают по свойствам с алкенами. Это обусловлено высоким напряжением в его трехчленном цикле.

Угловое напряжение (напряжение Байера)

В молекуле циклопропана атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации, для которой характерен валентный угол $109.5^\circ$. Однако из-за циклической структуры валентные углы C–C–C в циклопропане вынужденно составляют $60^\circ$. Такое значительное отклонение от нормального значения создает огромное угловое напряжение в молекуле. Энергия напряжения в циклопропане составляет около 115 кДж/моль. Система стремится снять это напряжение, что достигается путем разрыва цикла. Поэтому для циклопропана характерны реакции присоединения с раскрытием цикла, а не реакции замещения, типичные для алканов и больших циклов.

Особенности строения C–C связей

Из-за сильного углового напряжения прямое перекрывание $sp^3$-гибридных орбиталей углеродных атомов вдоль линии, соединяющей их центры, невозможно. Перекрывание происходит по дугам вне этой линии, что приводит к образованию так называемых «банановых» связей. Эти связи являются промежуточными по своей природе между чистыми $\sigma$- и $\pi$-связями. Они слабее обычных $\sigma$-связей в алканах, что также облегчает разрыв цикла.

Таким образом, высокая реакционная способность циклопропана обусловлена его стремлением снять внутреннее напряжение за счет разрыва ослабленных С–С связей в цикле.

Примеры реакций

Для циклопропана характерны реакции присоединения, идущие с разрывом одной из связей C–C.

1. Гидрирование (присоединение водорода)
Циклопропан, в отличие от устойчивых циклоалканов, способен присоединять водород в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) при нагревании, превращаясь в пропан. Реакция протекает в более жестких условиях, чем гидрирование алкенов.

$C_3H_6 + H_2 \xrightarrow{Ni, 80-120^\circ C} CH_3-CH_2-CH_3$

2. Галогенирование (присоединение галогенов)
Циклопропан взаимодействует с бромом ($Br_2$) и хлором ($Cl_2$) по механизму присоединения без УФ-облучения (в отличие от алканов, которым для реакции замещения нужен свет). Происходит разрыв цикла и образование 1,3-дигалогенпропанов.

$C_3H_6 + Br_2 \rightarrow Br-CH_2-CH_2-CH_2-Br$ (1,3-дибромпропан)

3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов)
Циклопропан присоединяет галогеноводороды (HBr, HI), также с разрывом цикла. Реакция с HBr идет при комнатной температуре.

$C_3H_6 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-Br$ (1-бромпропан)

Ответ:

Особенность реакционной способности циклопропана заключается в его склонности к реакциям присоединения с разрывом цикла, что нехарактерно для алканов и крупных циклоалканов, но сближает его с алкенами. Эта особенность обусловлена наличием большого углового напряжения в трехчленном цикле и специфическим строением C–C связей («банановые» связи). Примерами таких реакций являются каталитическое гидрирование до пропана, присоединение галогенов с образованием 1,3-дигалогенпропанов и присоединение галогеноводородов с образованием 1-галогенпропанов.