Номер 76, страница 33 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.76. Как меняются условия гидрирования в ряду циклопропан – циклобутан – циклопентан? Чем вызваны эти отличия?

В ряду циклоалканов от циклопропана к циклопентану условия, необходимые для реакции каталитического гидрирования (присоединения водорода с разрывом цикла), становятся последовательно всё более жёсткими. Это различие в реакционной способности напрямую связано со стабильностью циклической структуры, которая определяется величиной внутреннего напряжения цикла.

Изменение условий гидрирования:

• Циклопропан ($C_3H_6$). Является самым реакционноспособным в этом ряду. Его цикл очень напряжен, поэтому он легко вступает в реакции присоединения с разрывом цикла, подобно алкенам. Гидрирование до пропана происходит в относительно мягких условиях: при нагревании до $80-120^\circ C$ в присутствии катализаторов, таких как Ni, Pt, Pd.

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

• Циклобутан ($C_4H_8$). Менее напряжен, чем циклопропан, и, следовательно, более стабилен. Для его гидрирования до н-бутана требуются более жёсткие условия: температура повышается до $180-200^\circ C$ на тех же катализаторах.

  $C_4H_8 + H_2 \xrightarrow{Ni, 200^\circ C} CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

• Циклопентан ($C_5H_{10}$). Является стабильным соединением, так как его цикл практически не имеет напряжения. По своим химическим свойствам он близок к ациклическим алканам. Реакции с разрывом цикла для него нехарактерны. Гидрирование циклопентана до н-пентана возможно только в очень жёстких условиях: температура свыше $300^\circ C$ и высокое давление.

Причина отличий:

Главной причиной таких различий является напряжение цикла (угловое и торсионное), описанное в теории напряжений А. Байера. Стабильность циклоалкана тем выше, чем меньше в нем напряжение.

• В молекуле циклопропана валентные углы между атомами углерода составляют $60^\circ$, что сильно отличается от нормального тетраэдрического угла для $sp^3$-гибридизованного атома углерода ($109.5^\circ$). Это создает огромное угловое напряжение, делая цикл нестабильным и склонным к разрыву.

• В молекуле циклобутана углы C-C-C составляют около $88^\circ$ (молекула не плоская). Угловое напряжение все еще значительно, но уже намного меньше, чем у циклопропана. Это делает цикл более прочным.

• Молекула циклопентана принимает неплоскую конформацию "конверта", в которой валентные углы очень близки к $109.5^\circ$, а торсионное напряжение сведено к минимуму. В результате цикл практически не напряжен, что обуславливает его высокую стабильность и химическую инертность в реакциях с разрывом цикла.

Таким образом, по мере перехода от циклопропана к циклопентану напряжение цикла уменьшается, его стабильность возрастает, и, как следствие, для проведения реакции гидрирования требуются всё более жёсткие условия.

Ответ: В ряду циклопропан — циклобутан — циклопентан условия гидрирования становятся более жёсткими: температура, необходимая для реакции, возрастает ($80^\circ C \to 200^\circ C \to >300^\circ C$). Эти отличия вызваны уменьшением напряжения цикла в указанном ряду. Наиболее напряжённый циклопропан обладает наивысшей реакционной способностью. Стабильность циклобутана выше, а циклопентан является практически ненапряжённой и стабильной молекулой, что и обуславливает необходимость применения всё более жёстких условий для разрыва цикла.