Циклопропан как органическое соединение¶

Циклопропан — насыщенный углеводород циклического строения с химической формулой C₃H₆. Относится к классу циклоалканов (циклопарафинов) и является простейшим представителем этого ряда. При нормальных условиях представляет собой бесцветный горючий газ со слабым сладковатым запахом, тяжелее воздуха. Молекула состоит из трёх атомов углерода, замкнутых в треугольное кольцо, к каждому из которых присоединено по два атома водорода.

¶Строение молекулы

Циклопропан занимает особое положение среди циклоалканов из-за предельного напряжения углеродного скелета. Валентные углы в треугольном кольце составляют 60°, тогда как нормальный тетраэдрический угол для sp³-гибридизованного атома углерода равен примерно 109,5°. Это отклонение создаёт значительное угловое (байеровское) напряжение, оцениваемое примерно в 115 кДж/моль.

Из-за напряжения электронные облака связей C—C не лежат на прямой, соединяющей ядра атомов, а изогнуты наружу — так называемые «банановые» или «изогнутые» связи. Это делает кольцо химически напряжённым и склонным к раскрытию. В то же время молекула плоская: все три атома углерода лежат в одной плоскости, а атомы водорода расположены в двух плоскостях — над и под кольцом.

¶Физические свойства

Газ хорошо растворяется в неполярных органических растворителях и плохо — в воде. Образует с воздухом взрывоопасные смеси.

¶Химические свойства

Благодаря высокому напряжению кольца циклопропан вступает в реакции, нетипичные для других алканов.

• Гидрирование. При каталитическом гидрировании (никель, платина) кольцо раскрывается с присоединением водорода и образованием пропана.
• Галогенирование. Взаимодействует с бромом и хлором, причём реакция идёт с раскрытием цикла и образованием дигалогенпроизводных, например 1,3-дибромпропана.
• Присоединение галогеноводородов. Реагирует с HBr и HI, давая соответствующие галогеналканы.
• Изомеризация. При нагревании в присутствии катализаторов превращается в пропен (пропилен).
• Горение. Как и другие углеводороды, горит с образованием углекислого газа и воды.

Реакции присоединения протекают легче, чем у ациклических алканов, что объясняется стремлением системы понизить напряжение кольца.

¶Получение

Основные лабораторные и промышленные способы:

1. Реакция Кольбе. Электролиз солей щелочных металлов и производных дикарбоновых кислот.
2. Взаимодействие 1,3-дигалогенпропанов с цинком или магнием — циклизация с отщеплением галогенида металла.
3. Реакция Симмонса — Смита. Обработка алкенов дииодметаном в присутствии цинк-медного сплава, что позволяет получать циклопропановое кольцо непосредственно из двойной связи.
4. Пиролиз солей диазония и другие методы разложения диазосоединений.

В промышленности циклопропан получают преимущественно циклизацией 1,3-дигалогенпропанов.

¶Применение

¶Медицина

Исторически важнейшее применение циклопропана — использование в качестве ингаляционного анестетика. С 1930-х годов он применялся в хирургии благодаря быстрому наступлению наркоза и малой токсичности. Однако препарат обладает серьёзными недостатками: он взрывоопасен при смешивании с кислородом и воздухом, что создавало риск при работе с электрооборудованием. По этой причине во второй половине XX века циклопропан был вытеснен более безопасными средствами (галотан, изофлуран и другие). В современной анестезиологии он практически не используется.

¶Химический синтез

Циклопропановое кольцо входит в состав множества биологически активных соединений и лекарств. Реакция Симмонса — Смита широко применяется для введения циклопропильной группы в молекулы. Циклопропановые фрагменты встречаются в природных соединениях, например в пиретринах — инсектицидах растительного происхождения.

¶Прочее

Используется как компонент некоторых топливных смесей и как реагент в органическом синтезе. Также применяется в качестве эталона при калибровке в спектроскопии.

¶Безопасность

Циклопропан — горючий газ, образующий с воздухом взрывоопасные смеси в широком диапазоне концентраций. При вдыхании в высоких концентрациях оказывает наркотическое действие, возможны головокружение, сонливость, потеря сознания. Работа с ним требует соблюдения мер пожарной безопасности и использования взрывозащищённого оборудования. Хранят и транспортируют в стальных баллонах под давлением.

¶Значение

Циклопропан занимает важное место в органической химии как модельный объект для изучения напряжённых циклических систем и как исходное соединение в синтезе. Его строение иллюстрирует концепцию углового напряжения, сформулированную Адольфом Байером. Несмотря на утрату значения как анестетика, соединение остаётся предметом исследований в области синтеза циклопропансодержащих препаратов.

Источники: учебники по органической химии, справочные издания по химии и фармакологии, научные публикации по химии малых циклов.