Циклопропан
Общие сведения
Циклопропан представляет собой простейший предельный углеводород циклического ряда, открывающий гомологический ряд циклоалканов. Молекула данного соединения состоит из трех атомов углерода, образующих замкнутый трехчленный цикл (пространственную структуру в виде правильного треугольника). При стандартных условиях чистое вещество представляет собой бесцветный горючий газ с резким, характерным запахом, отдаленно напоминающим запах диэтилового эфира, и едким вкусом.
Физико-химические константы циклопропана включают температуру кипения, равную минус 33 градусам Цельсия (в связи с чем в условиях сильных морозов, например при минус 40 градусах, вещество переходит в жидкое агрегатное состояние), и температуру плавления, составляющую минус 127 градусов Цельсия. При повышении давления до пяти атмосфер газ сжижается даже при комнатной температуре. Циклопропан плохо растворяется в воде, однако обладает высокой растворимостью в этиловом спирте и диэтиловом эфире. Вещество является чрезвычайно огнеопасным; в смеси с воздухом, чистым кислородом или закисью азота оно образует мощные взрывоопасные составы, что требует особых мер предосторожности при его хранении и транспортировке. Хранение осуществляется в специализированных баллонах оранжевого цвета, снабженных предупреждающими надписями об огнеопасности.
Классификация
В номенклатуре органических соединений циклопропан классифицируется как первый член ряда циклоалканов. Отличительной особенностью структуры является наличие значительного напряжения углеродного кольца (так называемого углового напряжения). Из-за геометрической конфигурации трехчленного цикла валентные углы между атомами углерода сильно отклонены от нормальных тетраэдрических значений. Это обуславливает высокую внутреннюю энергию молекулы и определяет специфическую химическую активность циклопропана, приближающую его по реакционной способности к непредельным углеводородам (алкенам).
Способы получения
Методы препаративного синтеза циклопропана претерпели существенную эволюцию с момента его открытия. Впервые соединение было синтезировано в 1881 году австрийским химиком Августом Фройндом с использованием внутримолекулярного варианта реакции Вюрца. Синтез протекал путем взаимодействия 1,3-дибромпропана с металлическим натрием. В 1887 году русский химик Гавриил Густавсон модифицировал этот процесс, заменив натрий на цинковую пыль, что позволило значительно повысить выход целевого продукта. Этот принцип внутримолекулярного дегалогенирования остается актуальным и базируется на использовании производных 1,3-дигалогенпропанов.
Первый промышленный синтез циклопропана был реализован в 1936 году с использованием в качестве исходного сырья 1,3-дихлорпропана. Важный вклад в методологию получения внес французский химик Виктор Гриньяр, который успешно применил для циклизации магнийорганические соединения. Впоследствии химик Морис Хараш разработал эффективный метод синтеза циклопропана с высоким выходом путем обработки 1-бром-3-хлорпропана или 1,3-дибромпропана фенилмагнийбромидом в присутствии каталитических количеств хлорида железа.
Свойства
Химические свойства циклопропана определяются нестабильностью напряженного трехчленного кольца, которое легко раскрывается при термическом или химическом воздействии. При воздействии высоких температур циклопропан подвергается изомеризации с разрывом углерод-углеродной связи, превращаясь в пропен. В присутствии катализаторов, таких как платина, мелкодисперсное железо или оксид алюминия, реакция превращения в пропен активно протекает уже при температуре около 100 градусов Цельсия. Газ также легко гидрируется (восстанавливается молекулярным водородом) до пропана над никелевым катализатором в температурном диапазоне 80–120 градусов Цельсия.
Специфически протекают реакции взаимодействия циклопропана с галогенами, в частности с хлором. При температуре около 400 градусов Цельсия реализуется реакция радикального замещения, в ходе которой цикл сохраняется, и образуется хлорциклопропан (реакция обратима: при дальнейшем нагревании хлорциклопропана может восстанавливаться исходный углеводород). Фотохимическая реакция (на свету) с хлором при комнатной температуре протекает крайне экзотермично, вплоть до взрывного характера, при этом основным продуктом также является хлорциклопропан. Однако если аналогичную фотохимическую реакцию проводить в среде растворителей (дихлорметан, хлороформ или 1,2-дихлорэтан), кольцо разрывается, и основным продуктом становится 1,3-дихлорпропан. Проведение реакции в темноте при охлаждении до минус 35 градусов Цельсия в жидкой фазе в присутствии хлорида железа приводит к образованию смеси 1,3-дихлорпропана и 1-хлорпропана в приблизительно равных соотношениях.
Применение
Главной исторической сферой практического применения циклопропана является медицина, где он использовался в качестве эффективного ингаляционного анестетика. Вещество обладает свойствами мощного и быстродействующего наркотического средства, способного вызывать глубокое обезболивание (анальгезию) и наркоз. Фармакологический эффект строго зависит от концентрации циклопропана во вдыхаемой газовой смеси: при концентрации около 4 процентов наступает анальгезия, 6 процентов вызывает потерю сознания, 10 процентов обеспечивает хирургический наркоз, а концентрация 20–30 процентов приводит к глубокому наркозу.
Медицинское применение циклопропана имело ряд существенных преимуществ. Вещество не обладает высокой органотоксичностью, не оказывает разрушительного воздействия на печень и почки, благодаря чему его допускалось назначать пациентам с заболеваниями печени и диабетом. Газ не раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и применяется для вводного и основного наркоза (часто в комбинации с закисью азота, диэтиловым эфиром и мышечными релаксантами). Важнейшим достоинством является быстрое выведение препарата из организма в неизменном виде (примерно за 10 минут) без эффекта кумуляции.
Несмотря на достоинства, циклопропан обладает критически опасными побочными эффектами. Он возбуждает адренореактивные системы, что может провоцировать гипергликемию (повышение уровня сахара в крови) и повышение артериального давления, нежелательное при хирургических операциях из-за риска усиления кровотечений. Возбуждение холинореактивных систем приводит к замедлению пульса и возникновению аритмий. Наиболее опасным фармакологическим свойством является резкое повышение чувствительности миокарда (сердечной мышцы) к адреналину. Введение адреналина или норадреналина на фоне циклопропанового наркоза строго запрещено, так как это способно спровоцировать фибрилляцию желудочков и неминуемую смерть пациента.
В современной клинической практике применение циклопропана практически полностью прекращено из-за его экстремальной взрыво- и огнеопасности. Поскольку для поддержания жизни пациента газ необходимо смешивать с кислородом, образующаяся дыхательная смесь способна детонировать от малейшей искры, включая разряды статического электричества от медицинского оборудования. Сложность обеспечения абсолютной защиты от искрообразования в операционных сделала использование этого анестетика неоправданно рискованным.