第三章-环烷烃课件

Chap.3Chap.3 环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃(Cycloalkane)(Cycloalkane)1 环烷烃的分类、异构和命名环烷烃的分类、异构和命名2 环烷烃的化学性质环烷烃的化学性质3 环的张力环的张力4 环己烷的构象环己烷的构象一、分类一、分类1.单环烷烃：单环烷烃：小环，小环，普通环（正常环），中环，普通环（正常环），中环，大环大环 C数：数：3-4 5-7 8-11 12 *单环烷烃的通式：单环烷烃的通式：CnH2n (双环？双环？)2.多环烷烃：多环烷烃：螺环烃，螺环烃，稠环烃，稠环烃，桥环烃桥环烃 3.1 3.1 环烷烃的分类、异构和命名环烷烃的分类、异构和命名环烃的分类环烃的分类环烃环烃脂环烃脂环烃芳烃芳烃环烷烃环烷烃环烯烃环烯烃环炔烃环炔烃单环烷烃单环烷烃桥环烷烃桥环烷烃螺环烷烃螺环烷烃集合环烷烃集合环烷烃单环芳烃单环芳烃多环芳烃多环芳烃非苯芳烃非苯芳烃多苯代脂烃多苯代脂烃联苯联苯稠环芳烃稠环芳烃集合环烷烃集合环烷烃 1,1-联亚环戊烷联亚环戊烷1,1-Bicyclopentanylidene 环戊基环己烷环戊基环己烷cyclopentylcyclohexane1,1-联环丙基（烷）联环丙基（烷）1,1-Bicyclopropyl 1,1-Bicyclopropane定义：两个或两个以上的环系各以一个碳原子用单键或定义：两个或两个以上的环系各以一个碳原子用单键或 双键直接相连而成的化合物称为集合环烷烃。双键直接相连而成的化合物称为集合环烷烃。第二节第二节 单环烷烃的分类和同分异构单环烷烃的分类和同分异构 单单环环烷烷烃烃的的分分类类n=3，4 小环化合物小环化合物n=5，6，7 普通环化合物普通环化合物n=8，9，10，11 中环化合物中环化合物n12 大环化合物大环化合物单环烷烃的通式：单环烷烃的通式：CnH2n 环烷烃的异构现象环烷烃的异构现象异构现象异构现象构造异构：碳链异构、官能团异构、构造异构：碳链异构、官能团异构、位置异构、互变异构位置异构、互变异构立体异构立体异构构型异构：构型异构：顺反异构顺反异构、对映异构、对映异构 构象异构构象异构环烷烃的顺反异构：环烷烃的顺反异构：假定环中碳原子在一个平面假定环中碳原子在一个平面上，以环平面为参考平面，两取代基在同一边的上，以环平面为参考平面，两取代基在同一边的叫叫顺式（顺式（cis-)，否则叫否则叫反式（反式（trans-)。单环烷烃的异构现象单环烷烃的异构现象 C5H10的同分异构体的同分异构体 碳架异构体碳架异构体（1-5）因环大小不同，）因环大小不同，侧链长短不同，侧侧链长短不同，侧链位置不同而引起链位置不同而引起的。的。顺反异构顺反异构（5和和6，5和和7）因成环碳）因成环碳原子单键不能自由原子单键不能自由旋转而引起的。旋转而引起的。旋光异构旋光异构（6和和7）eg.eg.三、环烷烃的命名：三、环烷烃的命名：、单环烷烃：、单环烷烃：a.a.环作母体，叫环作母体，叫“环某烷环某烷”，编号、命名原则编号、命名原则同烷烃；若有同烷烃；若有两个两个取代基，则在最前面标明取代基，则在最前面标明“顺、反顺、反”反式反式-1,2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷b.b.若取代基碳链较长，则环作为取代基，当若取代基碳链较长，则环作为取代基，当作烷烃的衍生物来命名作烷烃的衍生物来命名2-2-甲基甲基-3-3-环丙基庚烷环丙基庚烷1,1-1,1-二甲基二甲基-3-3-异丙基环戊烷异丙基环戊烷1-1-甲基甲基-3-3-环丁基环戊烷环丁基环戊烷 1,2-1,2-二甲基二甲基-4-4-氯环已烷氯环已烷2 2、多环烷烃：、多环烷烃：螺环烃、桥环烃螺环烃、桥环烃多环烷烃的命名多环烷烃的命名 螺环烃螺环烃：两碳环共用一个碳原子（：两碳环共用一个碳原子（螺原子螺原子）母体名母体名 螺螺 n1.n2n1.n2某烷某烷两环除开螺原子两环除开螺原子外的碳数由小到外的碳数由小到大排列大排列两环上碳原子总数两环上碳原子总数编号：编号：从小环从小环螺原子螺原子大环（并尽可能使取代大环（并尽可能使取代基为最小）基为最小）5-5-甲基螺甲基螺2.42.4庚烷庚烷5-5-氯螺氯螺2.52.5辛烷辛烷命名：命名：1 12 23 34 45 56 67 7桥环烃桥环烃：分子内环与环之间有两个或两个以上分子内环与环之间有两个或两个以上共用碳原子的多环烃。共用碳原子的多环烃。*环的数目：环的数目：将桥环烃变为将桥环烃变为开链开链化合物需要断化合物需要断开的开的C-CC-C键的最小数目键的最小数目桥头碳桥头碳 共用的碳原子共用的碳原子桥桥 两个桥头碳原子间的碳链两个桥头碳原子间的碳链母体名母体名 几环几环n1.n2.n3某烷某烷环的数目环的数目各桥上碳数各桥上碳数由大到小排由大到小排全部环上碳原子数全部环上碳原子数二环桥环烷烃的命名二环桥环烷烃的命名编编 号号 从桥头碳开始，绕最长的桥到另一个桥头，从桥头碳开始，绕最长的桥到另一个桥头，再绕次长桥回来，最后再编最短的桥。再绕次长桥回来，最后再编最短的桥。可能的情况下给取代基以尽可能小的编号可能的情况下给取代基以尽可能小的编号 练练 习习1,2,4-1,2,4-三甲基二环三甲基二环4.3.04.3.0壬烷壬烷环壬烷环壬烷环癸烷环癸烷1，1-二甲基二甲基-4-异丙基环癸烷异丙基环癸烷1 1，1-1-二环丙基丁烷二环丙基丁烷1 1，2-2-二环丙基丁烷二环丙基丁烷顺-1，2-二甲基环丙烷顺-1-甲基-4-叔丁基环己烷顺-1，2-二甲基环丙烷顺-1，4-二氯环己烷反-1，4-二甲基环辛烷3.2 3.2 环烷烃的化学性质环烷烃的化学性质共性：共性：同烷烃相似，难氧化，光照或加热下发生同烷烃相似，难氧化，光照或加热下发生自由基取代反应。自由基取代反应。特性：特性：小环易开环加成小环易开环加成（H2、X2、HX）（1 1）氢解：）氢解：+H2NiNi40400 0C,C,常压常压+H2NiNi1001000 0C,C,常压常压PtPt+H23003000 0C,C,常压常压（2 2）溴）溴+Br2室温室温+Br2光照光照+Br2光照光照或或3003000 0C C（3 3）溴化氢）溴化氢+HBr+HBr不反应不反应+HBr不反应不反应 结结 论论（1 1）环丙烷活性最大，不稳定，易发生开）环丙烷活性最大，不稳定，易发生开环加成（环加成（H2、X2、HX），但是难氧化。，但是难氧化。（2 2）其他环烷烃与开链烷烃性质相似，）其他环烷烃与开链烷烃性质相似，高温或光照时与高温或光照时与X2发生发生自由基取代反应。自由基取代反应。环丙烷衍生物的环丙烷衍生物的开环位置：开环位置：取代最多的取代最多的C与取代与取代最少的最少的C之间。之间。eg.eg.Br2+HBr加成取向加成取向：H加成到含加成到含H较多的较多的C上，上，X加成到含加成到含H较少的较少的C上。上。3.3.环的张力环的张力环丙烷的结构环丙烷的结构2.2.环烷烃的燃烧热（环烷烃的燃烧热（P45 P45 表表3.2）3.3.张力能张力能环环产产生生张张力力的的因因素素非键相互作用（非键相互作用（Enb）：非键合的两原子或原子团距）：非键合的两原子或原子团距离小于其范氏半径之和（强烈排斥）离小于其范氏半径之和（强烈排斥）键长变化（键长变化（El）：两成键原子间距离偏离正常键长；）：两成键原子间距离偏离正常键长；键角变化（键角变化（E）：键角偏离平衡值）：键角偏离平衡值1.1.拜尔张力学说拜尔张力学说(A.von Baeyer,strain theory)环丙烷Cyclopropane环丙烷中环丙烷中sp3杂化轨道重叠示意图杂化轨道重叠示意图 键角变形的程度越大，环的张力越大，环的反应活键角变形的程度越大，环的张力越大，环的反应活性越大。性越大。环己烷环己烷CyclohexaneCombustion data shows its unstrained.Angles would be 120,if planar.The chair conformer has 109.5 bond angles and all hydrogens are staggered（交叉的）。No angle strain and no torsional strain.3.3.环己烷的构象环己烷的构象极限构象：船式极限构象：船式椅式（优势构象）椅式（优势构象）99%99%以上以上椅式构象特点：椅式构象特点：12 23 34 45 56 61 12 23 34 45 56 6(1)(1)六个六个C分居两个平行平面（两平面相距分居两个平行平面（两平面相距50pm=0.05nm)(2)(2)两种椅式构象间可相互翻转两种椅式构象间可相互翻转 (3)(3)所有所有C-H 键分为两类：键分为两类：直立键（直立键（a键）：键）：三个向上，三个向下；相邻两个则一上三个向上，三个向下；相邻两个则一上一下。一下。平伏键（平伏键（e键）键）亦如此。亦如此。（4 4）张力能为零，为优势构象。）张力能为零，为优势构象。船式船式椅式椅式Chair Conformer椅式构象椅式构象Boat Conformer船式构象船式构象Conformational Energy=Axial and Equatorial Positions直立键（直立键（a键）平伏键（键）平伏键（e键）键）动画动画3.3.取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析1.1.一取代环己烷一取代环己烷(Monosubstituted Cyclohexanes)Monosubstituted Cyclohexanes)讨论：讨论：甲基环己烷分子中甲基处于甲基环己烷分子中甲基处于e e键稳定还是处键稳定还是处于于a a键稳定？键稳定？*请画出叔丁基环己烷的优势构象。请画出叔丁基环己烷的优势构象。构象翻转构象翻转 1,3-Diaxial Interactions1,3-二直立键二直立键=Disubstituted Cyclohexanes二取代环己烷Bulky Groups位阻大的基团Groups like t-butyl cause a large energy difference between the axial and equatorial conformer.Most stable conformer puts t-butyl equatorial regardless of other substituents.2.2.多取代环己烷多取代环己烷可见，环己烷可见，环己烷1 1，2 2二取代物中反式异构体（二取代物中反式异构体（eeee）比顺比顺式异构体（式异构体（aeae）稳定。稳定。那么，那么，1 1，3 3和和1 1，4 4二取代物呢？二取代物呢？结论：结论：（1 1）环己烷多元取代物中，）环己烷多元取代物中，e-e-取代基最多的构取代基最多的构象最稳定。象最稳定。（2 2）环己烷多元取代物中，体积大的取代基在）环己烷多元取代物中，体积大的取代基在e-e-位的构象最稳定。位的构象最稳定。3.环己烷环的平面表示法环己烷环的平面表示法1 环烷烃的分类、异构和命名环烷烃的分类、异构和命名2 环烷烃的化学性质环烷烃的化学性质3 环的张力环的张力4 环己烷的构象环己烷的构象小结小结