有机化学3环烷烃

1、第三章第三章 环烷烃环烷烃教学目的教学目的： 掌握环烷烃的命名掌握环烷烃的命名、结构、化学性质、结构、化学性质、环己烷的构象。环己烷的构象。 教学重点教学重点： 环烷烃的命名环烷烃的命名、结构、化学性质、环结构、化学性质、环己烷的构象。己烷的构象。 教学难点：教学难点： 取代环己烷的构象。取代环己烷的构象。3-1 环烷烃的分类环烷烃的分类3-1 环烷烃的分类环烷烃的分类3-2 环烷烃的命名环烷烃的命名3-3 环烷烃的结构环烷烃的结构3-4 环烷烃的工业来源及制法环烷烃的工业来源及制法 3-5 环烷烃的物理性质环烷烃的物理性质 3-6 环烷烃的化学性质环烷烃的化学性质 3-1 环烷烃的分类环烷烃

2、的分类小小 环环 烃：烃： c3c4普通环烃：普通环烃： c5 c7中中 环环 烃：烃： c8 c12大大 环环 烃：烃： c13 以上以上按环大小分单环烃单环烃多环烃多环烃按饱和性能分 饱饱 和和 脂脂 环环 烃烃不饱和脂环烃不饱和脂环烃环烯烃环烯烃环炔烃环炔烃 螺环烃：螺环烃：稠环烃：稠环烃：桥环烃：桥环烃：桥环烃桥环烃- - 共用两个共用两个或两个以上碳原子的或两个以上碳原子的多环脂环烃。多环脂环烃。螺环烃螺环烃- - 仅共用一个仅共用一个碳原子的多环脂环烃。碳原子的多环脂环烃。 共用的碳原子称为共用的碳原子称为螺原子。螺原子。3-2 环烷烃的命名环烷烃的命名 环烷烃的命名规则：环烷烃的

3、命名规则： 确定母体：以相应的开链烃冠以确定母体：以相应的开链烃冠以“环环”字来命名。字来命名。ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2环丙烷环丙烷环丁烷环丁烷环戊烷环戊烷 编号：若环上有取代基，编号尽可能小。编号：若环上有取代基，编号尽可能小。若有不同取代基，要用较小的数字，表示较小取若有不同取代基，要用较小的数字，表示较小取代基的位置。代基的位置。 书写同烷烃。书写同烷烃。 对于顺反异构体：顺式对于顺反异构体：顺式(cis)：相同基团在：相同基团在平面的同侧；反式平面的同侧；反式(trans)：相同基团在平面的两：相同基团在平面的两侧。侧。 1-甲基甲基-2

4、-乙基环戊烷乙基环戊烷 顺顺-1,2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷ch3ch3hhch2ch2ch2ch2ch2ch3ch3ch2或或1 12 23 34 45 51-甲基甲基-3-乙基环戊烷乙基环戊烷或或1-甲基甲基-3-异丙基环己烷异丙基环己烷 ch2ch2ch2ch2ch-ch3chch(ch3)21 12 23 34 45 56 6反反- 1,3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷反反-1-乙基乙基-3-异丙基环戊烷异丙基环戊烷hch3ch3hch(ch3)2ch3ch2 如取代基为较长的碳链，将环作为取代基，如取代基为较长的碳链，将环作为取代基，作为烷烃的衍生物命名：作为烷烃的衍生物命名：hc c

5、h2ch3ch3ch2ch23-环己基己烷 多环脂环烃多环脂环烃十氢萘或叫做二环十氢萘或叫做二环4，40癸烷癸烷1,6-二甲基螺二甲基螺3 . 4辛烷辛烷12345678 立方烷立方烷 金刚烷金刚烷 篮烷篮烷3-3 环烷烃的结构环烷烃的结构 一、环的大小和稳定性一、环的大小和稳定性二、环己烷和一取代物的构象二、环己烷和一取代物的构象 一、环的大小和稳定性一、环的大小和稳定性 环丙烷分子的三个碳原子都在同一平面环丙烷分子的三个碳原子都在同一平面上，上， ccc 键角应为键角应为60 ，而烷烃中，而烷烃中sp3杂化的键角为杂化的键角为10928 ， 因此，环丙烷因此，环丙烷中两个成键碳原子的中两个

6、成键碳原子的sp3轨道在成键时，它轨道在成键时，它们的对称轴不可能在同一条线们的对称轴不可能在同一条线上，而是以弯上，而是以弯曲方向重叠，结果重叠较少，键的稳定性就曲方向重叠，结果重叠较少，键的稳定性就差。差。 由由sp3杂化轨道构成杂化轨道构成ccc的键角都应是的键角都应是10928，但环丙烷分子中须将键角压缩至，但环丙烷分子中须将键角压缩至105.5，此时分子内产生一种要求恢复正常键，此时分子内产生一种要求恢复正常键角的内在力量，称为角张力角的内在力量，称为角张力(angle strain)(由拜尔由拜尔提出的提出的)，角张力使环丙烷容易开环，角张力使环丙烷容易开环。 环丙烷环的键环丙烷环

7、的键 环丁烷也存在环丁烷也存在角张力，但比角张力，但比环丙烷小些，所环丙烷小些，所以它的稳定性比环丙烷要大以它的稳定性比环丙烷要大。随着成环碳原子数。随着成环碳原子数的增加，的增加，角张力环逐渐减弱，环戊烷中角张力环逐渐减弱，环戊烷中ccc的键角为的键角为108，非常接近于四面体的夹角，因此，非常接近于四面体的夹角，因此，环戊烷基本上没有张力。实验证明，它们成环的环戊烷基本上没有张力。实验证明，它们成环的碳原子不在同一平面上。碳原子不在同一平面上。 hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh 信封式信封式 能垒能垒 2.5kj/mol 半椅式半椅式 环戊烷构象环戊

8、烷构象二二 、环己烷及一取代物的构象、环己烷及一取代物的构象 拜尔张力学说假定环己烷分子中六个碳原子拜尔张力学说假定环己烷分子中六个碳原子在同一平面内，这个学说提出不久，有人用碳原在同一平面内，这个学说提出不久，有人用碳原子的四面体模型组成两种环己烷模型，其碳原子子的四面体模型组成两种环己烷模型，其碳原子并不在同一平面内，这就是椅型构象和船型构象并不在同一平面内，这就是椅型构象和船型构象模型。后来哈塞尔模型。后来哈塞尔(hassel o，挪威化学家，挪威化学家，1969年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖)用偶极矩法、电子衍射法证用偶极矩法、电子衍射法证明了环己烷各个键角都接近明了环己烷各个键角都

9、接近10928，椅型是最，椅型是最稳定的构象。稳定的构象。1950年巴顿年巴顿(bartond，英国化学家，英国化学家，1969年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖)发表了环己烷的构象方发表了环己烷的构象方面的工作，奠定了构象理论基础。面的工作，奠定了构象理论基础。 在环己烷分子中，碳原子在环己烷分子中，碳原子是以是以sp3杂化的六杂化的六个碳原子不在同一平面内，碳碳键之间的角可个碳原子不在同一平面内，碳碳键之间的角可以保持以保持10928，因此，环很稳定。环己烷有，因此，环很稳定。环己烷有两种极限构象，一种象椅子故叫两种极限构象，一种象椅子故叫椅型椅型(chair form)，另一种象船叫，另一

10、种象船叫船型船型(boat form)。图图5-2环己烷的两种构象及分子模型环己烷的两种构象及分子模型chair formboat form 1.船型构象：在船型中只有四个相邻碳原船型构象：在船型中只有四个相邻碳原子的键子的键(见纽曼投影式中见纽曼投影式中1,2；3,4；4,5和和6,1)处于处于邻位交叉式的位置，其他两个相邻碳原子的键邻位交叉式的位置，其他两个相邻碳原子的键(2，3和和5，6)处于全重叠式的位置。由于重叠的处于全重叠式的位置。由于重叠的氢原子间有斥力氢原子间有斥力(位阻位阻)作用，且船头船尾距离较作用，且船头船尾距离较近，斥力较大，非键合张力也较大，故船型构近，斥力较大，非键

11、合张力也较大，故船型构象能量高，不稳定。象能量高，不稳定。 图图5-4 船型环己烷船型环己烷c1和和c4上的氢原上的氢原子相距较近，斥力较大子相距较近，斥力较大图图5-3 环己烷船型构象环己烷船型构象234561231465 2.椅型构象：在椅型中所有椅型构象：在椅型中所有ccc键角键角基本上维持基本上维持109.5，而相邻碳原子的键都处于，而相邻碳原子的键都处于邻位交叉式的位置，没有碳氢键或碳碳键的重邻位交叉式的位置，没有碳氢键或碳碳键的重叠。因此环己烷椅型构象既没有角张力，也没叠。因此环己烷椅型构象既没有角张力，也没有扭转张力，所以没有张力能，是个无张力环，有扭转张力，所以没有张力能，是个

12、无张力环，具有与烷烃相似的稳定性。具有与烷烃相似的稳定性。图图5-6 椅型环己烷椅型环己烷c1和和c4上的上的氢原子相距较远，斥力较小氢原子相距较远，斥力较小 图图5-5 环己烷的椅型构象环己烷的椅型构象hhhhhhhh146532 (1) 键和键和e键：键：在椅型中在椅型中ch键分为两类。键分为两类。第一类六个第一类六个ch键与分子的对称轴平行叫做键与分子的对称轴平行叫做直直立键或立键或键键(axial bonds)，其中三个方向朝上，其中三个方向朝上，其余三个方向朝下，相邻两个则一上一下，见其余三个方向朝下，相邻两个则一上一下，见图图5-7；第二类六个；第二类六个ch键与直立键形成接近键与

13、直立键形成接近10928夹角，叫做夹角，叫做平伏键或平伏键或e键键(equatorial bonds)。 环己烷的直立键和平伏键环己烷的直立键和平伏键 hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh椅式（无张力环） (2)转环作用：环己烷的船型和椅型两种构象转环作用：环己烷的船型和椅型两种构象固然可以通过各个固然可以通过各个cc键的转动而互相转变。且键的转动而互相转变。且一个椅型构象也可以通过一个椅型构象也可以通过cc键的转动而变为另键的转动而变为另一个椅型构象，这种构象的互变，叫转环作用，一个椅型构象，这种构象的互变，叫转环作用，是由分子热运动所产生，而不经过碳碳键的破裂。是由分子热运动所

14、产生，而不经过碳碳键的破裂。在室温时，就能迅速转环，每秒钟在室温时，就能迅速转环，每秒钟104105次。次。在互相转变中每一个在互相转变中每一个键都变成了键都变成了e键，同时每一键，同时每一个个e键也变成了键也变成了键，反之亦然。键，反之亦然。 两个椅型相互转变两个椅型相互转变654321654321 3.一元取代环己烷：一元取代环己烷： 95%5% 结论：结论：一取代环己烷最稳定构象是取代基在一取代环己烷最稳定构象是取代基在e键上。键上。ch3hch3h（）（）hh 关于原子间的互相斥力问题，从图关于原子间的互相斥力问题，从图5-10中原中原子在空间的距离数据就清楚看出：子在空间的距离数据就

15、清楚看出：甲基环己烷原子间的距离甲基环己烷原子间的距离 hchhhhh0.250nm0.255nm0.233nm 取代基体积越大，取代基体积越大， e取代占的比例越大。取代占的比例越大。例例如：如：97% 99.9%ch(ch3)2ch(ch3)2c(ch3)3c(ch3)33-4 环烷烃的工业来源及制环烷烃的工业来源及制法法 1.工业来源工业来源：环烷烃存在于某些地区的石油环烷烃存在于某些地区的石油中，石油因产地不同，环烷烃的含量不同。其中，石油因产地不同，环烷烃的含量不同。其中以俄罗斯和罗马尼亚所产石油含环烷烃较多，中以俄罗斯和罗马尼亚所产石油含环烷烃较多，石油中所含的环烷烃主要是环戊烷和

16、环己烷以石油中所含的环烷烃主要是环戊烷和环己烷以及他们的烷基衍生物。例如：及他们的烷基衍生物。例如：ch3ch3ch3ch3 2.制法制法：工业上最重要的是环己烷，：工业上最重要的是环己烷，其制备方法有两种，一种是从石油馏分中其制备方法有两种，一种是从石油馏分中得到，另一种是利用苯的催化加氢。得到，另一种是利用苯的催化加氢。3h2+ni,18mpa2002403-4 环烃的环烃的物理物理性质性质 环烷烃的熔点、沸点和相对密度都较环烷烃的熔点、沸点和相对密度都较含同数碳原子的脂肪烃为高。常温常压下含同数碳原子的脂肪烃为高。常温常压下环丙烷、环丁烷为气体，其它环烷烃多为环丙烷、环丁烷为气体，其它环

17、烷烃多为液体。液体。3-5 环烃的环烃的化学化学性质性质 一、取代反应一、取代反应二、氧化反应二、氧化反应三、小环的加成反应三、小环的加成反应一、取代反应一、取代反应 五元环以上烃性质与开链烃相似五元环以上烃性质与开链烃相似，易，易发生亲电取代反应。发生亲电取代反应。hv+ br2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch-brcl2hvclclh+二、氧化反应二、氧化反应 一般情况下环烷烃不被氧化剂氧化，如不一般情况下环烷烃不被氧化剂氧化，如不能被高锰酸钾氧化。但可被硝酸氧化。能被高锰酸钾氧化。但可被硝酸氧化。hno3hooc-(ch2)4-cooh+1/2o2oh200,加压加压三、小环的加成反应三、小环的加成反应 1.催化加氢：环越小，催化加氢越容催化加氢：环越小，催化加氢越容易。易。+ h2ch3ch2ch3ni80ch2ch2ch2+ h2ch3ch2ch2ch3ch2ch2ch2ch2ni120 2.加卤素：环丙烷及其烷基衍生物不仅容易加卤素：环丙烷及其烷基衍生物不仅容易加氢，在常温下也易与卤素起加成反应。加氢，在常温下也易与卤素起加成反应。 3.加溴+室温br2+brbrbr2br2+brbrbrbr+ br2加热加热ch2ch2c