第四章环烃-脂环烃

1、第四章第四章 环烃环烃 教材教材: :傅建熙主编傅建熙主编 高等教育出版社高等教育出版社有机化学有机化学 Organic Chemistry 制作：邹连春 副教授公共教学中心化学教研室公共教学中心化学教研室 脂环烃脂环烃 alicyclic hydrocarbon脂环烃脂环烃-结构上具有环状碳骨架结构上具有环状碳骨架,而性质上与脂肪烃相而性质上与脂肪烃相似的烃类似的烃类,总称脂环烃总称脂环烃.1 、环烷烃环烷烃-饱和的脂环烃叫环烷烃饱和的脂环烃叫环烷烃.通式通式CnH2n.环丙烷环丙烷 CH2-CH2 简写简写: CH2环丁烷环丁烷 CH2-CH2 简写简写: CH2-CH2甲基环丙烷甲基环丙

2、烷 CH2 简写简写: CH-CH3 CH2CH3同分异构体同分异构体一、一、 脂环烃的定义和命名脂环烃的定义和命名以碳环作为母体以碳环作为母体,环上侧链作为取代基命名环上侧链作为取代基命名;环状母体的名称是在同碳直链烷烃的名称前环状母体的名称是在同碳直链烷烃的名称前 加一加一“环环”字字.(C) 取代基较多时取代基较多时,命名时应把取代基的位置标出命名时应把取代基的位置标出.(D) 环上碳原子编号环上碳原子编号,以取代基所在位置的号码最以取代基所在位置的号码最 小为原则小为原则.例例1:命名命名(与烷烃相似与烷烃相似):1,2-二甲基环戊烷二甲基环戊烷CH3CH312345 例例2: 例例3

3、:1,1,4-三甲基环己烷三甲基环己烷*小取代基为小取代基为1位位.1-甲基甲基-3-乙基环己烷乙基环己烷 由于碳原子连接成环由于碳原子连接成环,环上环上C-C单键不能自由旋转单键不能自由旋转.只要环上有两个碳原子各连有不同的原子或基团只要环上有两个碳原子各连有不同的原子或基团,就有构型不同的顺反异构体就有构型不同的顺反异构体.顺顺-1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷环烷的顺反异构环烷的顺反异构:例例: 1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷反反-1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷 -脂环烃的环上有双键脂环烃的环上有双键(或叁键或叁键).环辛炔环辛炔2、环烯、环烯(炔炔)烃烃环戊烯环戊烯1,3-环己二烯

4、环己二烯CH31234561-甲基甲基-1-环己烯环己烯CH31234563-甲基甲基-1-环己烯环己烯 CH3 CH31265-甲基甲基-1,3-环戊二烯环戊二烯CH3125345341,6-二甲基二甲基-1-环己烯环己烯 其中两个碳环共用一个碳原子的叫其中两个碳环共用一个碳原子的叫螺化合物螺化合物. 共用两个或以上碳原子的叫共用两个或以上碳原子的叫桥环化合物桥环化合物.螺螺2.4庚烷庚烷双环双环2.2.1庚烷庚烷3、双环化合物、双环化合物-分子中含有两个碳环分子中含有两个碳环.螺原子螺原子桥头碳桥头碳桥头碳桥头碳(a) 组成环的碳原子总数命名为组成环的碳原子总数命名为“某烷某烷”,加上词头

5、加上词头“螺螺”.(b) 再把连接于螺原子的两个环的碳原子数再把连接于螺原子的两个环的碳原子数(不含不含螺原子螺原子),按由按由小到大小到大的次序写在的次序写在“螺螺”和和“某烷某烷”之间的方之间的方括号里括号里,数字用圆点分开数字用圆点分开.例例1:螺螺2.4庚烷庚烷(A) 螺化合物的命名螺化合物的命名:螺原子螺原子例例2:螺螺3.4辛烷辛烷 -螺环上的编号螺环上的编号,从连接螺原子从连接螺原子(不不含含)上的一个碳开始上的一个碳开始,先编较小的环先编较小的环,然后经过螺原子然后经过螺原子再编第二个环再编第二个环.编号的顺序以取代基位置号码加和数编号的顺序以取代基位置号码加和数最小为原则最小

6、为原则.例例3:5-甲基螺甲基螺2.4庚烷庚烷(c) 带支链的螺烷带支链的螺烷(a) 都有两个都有两个“桥头桥头”碳原子碳原子(即两个环共用的碳即两个环共用的碳 原子原子)和三条连在两个和三条连在两个“桥头桥头”上的上的“桥桥”.(b) 组成环的碳原子总数命名为组成环的碳原子总数命名为某烷某烷,加词头加词头双环双环.(c) 各各“桥桥”所含碳原子数目所含碳原子数目,按由按由大到小大到小的次序的次序 写在写在“双环双环”和和“某烷某烷”之间的方括号里之间的方括号里.双环双环2.2.1庚烷庚烷例例1:(B) 双桥环化合物的命名双桥环化合物的命名桥头碳桥头碳例例2:双环双环2.1.0戊烷戊烷双环双环

7、3.1.1庚烷庚烷例例3:(d) 环上碳原子编号环上碳原子编号:从一个桥头碳原子从一个桥头碳原子(含含)开始开始,先编先编最长的桥至第二个桥头最长的桥至第二个桥头,再编余下的较长的桥再编余下的较长的桥,回到回到第一个桥头第一个桥头;最后编最短的桥最后编最短的桥.(e) 编号的顺序以取代基位置号码加和数为较小编号的顺序以取代基位置号码加和数为较小.例例4:6-甲基双环甲基双环3.2.2壬烷壬烷例例5:1,7-二甲基双环二甲基双环3.2.2壬烷壬烷例例6:8,8-二甲基双环二甲基双环3.2.1辛烷辛烷双环双环2.2.2-2,5,7-辛三烯辛三烯例例7: 环烷烃的熔点和沸点都比相应的烷烃要高一些环烷

8、烃的熔点和沸点都比相应的烷烃要高一些. 相对密度也比相应的烷烃高相对密度也比相应的烷烃高,但比水轻但比水轻. 脂环烃的化学性质与相应的脂肪烃类似脂环烃的化学性质与相应的脂肪烃类似. 具有环状结构的特性具有环状结构的特性二、二、 脂环烃的性质脂环烃的性质(一一) 物理性质物理性质(二二) 化学性质化学性质 -在光或热的引发下发生卤代反应在光或热的引发下发生卤代反应.1、取代反应、取代反应+Cl2Cl+HCl+Cl2Cl+HCl+Br2Br+HBr光光光光热热CH2CH2CH2CH3反应生成的反应生成的有支链有支链的化合物稳定：的化合物稳定：2、 开环反应开环反应-也叫加成反应也叫加成反应.(A)

9、 催化加氢催化加氢+H2CH3CH2CH3+H2CH3CH2CH2CH3+H2CH3CH2CH2CH2CH3Ni80Ni200Pt300 环丙烷环丙烷的烷基衍生物与的烷基衍生物与HX加成，环的破裂发生在含加成，环的破裂发生在含H最多最多和和最少最少的两个碳原子之间，且的两个碳原子之间，且符合马氏符合马氏规律规律.(B) 加卤素或卤化氢加卤素或卤化氢四碳环不易开环四碳环不易开环，在常温下与卤素，卤化氢不反应。，在常温下与卤素，卤化氢不反应。+Br2BrCH2CH2CH2BrCCl4+HCH3CH2CH2BrH2OBrCH3CHCH2 + HBr CH3CHCH2CH3CH2Br 在在常温常温下，

10、下，环烷烃环烷烃与一般氧化剂与一般氧化剂(KMnO4,O3)不反不反应；应； 在加热，强氧化剂作用或催化剂存在时，可用空气在加热，强氧化剂作用或催化剂存在时，可用空气氧化成各种氧化产物：氧化成各种氧化产物：例例: CH2CH2COOH CH2CH2COOH HNO33、氧化反应、氧化反应:Ba(OH)2O思考：如何鉴别环丙烷与烯烃思考：如何鉴别环丙烷与烯烃 ? 易发生加氢易发生加氢,加卤素加卤素,加卤化氢和加硫酸等反应加卤化氢和加硫酸等反应.例例:4、 环烯烃和环二烯烃的反应环烯烃和环二烯烃的反应(1) 环烯烃的加成反应环烯烃的加成反应+Br2CCl4BrBr+HCH3ICH3I 环烯烃的双键

11、易被氧化剂环烯烃的双键易被氧化剂(KMnO4,O3等等)氧化而断氧化而断裂成开链的氧化产物裂成开链的氧化产物:例例:(2) 环烯烃的氧化反应环烯烃的氧化反应KMnO4CH3CHCH2COOHCH2CH2COOHO3CH2CH2CHOCH2CH2CHOZn, H2OO3Zn/H2OCHOCHOO3Zn + HH2O+？OO 与某些不饱和化合物发生双烯合成反应与某些不饱和化合物发生双烯合成反应.例例1:双环双环2.2.1-5-庚烯庚烯-2-羧酸甲酯羧酸甲酯双环双环2.2.1-2,5-庚二烯庚二烯例例2:环戊二烯环戊二烯(3) 共轭环二烯烃的双烯合成反应共轭环二烯烃的双烯合成反应 烷烃是烷烃是sp3

12、杂化杂化,键角键角109.5,环烷烃的碳也是环烷烃的碳也是sp3杂杂化化,但键角不一定一样但键角不一定一样. C-C 键的形成键的形成 键轨道的交盖键轨道的交盖交盖较好交盖较好三、三、 环烷烃的结构环烷烃的结构1 、环丙烷的结构、环丙烷的结构交盖较差交盖较差弯曲键比一般的弯曲键比一般的 键弱键弱,并且具有较高的能量并且具有较高的能量.这种因键角偏离正常键角而引起的张力叫这种因键角偏离正常键角而引起的张力叫角张力角张力.由于构象是重叠式而引起的张力叫由于构象是重叠式而引起的张力叫扭转张力扭转张力.这样的键与一般的这样的键与一般的 键不键不一样一样,它的电子云没有轨道它的电子云没有轨道轴对称轴对称

13、,而是分布在一条曲而是分布在一条曲线上线上,故常称故常称弯曲键弯曲键.内角内角60 内角内角90. 四个碳原子不在一个平面上四个碳原子不在一个平面上.环丁烷中的键环丁烷中的键环丁烷的构象环丁烷的构象折叠式构象折叠式构象2 、环丁烷的结构、环丁烷的结构 实际构象实际构象:折叠环的形式折叠环的形式-“信封式信封式”构象构象.分子张力不大分子张力不大,因此环戊烷的化学性质比较稳定因此环戊烷的化学性质比较稳定. 不是平面结构不是平面结构.因因C-H键的重叠键的重叠,有较大扭转张力有较大扭转张力.3 、环戊烷的结构、环戊烷的结构 环己烷不是平面结构环己烷不是平面结构,较为稳定的构较为稳定的构象为折叠的椅

14、型构象和船型构象象为折叠的椅型构象和船型构象. -稳定稳定(99.9%以上以上) C-C-C键角基本保持键角基本保持109.5,任何两任何两个相邻的个相邻的C-H键都是键都是交叉式交叉式的的.椅型构椅型构象无张力环象无张力环.纽曼投影式纽曼投影式透视式透视式环己烷的椅型构象环己烷的椅型构象4、 环己烷的结构环己烷的结构(1) 椅型构象椅型构象 所有键角也接近所有键角也接近109.5,故也没有角故也没有角张力张力.但相邻但相邻C-H键却并非全是交叉键却并非全是交叉的的.C-2和和C-3上的上的 C-H 键键,以及以及C-5和和C-6上的上的 C-H键都是重叠式的键都是重叠式的. C-1和和C-4

15、上两个向内伸的上两个向内伸的H由于距由于距离较近而相互排斥离较近而相互排斥,也使分子的能量也使分子的能量有所升高有所升高.透视式透视式纽曼投影式纽曼投影式环己烷的船型构象环己烷的船型构象(2) 船型构象船型构象(3) 环己烷椅型构象中碳原子的空间分布环己烷椅型构象中碳原子的空间分布AA线为构象的线为构象的对称轴对称轴(4) 椅型构象中的两种椅型构象中的两种 C-H 键键 a键键 (直立键直立键) e键键 (平伏键平伏键)与对称轴与对称轴成成 109.5 通过通过C-C键的不断扭动键的不断扭动,一种椅型翻转为另一种椅型一种椅型翻转为另一种椅型 为为 a键键 为为e键键椅型构象的翻转椅型构象的翻转

16、两种椅型构象是两种椅型构象是等同的分子等同的分子.(5) 构象的翻转构象的翻转两种椅型构象是两种两种椅型构象是两种不同结构不同结构的分子的分子.甲基连在甲基连在a键上的构象具有较高的能量键上的构象具有较高的能量,比较不稳定比较不稳定平衡体系中平衡体系中e键甲基环己烷占键甲基环己烷占95%,a键的占键的占5%同一平面同一平面上的比较上的比较(6) 甲基甲基环己烷椅型构象的翻转环己烷椅型构象的翻转 若有多个取代基若有多个取代基,往往是往往是 e 键键取代基最多取代基最多的构象最稳的构象最稳定定. 若环上有不同取代基若环上有不同取代基,则则体积体积大的取代基连在大的取代基连在 e键键上上的构象最稳定

17、的构象最稳定.例例1: 1,2-二甲基环己烷，顺式如下：二甲基环己烷，顺式如下：同一平面上的比较同一平面上的比较.在同侧为在同侧为顺顺, a,e在异侧为在异侧为反反.a,a;e,e.反式反式(e,e)比顺式的稳定比顺式的稳定. （a,a）实际上不存在（能量太高）实际上不存在（能量太高）取代基在取代基在e键上的构象较稳定键上的构象较稳定. 叔丁基在叔丁基在 e 键上的构象比在键上的构象比在 a 键上的另一种构象键上的另一种构象要稳定的多要稳定的多.例例2: 顺顺-4-叔丁基环己醇的两种构象叔丁基环己醇的两种构象 是双环是双环4.4.0癸烷的习惯名称癸烷的习惯名称.顺十氢化萘顺十氢化萘反十氢化萘反

18、十氢化萘(1) 平面结平面结构式构式(2) 构象构象5、 十氢化萘的结构十氢化萘的结构 -环下方几个环下方几个 a 键上的氢原子比较靠拢键上的氢原子比较靠拢,有些拥有些拥挤挤,故分子能量较高故分子能量较高,比较不稳定比较不稳定.顺式异构体顺式异构体-不稳定不稳定. 萜类化合物萜类化合物-又称萜烯类化合物又称萜烯类化合物. 天然有机化合物天然有机化合物.香精香精的主要成分的主要成分. 特点特点:都具有聚都具有聚 的碳骨架的碳骨架. 分为分为:单萜单萜 (2个异戊二烯单元个异戊二烯单元), 薄荷醇薄荷醇,樟脑樟脑 半倍萜半倍萜 (3个异戊二烯单元个异戊二烯单元), 姜烯姜烯 二萜二萜 (4个异戊二烯单元个异戊二烯单元) , 维生素维生素A 三萜三萜 (6个异戊二烯单元个异戊二烯单元), 鲨鱼烯鲨鱼烯 四萜四萜 (8个异戊二烯单元个异戊二烯单元) , -胡萝卜素胡萝卜素四、四、 萜萜(tie)类和甾类和甾(zai)族化合物族化合物1 、萜类、萜类异戊二烯异戊二烯 特点特点:都具有聚都具有聚 的碳骨架的碳骨架. 姜烯