有機(jī)化學(xué)3環(huán)烷烴

1、第三章第三章 環(huán)烷烴環(huán)烷烴教學(xué)目的教學(xué)目的： 掌握環(huán)烷烴的命名掌握環(huán)烷烴的命名、結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、環(huán)己烷的構(gòu)象。環(huán)己烷的構(gòu)象。 教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)： 環(huán)烷烴的命名環(huán)烷烴的命名、結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、環(huán)結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、環(huán)己烷的構(gòu)象。己烷的構(gòu)象。 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 取代環(huán)己烷的構(gòu)象。取代環(huán)己烷的構(gòu)象。3-1 環(huán)烷烴的分類環(huán)烷烴的分類3-1 環(huán)烷烴的分類環(huán)烷烴的分類3-2 環(huán)烷烴的命名環(huán)烷烴的命名3-3 環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu)環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu)3-4 環(huán)烷烴的工業(yè)來源及制法環(huán)烷烴的工業(yè)來源及制法 3-5 環(huán)烷烴的物理性質(zhì)環(huán)烷烴的物理性質(zhì) 3-6 環(huán)烷烴的化學(xué)性質(zhì)環(huán)烷烴的化學(xué)性質(zhì) 3-1 環(huán)烷烴的分類環(huán)烷烴

2、的分類小小 環(huán)環(huán) 烴：烴： c3c4普通環(huán)烴：普通環(huán)烴： c5 c7中中 環(huán)環(huán) 烴：烴： c8 c12大大 環(huán)環(huán) 烴：烴： c13 以上以上按環(huán)大小分單環(huán)烴單環(huán)烴多環(huán)烴多環(huán)烴按飽和性能分 飽飽 和和 脂脂 環(huán)環(huán) 烴烴不飽和脂環(huán)烴不飽和脂環(huán)烴環(huán)烯烴環(huán)烯烴環(huán)炔烴環(huán)炔烴 螺環(huán)烴：螺環(huán)烴：稠環(huán)烴：稠環(huán)烴：橋環(huán)烴：橋環(huán)烴：橋環(huán)烴橋環(huán)烴- - 共用兩個(gè)共用兩個(gè)或兩個(gè)以上碳原子的或兩個(gè)以上碳原子的多環(huán)脂環(huán)烴。多環(huán)脂環(huán)烴。螺環(huán)烴螺環(huán)烴- - 僅共用一個(gè)僅共用一個(gè)碳原子的多環(huán)脂環(huán)烴。碳原子的多環(huán)脂環(huán)烴。 共用的碳原子稱為共用的碳原子稱為螺原子。螺原子。3-2 環(huán)烷烴的命名環(huán)烷烴的命名 環(huán)烷烴的命名規(guī)則：環(huán)烷烴的

3、命名規(guī)則： 確定母體：以相應(yīng)的開鏈烴冠以確定母體：以相應(yīng)的開鏈烴冠以“環(huán)環(huán)”字來命名。字來命名。ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2環(huán)丙烷環(huán)丙烷環(huán)丁烷環(huán)丁烷環(huán)戊烷環(huán)戊烷 編號(hào)：若環(huán)上有取代基，編號(hào)盡可能小。編號(hào)：若環(huán)上有取代基，編號(hào)盡可能小。若有不同取代基，要用較小的數(shù)字，表示較小取若有不同取代基，要用較小的數(shù)字，表示較小取代基的位置。代基的位置。 書寫同烷烴。書寫同烷烴。 對(duì)于順反異構(gòu)體：順式對(duì)于順反異構(gòu)體：順式(cis)：相同基團(tuán)在：相同基團(tuán)在平面的同側(cè)；反式平面的同側(cè)；反式(trans)：相同基團(tuán)在平面的兩：相同基團(tuán)在平面的兩側(cè)。側(cè)。 1-甲基甲基-2

4、-乙基環(huán)戊烷乙基環(huán)戊烷 順順-1,2-二甲基環(huán)丙烷二甲基環(huán)丙烷ch3ch3hhch2ch2ch2ch2ch2ch3ch3ch2或或1 12 23 34 45 51-甲基甲基-3-乙基環(huán)戊烷乙基環(huán)戊烷或或1-甲基甲基-3-異丙基環(huán)己烷異丙基環(huán)己烷 ch2ch2ch2ch2ch-ch3chch(ch3)21 12 23 34 45 56 6反反- 1,3-二甲基環(huán)戊烷二甲基環(huán)戊烷反反-1-乙基乙基-3-異丙基環(huán)戊烷異丙基環(huán)戊烷hch3ch3hch(ch3)2ch3ch2 如取代基為較長的碳鏈，將環(huán)作為取代基，如取代基為較長的碳鏈，將環(huán)作為取代基，作為烷烴的衍生物命名：作為烷烴的衍生物命名：hc c

5、h2ch3ch3ch2ch23-環(huán)己基己烷 多環(huán)脂環(huán)烴多環(huán)脂環(huán)烴十氫萘或叫做二環(huán)十氫萘或叫做二環(huán)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 金剛烷金剛烷 籃烷籃烷3-3 環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu)環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu) 一、環(huán)的大小和穩(wěn)定性一、環(huán)的大小和穩(wěn)定性二、環(huán)己烷和一取代物的構(gòu)象二、環(huán)己烷和一取代物的構(gòu)象 一、環(huán)的大小和穩(wěn)定性一、環(huán)的大小和穩(wěn)定性 環(huán)丙烷分子的三個(gè)碳原子都在同一平面環(huán)丙烷分子的三個(gè)碳原子都在同一平面上，上， ccc 鍵角應(yīng)為鍵角應(yīng)為60 ，而烷烴中，而烷烴中sp3雜化的鍵角為雜化的鍵角為10928 ， 因此，環(huán)丙烷因此，環(huán)丙烷中兩個(gè)成鍵碳原子的中兩個(gè)

6、成鍵碳原子的sp3軌道在成鍵時(shí)，它軌道在成鍵時(shí)，它們的對(duì)稱軸不可能在同一條線們的對(duì)稱軸不可能在同一條線上，而是以彎上，而是以彎曲方向重疊，結(jié)果重疊較少，鍵的穩(wěn)定性就曲方向重疊，結(jié)果重疊較少，鍵的穩(wěn)定性就差。差。 由由sp3雜化軌道構(gòu)成雜化軌道構(gòu)成ccc的鍵角都應(yīng)是的鍵角都應(yīng)是10928，但環(huán)丙烷分子中須將鍵角壓縮至，但環(huán)丙烷分子中須將鍵角壓縮至105.5，此時(shí)分子內(nèi)產(chǎn)生一種要求恢復(fù)正常鍵，此時(shí)分子內(nèi)產(chǎn)生一種要求恢復(fù)正常鍵角的內(nèi)在力量，稱為角張力角的內(nèi)在力量，稱為角張力(angle strain)(由拜爾由拜爾提出的提出的)，角張力使環(huán)丙烷容易開環(huán)，角張力使環(huán)丙烷容易開環(huán)。 環(huán)丙烷環(huán)的鍵環(huán)丙烷環(huán)

7、的鍵 環(huán)丁烷也存在環(huán)丁烷也存在角張力，但比角張力，但比環(huán)丙烷小些，所環(huán)丙烷小些，所以它的穩(wěn)定性比環(huán)丙烷要大以它的穩(wěn)定性比環(huán)丙烷要大。隨著成環(huán)碳原子數(shù)。隨著成環(huán)碳原子數(shù)的增加，的增加，角張力環(huán)逐漸減弱，環(huán)戊烷中角張力環(huán)逐漸減弱，環(huán)戊烷中ccc的鍵角為的鍵角為108，非常接近于四面體的夾角，因此，非常接近于四面體的夾角，因此，環(huán)戊烷基本上沒有張力。實(shí)驗(yàn)證明，它們成環(huán)的環(huán)戊烷基本上沒有張力。實(shí)驗(yàn)證明，它們成環(huán)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 能壘能壘 2.5kj/mol 半椅式半椅式 環(huán)戊烷構(gòu)象環(huán)戊

8、烷構(gòu)象二二 、環(huán)己烷及一取代物的構(gòu)象、環(huán)己烷及一取代物的構(gòu)象 拜爾張力學(xué)說假定環(huán)己烷分子中六個(gè)碳原子拜爾張力學(xué)說假定環(huán)己烷分子中六個(gè)碳原子在同一平面內(nèi)，這個(gè)學(xué)說提出不久，有人用碳原在同一平面內(nèi)，這個(gè)學(xué)說提出不久，有人用碳原子的四面體模型組成兩種環(huán)己烷模型，其碳原子子的四面體模型組成兩種環(huán)己烷模型，其碳原子并不在同一平面內(nèi)，這就是椅型構(gòu)象和船型構(gòu)象并不在同一平面內(nèi)，這就是椅型構(gòu)象和船型構(gòu)象模型。后來哈塞爾模型。后來哈塞爾(hassel o，挪威化學(xué)家，挪威化學(xué)家，1969年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))用偶極矩法、電子衍射法證用偶極矩法、電子衍射法證明了環(huán)己烷各個(gè)鍵角都接近明了環(huán)己烷各個(gè)鍵角都

9、接近10928，椅型是最，椅型是最穩(wěn)定的構(gòu)象。穩(wěn)定的構(gòu)象。1950年巴頓年巴頓(bartond，英國化學(xué)家，英國化學(xué)家，1969年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))發(fā)表了環(huán)己烷的構(gòu)象方發(fā)表了環(huán)己烷的構(gòu)象方面的工作，奠定了構(gòu)象理論基礎(chǔ)。面的工作，奠定了構(gòu)象理論基礎(chǔ)。 在環(huán)己烷分子中，碳原子在環(huán)己烷分子中，碳原子是以是以sp3雜化的六雜化的六個(gè)碳原子不在同一平面內(nèi)，碳碳鍵之間的角可個(gè)碳原子不在同一平面內(nèi)，碳碳鍵之間的角可以保持以保持10928，因此，環(huán)很穩(wěn)定。環(huán)己烷有，因此，環(huán)很穩(wěn)定。環(huán)己烷有兩種極限構(gòu)象，一種象椅子故叫兩種極限構(gòu)象，一種象椅子故叫椅型椅型(chair form)，另一種象船叫，另一

10、種象船叫船型船型(boat form)。圖圖5-2環(huán)己烷的兩種構(gòu)象及分子模型環(huán)己烷的兩種構(gòu)象及分子模型chair formboat form 1.船型構(gòu)象：在船型中只有四個(gè)相鄰碳原船型構(gòu)象：在船型中只有四個(gè)相鄰碳原子的鍵子的鍵(見紐曼投影式中見紐曼投影式中1,2；3,4；4,5和和6,1)處于處于鄰位交叉式的位置，其他兩個(gè)相鄰碳原子的鍵鄰位交叉式的位置，其他兩個(gè)相鄰碳原子的鍵(2，3和和5，6)處于全重疊式的位置。由于重疊的處于全重疊式的位置。由于重疊的氫原子間有斥力氫原子間有斥力(位阻位阻)作用，且船頭船尾距離較作用，且船頭船尾距離較近，斥力較大，非鍵合張力也較大，故船型構(gòu)近，斥力較大，非鍵

11、合張力也較大，故船型構(gòu)象能量高，不穩(wěn)定。象能量高，不穩(wěn)定。 圖圖5-4 船型環(huán)己烷船型環(huán)己烷c1和和c4上的氫原上的氫原子相距較近，斥力較大子相距較近，斥力較大圖圖5-3 環(huán)己烷船型構(gòu)象環(huán)己烷船型構(gòu)象234561231465 2.椅型構(gòu)象：在椅型中所有椅型構(gòu)象：在椅型中所有ccc鍵角鍵角基本上維持基本上維持109.5，而相鄰碳原子的鍵都處于，而相鄰碳原子的鍵都處于鄰位交叉式的位置，沒有碳?xì)滏I或碳碳鍵的重鄰位交叉式的位置，沒有碳?xì)滏I或碳碳鍵的重疊。因此環(huán)己烷椅型構(gòu)象既沒有角張力，也沒疊。因此環(huán)己烷椅型構(gòu)象既沒有角張力，也沒有扭轉(zhuǎn)張力，所以沒有張力能，是個(gè)無張力環(huán)，有扭轉(zhuǎn)張力，所以沒有張力能，是個(gè)

12、無張力環(huán)，具有與烷烴相似的穩(wěn)定性。具有與烷烴相似的穩(wěn)定性。圖圖5-6 椅型環(huán)己烷椅型環(huán)己烷c1和和c4上的上的氫原子相距較遠(yuǎn)，斥力較小氫原子相距較遠(yuǎn)，斥力較小 圖圖5-5 環(huán)己烷的椅型構(gòu)象環(huán)己烷的椅型構(gòu)象hhhhhhhh146532 (1) 鍵和鍵和e鍵：鍵：在椅型中在椅型中ch鍵分為兩類。鍵分為兩類。第一類六個(gè)第一類六個(gè)ch鍵與分子的對(duì)稱軸平行叫做鍵與分子的對(duì)稱軸平行叫做直直立鍵或立鍵或鍵鍵(axial bonds)，其中三個(gè)方向朝上，其中三個(gè)方向朝上，其余三個(gè)方向朝下，相鄰兩個(gè)則一上一下，見其余三個(gè)方向朝下，相鄰兩個(gè)則一上一下，見圖圖5-7；第二類六個(gè)；第二類六個(gè)ch鍵與直立鍵形成接近鍵與

13、直立鍵形成接近10928夾角，叫做夾角，叫做平伏鍵或平伏鍵或e鍵鍵(equatorial bonds)。 環(huán)己烷的直立鍵和平伏鍵環(huán)己烷的直立鍵和平伏鍵 hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh椅式（無張力環(huán)） (2)轉(zhuǎn)環(huán)作用：環(huán)己烷的船型和椅型兩種構(gòu)象轉(zhuǎn)環(huán)作用：環(huán)己烷的船型和椅型兩種構(gòu)象固然可以通過各個(gè)固然可以通過各個(gè)cc鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)而互相轉(zhuǎn)變。且鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)而互相轉(zhuǎn)變。且一個(gè)椅型構(gòu)象也可以通過一個(gè)椅型構(gòu)象也可以通過cc鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)而變?yōu)榱礞I的轉(zhuǎn)動(dòng)而變?yōu)榱硪粋€(gè)椅型構(gòu)象，這種構(gòu)象的互變，叫轉(zhuǎn)環(huán)作用，一個(gè)椅型構(gòu)象，這種構(gòu)象的互變，叫轉(zhuǎn)環(huán)作用，是由分子熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生，而不經(jīng)過碳碳鍵的破裂。是由分子熱運(yùn)動(dòng)所

14、產(chǎn)生，而不經(jīng)過碳碳鍵的破裂。在室溫時(shí)，就能迅速轉(zhuǎn)環(huán)，每秒鐘在室溫時(shí)，就能迅速轉(zhuǎn)環(huán)，每秒鐘104105次。次。在互相轉(zhuǎn)變中每一個(gè)在互相轉(zhuǎn)變中每一個(gè)鍵都變成了鍵都變成了e鍵，同時(shí)每一鍵，同時(shí)每一個(gè)個(gè)e鍵也變成了鍵也變成了鍵，反之亦然。鍵，反之亦然。 兩個(gè)椅型相互轉(zhuǎn)變兩個(gè)椅型相互轉(zhuǎn)變654321654321 3.一元取代環(huán)己烷：一元取代環(huán)己烷： 95%5% 結(jié)論：結(jié)論：一取代環(huán)己烷最穩(wěn)定構(gòu)象是取代基在一取代環(huán)己烷最穩(wěn)定構(gòu)象是取代基在e鍵上。鍵上。ch3hch3h（）（）hh 關(guān)于原子間的互相斥力問題，從圖關(guān)于原子間的互相斥力問題，從圖5-10中原中原子在空間的距離數(shù)據(jù)就清楚看出：子在空間的距離數(shù)據(jù)就

15、清楚看出：甲基環(huán)己烷原子間的距離甲基環(huán)己烷原子間的距離 hchhhhh0.250nm0.255nm0.233nm 取代基體積越大，取代基體積越大， 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 環(huán)烷烴的工業(yè)來源及制環(huán)烷烴的工業(yè)來源及制法法 1.工業(yè)來源工業(yè)來源：環(huán)烷烴存在于某些地區(qū)的石油環(huán)烷烴存在于某些地區(qū)的石油中，石油因產(chǎn)地不同，環(huán)烷烴的含量不同。其中，石油因產(chǎn)地不同，環(huán)烷烴的含量不同。其中以俄羅斯和羅馬尼亞所產(chǎn)石油含環(huán)烷烴較多，中以俄羅斯和羅馬尼亞所產(chǎn)石油含環(huán)烷烴較多，石油中所含的環(huán)烷烴主要是環(huán)戊烷和

16、環(huán)己烷以石油中所含的環(huán)烷烴主要是環(huán)戊烷和環(huán)己烷以及他們的烷基衍生物。例如：及他們的烷基衍生物。例如：ch3ch3ch3ch3 2.制法制法：工業(yè)上最重要的是環(huán)己烷，：工業(yè)上最重要的是環(huán)己烷，其制備方法有兩種，一種是從石油餾分中其制備方法有兩種，一種是從石油餾分中得到，另一種是利用苯的催化加氫。得到，另一種是利用苯的催化加氫。3h2+ni,18mpa2002403-4 環(huán)烴的環(huán)烴的物理物理性質(zhì)性質(zhì) 環(huán)烷烴的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和相對(duì)密度都較環(huán)烷烴的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和相對(duì)密度都較含同數(shù)碳原子的脂肪烴為高。常溫常壓下含同數(shù)碳原子的脂肪烴為高。常溫常壓下環(huán)丙烷、環(huán)丁烷為氣體，其它環(huán)烷烴多為環(huán)丙烷、環(huán)丁烷為氣體，其它環(huán)

17、烷烴多為液體。液體。3-5 環(huán)烴的環(huán)烴的化學(xué)化學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 一、取代反應(yīng)一、取代反應(yīng)二、氧化反應(yīng)二、氧化反應(yīng)三、小環(huán)的加成反應(yīng)三、小環(huán)的加成反應(yīng)一、取代反應(yīng)一、取代反應(yīng) 五元環(huán)以上烴性質(zhì)與開鏈烴相似五元環(huán)以上烴性質(zhì)與開鏈烴相似，易，易發(fā)生親電取代反應(yīng)。發(fā)生親電取代反應(yīng)。hv+ br2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch2ch-brcl2hvclclh+二、氧化反應(yīng)二、氧化反應(yīng) 一般情況下環(huán)烷烴不被氧化劑氧化，如不一般情況下環(huán)烷烴不被氧化劑氧化，如不能被高錳酸鉀氧化。但可被硝酸氧化。能被高錳酸鉀氧化。但可被硝酸氧化。hno3hooc-(ch2)4-cooh+1/2o2oh200,加壓加壓三、小環(huán)的加成反應(yīng)三、小環(huán)的加成反應(yīng) 1.催化加氫：環(huán)越小，催化加氫越容催化加氫：環(huán)越小，催化加氫越容易。易。+ h2ch3ch2ch3ni80ch2ch2ch2+ h2ch3ch2ch2ch3ch2ch2ch2ch2ni120 2.加鹵素：環(huán)丙烷及其烷基衍生物不僅容易加鹵素：環(huán)丙烷及其烷基衍生物不僅容易加氫，在常溫下也易與鹵素起加成反應(yīng)。加氫，在常溫下也易與鹵素起加成反應(yīng)。 3.加溴+室溫br2+brbrbr2br2+brbrbrbr+ br2加熱加熱ch2ch2c