英語考試環(huán)烷烴

第四章環(huán)烴

環(huán)烴又稱閉鏈烴。它們是具有環(huán)狀構(gòu)造的碳?xì)浠衔铩８鶕?jù)這類化合物的構(gòu)造和性質(zhì)又分為脂環(huán)烴和芳香烴。

第1頁/共58頁第一頁，共59頁。環(huán)烴脂環(huán)烴芳香烴單環(huán)芳烴多環(huán)芳烴非苯芳烴環(huán)烷烴環(huán)烯烴環(huán)炔烴單環(huán)烷烴橋環(huán)烷烴螺環(huán)烷烴集合環(huán)烷烴多苯代脂烴聯(lián)苯稠環(huán)芳烴環(huán)烴的分類第2頁/共58頁第二頁，共59頁。第一節(jié)脂環(huán)烴

脂環(huán)烴是具有鏈烴性質(zhì)的環(huán)烴。脂環(huán)烴及其衍生物廣泛存在于自然界中，例如有些地區(qū)所產(chǎn)的石油中含多量的環(huán)烷烴；一些植物中含有的揮發(fā)油（精油），其成分大多是環(huán)烯烴及其含氧衍生物。揮發(fā)油是中草藥中重要的有效成分，有的可作香料。在自然界廣泛存在甾族化合物都是脂環(huán)烴的衍生物，在人體中起重要作用。第3頁/共58頁第三頁，共59頁。1880年以前，只知道有五元環(huán)，六元環(huán)。1883年，人們合成了三元環(huán)，四元環(huán)。1885年，A.Baeyer提出了張力學(xué)說。第4頁/共58頁第四頁，共59頁。(單)環(huán)烷烴單脂環(huán)烴第5頁/共58頁第五頁，共59頁。橋環(huán)烴（稠環(huán)）橋環(huán)烴螺環(huán)烴二脂環(huán)烴第6頁/共58頁第六頁，共59頁。多脂環(huán)烴金剛烷立方烷房烷藍(lán)烷十二面烷第7頁/共58頁第七頁，共59頁。

分子中具有碳環(huán)結(jié)構(gòu)的烷烴稱為環(huán)烷烴，單環(huán)烷烴的通式為CnH2n

單環(huán)烷烴與單烯烴為同分異構(gòu)體。本節(jié)討論主要環(huán)烷烴。第8頁/共58頁第八頁，共59頁。一、環(huán)烷烴的分類、異構(gòu)和命名

環(huán)烷烴按分子中碳環(huán)的數(shù)目分為單環(huán)烷烴和多環(huán)烷烴兩大類型。第9頁/共58頁第九頁，共59頁。單環(huán)烷烴分類：1.單環(huán)烷烴只有一個碳環(huán)的烷烴屬于單環(huán)烷烴。小環(huán)（三、四元環(huán)）普通環(huán)（五~七元環(huán)）中環(huán)（八~十二元環(huán)）大環(huán)（十二元環(huán)以上）第10頁/共58頁第十頁，共59頁。單環(huán)烷烴的異構(gòu)

從含四個碳的環(huán)烷烴開始，除具有相應(yīng)的烯烴同分異構(gòu)體外，還有碳環(huán)異構(gòu)體。環(huán)戊烷1,1-二甲基環(huán)丙烷乙基環(huán)丙烷甲基環(huán)丁烷1,2-二甲基環(huán)丙烷如環(huán)烷烴C5H10的構(gòu)造異構(gòu)體有：第11頁/共58頁第十一頁，共59頁。簡寫為：單環(huán)烷烴的命名

單環(huán)烷烴的命名與烷烴基本相同，只是在“某烷”前加一“環(huán)”字。第12頁/共58頁第十二頁，共59頁。甲基環(huán)戊烷1,2-二甲基環(huán)己烷1-甲基-3-乙基環(huán)己烷

環(huán)烷烴若有取代基時，它所在位置的編號仍遵循最低系列原則。第13頁/共58頁第十三頁，共59頁。2.多環(huán)烷烴

含有兩個或多個碳環(huán)的環(huán)烷烴屬于多環(huán)烷烴。多環(huán)烷烴分為橋環(huán)、螺環(huán)等。第14頁/共58頁第十四頁，共59頁。（1）橋環(huán)烴

兩個或兩個以上碳環(huán)共用兩個以上碳原子的稱為橋環(huán)烴。橋頭碳原子第15頁/共58頁第十五頁，共59頁。橋環(huán)烴的命名

橋環(huán)化合物命名時，從一個橋頭開始，沿最長的橋路編到另一個橋頭，再沿次長的環(huán)編回到起始橋頭，最短的橋最后編號。命名時以二環(huán)、三環(huán)作詞頭，然后根據(jù)母體烴中碳原子總數(shù)稱為某烷。在詞頭“環(huán)”字后面的方括號中，由多到少寫出各橋路所含碳原子數(shù)(橋頭碳原子不計入)，同時各數(shù)字間用下角圓點隔開，有取代基時，應(yīng)使取代基編號較小。第16頁/共58頁第十六頁，共59頁。（十氫萘）橋頭碳：幾個環(huán)共用的碳原子環(huán)的數(shù)目：斷裂二根C—C鍵可成鏈狀烷烴為二環(huán)斷裂三根C—C鍵可成鏈狀烷烴為三環(huán)橋頭間碳原子數(shù)：不包括橋頭C，由多到少列出環(huán)的編號方法：從橋頭開始，先長鏈后短鏈二環(huán)[4.4.0]癸烷第17頁/共58頁第十七頁，共59頁。二環(huán)[4.3.2]十一烷

橋環(huán)化合物命名時，有取代基時，應(yīng)使取代基編號較小。

2-甲基-8-乙基二環(huán)[4.3.0]壬烷第18頁/共58頁第十八頁，共59頁。

脂環(huán)烴分子中兩個碳環(huán)共用一個碳原子的稱為螺環(huán)烴。螺原子（2）螺環(huán)烴第19頁/共58頁第十九頁，共59頁。

命名時根據(jù)成環(huán)的碳原子總數(shù)稱為螺某烷；編號從小環(huán)開始，經(jīng)過螺原子編至大環(huán)；在“螺”字之后的方括號中，注明各螺環(huán)所含的碳原子數(shù)(螺原子除外)，先小環(huán)再大環(huán)，數(shù)字間用下角圓點隔開。螺[3.4]辛烷螺環(huán)烴的命名第20頁/共58頁第二十頁，共59頁。1,6-二甲基螺[3.5]壬烷

螺環(huán)烴命名時，有取代基的要使其編號較小。5-甲基螺[3.4]辛烷第21頁/共58頁第二十一頁，共59頁。二、物理性質(zhì)

環(huán)烷烴的分子結(jié)構(gòu)比鏈烷烴排列緊密，所以，沸點、熔點、密度均比鏈烷烴高。第22頁/共58頁第二十二頁，共59頁。三、環(huán)烷烴的化學(xué)性質(zhì)

環(huán)烷烴的化學(xué)性質(zhì)與烷烴類似。三元和四元環(huán)烷烴由于分子中存在張力，在化學(xué)性質(zhì)上比較活潑，它們與烯烴相似，可以發(fā)生開環(huán)加成反應(yīng)生成鏈狀化合物。第23頁/共58頁第二十三頁，共59頁。1.開環(huán)反應(yīng)（1）催化加氫環(huán)己烷、環(huán)庚烷在此條件下不發(fā)生加氫反應(yīng)。第24頁/共58頁第二十四頁，共59頁。（2）加溴環(huán)丙烷在室溫下與溴發(fā)生加成反應(yīng)生成1,3-二溴丙烷。

在加熱條件下環(huán)丁烷與溴發(fā)生加成反應(yīng)，生成1,4-二溴丁烷。第25頁/共58頁第二十五頁，共59頁。（3）加鹵化氫

環(huán)丙烷、環(huán)丁烷與鹵化氫發(fā)生加成反應(yīng)生成鹵代烷。環(huán)戊烷、環(huán)己烷不易發(fā)生反應(yīng)。第26頁/共58頁第二十六頁，共59頁。

當(dāng)環(huán)丙烷的烷基衍生物與氫鹵酸作用時，碳環(huán)開環(huán)多發(fā)生在連接氫原子最多和連接氫原子最少的兩個碳原子之間。氫鹵酸中的氫原子加在連氫原子較多的碳原子上，而鹵原子則加在連氫原子較少的碳原子上。

取代環(huán)烷烴開環(huán)時，在取代基最多和取代基最少處的C－C鍵間斷開。第27頁/共58頁第二十七頁，共59頁。三元環(huán)＞四元環(huán)＞五、六、七元環(huán)環(huán)的反應(yīng)活性次序為第28頁/共58頁第二十八頁，共59頁。2.取代反應(yīng)

環(huán)戊烷、環(huán)己烷等在光或熱的作用下可發(fā)生取代反應(yīng)。第29頁/共58頁第二十九頁，共59頁。

環(huán)丙烷與溴在光照下反應(yīng)，除生成少量取代產(chǎn)物外，主要得到的卻是加成產(chǎn)物。第30頁/共58頁第三十頁，共59頁。3.氧化反應(yīng)

常溫下環(huán)烷烴與一般氧化劑不起作用，即使環(huán)丙烷也不起反應(yīng)，因此可用高錳酸鉀鑒別環(huán)烷烴和烯烴。第31頁/共58頁第三十一頁，共59頁。

在加熱或在催化劑作用下，用空氣中的氧氣或硝酸等強(qiáng)氧化劑可以氧化環(huán)己烷。第32頁/共58頁第三十二頁，共59頁。四、環(huán)烷烴的分子結(jié)構(gòu)1885年A.VonBaeyer提出了張力學(xué)說

其合理部分要點是：

當(dāng)碳與其他原子連結(jié)時，任何兩個鍵之間夾角都為四面體角(109.5°)第33頁/共58頁第三十三頁，共59頁。

碳環(huán)中的碳原子都在同一平面內(nèi),鍵角與109.５相差越大越不穩(wěn)定。環(huán)丙烷是三角形，夾角是60°。環(huán)中每個碳上的兩C-C鍵，不能是109°28’，必須壓縮到60°適應(yīng)環(huán)的幾何形狀，這些與正常的四面體鍵角（109.5°）的偏差，引起了分子的張力，力圖恢復(fù)正常鍵角，這種力稱做角張力，這樣的環(huán)叫做“張力環(huán)”。第34頁/共58頁第三十四頁，共59頁。

張力環(huán)和其鍵角與四面體分子相比是不穩(wěn)定的，為了減小張力，張力環(huán)有生成更穩(wěn)定的開鏈化合物的傾向。所以環(huán)丙烷不穩(wěn)定。

在環(huán)丙烷分子中，電子云的重疊不能沿著sp3軌道軸對稱重疊，只能偏離鍵軸一定的角度以彎曲鍵側(cè)面重疊，形成彎曲鍵（香蕉鍵），其鍵角為105.5°，因鍵角要從109.5°壓縮到105.5°，故環(huán)有一定的張力（角張力）。第35頁/共58頁第三十五頁，共59頁。

另外環(huán)丙烷分子中還存在著另一種張力——扭轉(zhuǎn)張力（由于環(huán)中三個碳位于同一平面，相鄰的C-H鍵互相處于重疊式構(gòu)象，有旋轉(zhuǎn)成交叉式的趨向，這樣的張力稱為扭轉(zhuǎn)張力）。環(huán)丙烷的總張力能為114KJ/mol。第36頁/共58頁第三十六頁，共59頁。環(huán)丙烷分子結(jié)構(gòu)

三角形內(nèi)角為60°，sp3雜化軌道夾角109.5°；成鍵軌道不能沿鍵軸方向取得最大程度重疊；環(huán)丙烷分子中角張力大，不穩(wěn)定，易開環(huán)。第37頁/共58頁第三十七頁，共59頁。

環(huán)丁烷分子結(jié)構(gòu)

蝴蝶型

環(huán)丁烷與環(huán)丙烷相似，C-C鍵也是彎曲的，C-C-C鍵角約111.5o，其中四個C不在同一平面。第38頁/共58頁第三十八頁，共59頁。環(huán)戊烷分子結(jié)構(gòu)信封型能壘

2.5KJ/mol半椅型第39頁/共58頁第三十九頁，共59頁。

環(huán)己烷分子中的碳原子不在一個平面上，碳碳σ鍵的夾角接近或保持109.5°，分子中既無角張力，又無扭轉(zhuǎn)張力，所以都比較穩(wěn)定。環(huán)己烷分子結(jié)構(gòu)椅型船型二種極限構(gòu)象：第40頁/共58頁第四十頁，共59頁。四、環(huán)烷烴的立體化學(xué)1.環(huán)己烷的構(gòu)象（1）船型構(gòu)象和椅型構(gòu)象第41頁/共58頁第四十一頁，共59頁。

椅型構(gòu)象和船型構(gòu)象可以互相轉(zhuǎn)變。船型環(huán)己烷比椅型能量高30kJ·mol-1，因此,椅型環(huán)己烷是其優(yōu)勢構(gòu)象。常溫下平衡體系主要以穩(wěn)定的椅型構(gòu)象存在。第42頁/共58頁第四十二頁，共59頁。（2）直立鍵（豎鍵）a鍵/平伏鍵（橫鍵）e鍵第43頁/共58頁第四十三頁，共59頁。

環(huán)己烷中的碳?xì)滏I可分為兩種類型，每個碳原子上有一個a鍵和一個e鍵，在環(huán)中上下交替排列。直立鍵(a鍵)平伏鍵(e鍵）第44頁/共58頁第四十四頁，共59頁。

環(huán)己烷由一種椅型構(gòu)象翻轉(zhuǎn)為另一種椅型構(gòu)象時，原來的a鍵都變?yōu)閑鍵，原來的e鍵都變?yōu)閍鍵。第45頁/共58頁第四十五頁，共59頁。（3）椅型構(gòu)象穩(wěn)定的原因鍵角為109.5°,無角張力氫原子之間無空間張力交叉構(gòu)象，分子中不存在扭轉(zhuǎn)張力第46頁/共58頁第四十六頁，共59頁。三個a鍵上的氫原子之間無空間張力俯視第47頁/共58頁第四十七頁，共59頁。（4）船型構(gòu)象不穩(wěn)定的原因重疊構(gòu)象，分子中存在扭轉(zhuǎn)張力氫原子之間存在空間張力第48頁/共58頁第四十八頁，共59頁。兩個旗桿氫原子之間有空間張力俯視第49頁/共58頁第四十九頁，共59頁。2.取代環(huán)己烷的構(gòu)象

一取代環(huán)己烷的取代基在e鍵上的構(gòu)象占優(yōu)勢。取代基越大，這種優(yōu)勢越明顯。

R=-CH3時，95%處于e鍵；

R=-C(CH3)3時，99.9%處于e鍵。第50頁/共58頁第五十頁，共59頁。

一元取代環(huán)己烷中，取代基可占據(jù)a鍵，也可占據(jù)e鍵，但占據(jù)e鍵的構(gòu)象更穩(wěn)定。a鍵取代基結(jié)構(gòu)中的非鍵原子間斥力比e鍵取代基的大（因非鍵原子間的距離小于正常原子鍵的距離所致）。從下圖中原子在空間的距離數(shù)據(jù)可清楚看出。取代基越大e鍵型構(gòu)象為主的趨勢越明顯。原因第51頁/共58頁第五十一頁，共59頁。

若環(huán)上連有不同的取代基，一般是體積大的取代基優(yōu)先處于e鍵。順-1-甲基-4-叔丁基環(huán)丁烷第52頁/共58頁第五十二頁，共59頁。關(guān)于環(huán)烷烴的構(gòu)象小結(jié)1°環(huán)烷烴的穩(wěn)定性與角張力、扭轉(zhuǎn)張力、空間張力有關(guān)。

2°環(huán)己烷有兩種極限構(gòu)象（椅型和船型），椅式為優(yōu)勢構(gòu)象。

3°一取代環(huán)己烷，其取代基在e鍵上的構(gòu)象占優(yōu)勢。體積大的取代基優(yōu)先處于e鍵。

4°多元取代環(huán)己烷最穩(wěn)定的構(gòu)象是e鍵上取代基最多的構(gòu)象。第53頁/共58頁第五十三頁，共59頁。金剛烷

金剛烷是由4個椅型六元環(huán)形成的一個立體籠形結(jié)構(gòu)的脂環(huán)烴，分子中只比環(huán)己烷多4個碳和4個氫。其分子式C10H