有机化学第四章环烃

环烷烃、环烯烃、环炔烃 2. 按碳环个数分 小环化合物 C3～C4 普通环化合物 C5～C7 中环化合物 C8～C11 大环化合物 ≥C12
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
5
H2 C H2C CH2
环丙烷 环丙烷
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 or
(
)
H2C C H2
H2 C
CH2 CH2
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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二．化学性质 “大环似烷，小环似烯”，小环指3、4碳的环。角张力使其不稳 定，易被打开。没达到轴向重叠，电子被束缚的程度小。
1、催化氢化：Pt、Pd或Ni的催化下，环丙烷和环丁烷开环加成
+ +
H2
Ni 800C Ni 2000C
CH3 CH2 CH3
H2
CH3 CH2 CH2 CH3
(5)
IUPAC规则中规定：甲苯、邻二甲苯、异丙苯、苯
乙烯等少数芳烃也作为母体命名。例：对叔丁基甲苯， 就不叫做1-甲基-4叔丁基苯
第四章 环烃
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Ⅱ. 芳香烃
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（6）当两个取代基相同时，则作为苯的衍生物来命名
CH CH2
1,4-二 乙 烯基 苯 CH CH2
2、多环芳香烃
（1）联苯类：苯环间以一个单键相连的，例如：
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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不讨论构象，只考虑构型时，可将其简写为：
H
H
H
CH3
CH3
CH3
CH3
H
课堂练习：画出顺式1，3-二甲基环已环的椅式构象图
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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脂环烃的性质
一．物理性质：不溶于水，液态密度小于水，沸点和相对密度比 相应的烷烃高。
常见脂环烃的物理常数见表4-1。
大基团伸向环外，距离较远，无排斥力，故大基团连在e键的构象
是更稳定的构象。
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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二取代构象稳定性
根据取代基在环面的同侧或反侧，则可以产生几何异构体，如1， 2-二甲基环已烷，即有顺式与反式两个异构体。反式稳定
CH3 H3C H H
H H3 C H
CH3
顺-1，2-二甲基环已烷（a e型） 反-1，2-二甲基环已烷（e e型）
3 2 1 1' 5 6 6' 2' 3' 4' 5' 2 3 4 6 5 1 2 6 5 4 3
H3C
4
CH3
1
第四章 环烃
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4,4'-二 甲 基 联苯
1,4- 联三 苯
1,3- 联三 苯
Ⅱ. 芳香烃
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（2）多苯代脂肪烃：可看作脂肪烃分子中H被苯取代：
CH2 二苯 甲 烷 CH 三苯 甲 烷 CH CH 二苯 乙 烯
CH3 CH2CH3 CH
3
苯
甲苯
乙 苯
异丙苯
NO
Cl
NO2
氯苯
硝基苯
亚硝基苯
第四章 环烃
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Ⅱ. 芳香烃
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(2) 当苯上连有不饱和基团或多个碳原子的烷基时， 则将苯环作为取代基，苯分子除去一个氢原子后， 余下的部分为苯基（Ph(phenyl))，
CH CH2
苯乙 烯
CH3CHCH2CH2CH2CH2 CH3 2-苯 基 庚烷
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Ⅰ. 脂环烃
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2 3 1 6 5
a键
4
e键
椅式构象中：C1、C3和C5处在同一个平面内，C2、C 4和C 6处 在另外一个平面。每个碳上的C—H键都是一个垂直于平面，这
个键叫直立键，以a[axial( 轴向的）]表示；另一个键则大致与
平面平行，叫做平伏键，以e[equatorial(赤道的）]表示。六 个a键六个e键；画法：3左3右，3上3下。
第四章 环烃
（脂肪环烃和芳香烃）
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1
本章主要内容
脂肪环烃部分包括： 命名、结构（环己烷的构象）、物理性质、化 学性质。金刚烷。 芳香烃部分包括： 分类与命名；单环芳烃物理性质、化学性质。 多环芳烃、致癌芳烃、石墨、富勒烯等。
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
2
环烃：由碳和氢两种元素组成的环状化合物，
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Ⅰ. 脂环烃
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球棍模型
比例模型
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Ⅰ. 脂环烃
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金刚石的结构与金刚烷类似，没有氢只有碳，
所有碳均为SP3杂化。其结构致密、硬度大，
可用于切割金属、玻璃等。金刚石燃烧产物是
二氧化碳。
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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Ⅱ 芳香烃
Aromatic hydrocarbons
1．选主链：一般以环作为主体； 2．编号：取代基位置尽可能小，由连小基团的碳原子开始编号。
CH3
1 6 5 4 2 4 3 5
CH3
3
CH3
2
1
6 5 4
2 3
CH3
1,4-二甲基环己烷
6
1
CH3
CH CH3 CH3
1,3-二甲基环己烷
1-甲基-4-异丙基环己烷
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Ⅰ. 脂环烃
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3. 当环上连有取代基及不 饱和键时，即为环烯(炔) 烃时，不饱和键以最小的 号数表示。
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Ⅱ. 芳香烃
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芳香烃的分类
苯及其同系物
单环芳烃`
CH3
多苯脂烃 芳香烃 多核芳烃 联苯类 稠环芳烃 非苯芳烃
不含苯环，但具有苯的特 性“芳香性”的碳环化合物
H C
第四章 环烃
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Ⅱ. 芳香烃
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4.2.2 芳香烃的命名 1、单环芳香烃 包括苯、苯的同系物和苯基取代的不 饱和烃 (1)一般一苯为母体，如甲苯、乙苯、丙苯、氯苯、 硝基苯等 CH3 CH
（3）稠环芳烃：并联：两个或两个以上苯环共用两个相 邻碳原子。
8 7 6 5 4 1α 2β 3 8 7 6 5 10 4 9γ 1α 2β 3 6 7 8 9 10 5 3 4 2 9 1 7 6 5 4 3 8 10 1 2
α = 1,4,5,8
萘
β = 2,3,6,7 γ = 9,10
蒽
菲
第四章 环烃
根据它们的结构或性质，可以分成脂环烃和芳 香烃两类；
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
3
Ⅰ 脂环烃
回顾： 开链烃：分子中的碳原子相连成链状（非环状）而形 成的化合物，开链烃亦称脂肪烃。
性质与脂肪烃相似的环烃，叫做脂环烃。包括： 环烷烃 环烯烃 环炔烃
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Ⅰ. 脂环烃
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一、分类
1. 按照碳原子的饱和程度可分为：
(
)
环戊烷 环戊 烷
环己烷
环己烯
环戊二烯
环辛炔 Ⅰ. 脂环烃
6
第四章 环烃
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通式：环烃比开链烃少两个碳原子，故其通式变为：环烷烃 CnH2n ；环烯烃CnH2n-2 ；环炔烃CnH2n-4；
在环烃中五、六元环最为常见。
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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二．命名：与烷烃命名相似，在相应烷烃名称前加一“环”字。
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第四章 环烃
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四 其它环化合物
十氢化萘
螺[5,5]十一烷
降菠烷
立方烷
金刚烷
Байду номын сангаас篮烷
Ⅰ. 脂环烃
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第四章 环烃
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环烷的结构
环丙烷中SP3杂化 轨道重叠示意图
环丙烷中， C-C键未达到最大重叠，键角1050，偏离 正常键角，没有正常σ键稳定，故分子内存在一种使 电子云达到最大重叠的倾向的力，叫张力。
CH3
4 5 6 1 3 2
4-甲基环已烯
CH2CH2CH2CH2CH3
环丁基戊烷
4. 某些情况下，如当 简单的环上连有较长
的碳链时，也可将环
当作取代基，如：
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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三．异构：碳骨架异构和立体顺反异构：
1、碳骨架异构 如：C8H16
CH2 CH3
CH3 CH2 CH3
H3 C
当取代基上带官能团时
CHO COOH SO3H
苯甲醛
苯甲酸
苯磺酸 Ⅱ. 芳香烃
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第四章 环烃
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CH3 CH2(CH2)5CH3 CH(CH2)4CH3
1-苯基庚烷
CH2CH2
2-苯基庚烷
1，2-二苯基乙烷（属于多环芳烃）
第四章 环烃
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Ⅱ. 芳香烃
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(3) 苯环上有两个取代基时，就有三种异构体，要标明取代基 （ para- ）表示，也可用1,2-；1,3-；1,4-表示
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第四章 环烃
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在船式构象中， C1和C4上的两个氢原子相距极近，相互之间排 斥力比较大；而且 C2—C3 、C5—C6上连接的基团为全重叠式 ， 这种构象能量较高。而在椅式构象中，不存在这种排斥力， C2—C3 、C5—C6上连接的基团为邻位交叉式 ，因而能量较低，
故椅式构象是更稳定的构象，环己烷构象中通常椅式构象占优势。
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环已烷的椅式构象的画法
2 3 4
1
6 5
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Ⅰ. 脂环烃
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特点：
1. 在环已烷的椅式构象中，每一个碳原子上各有 一个a键及一个e 键； 2. 相邻两个碳原子上的a键（或e键）都是一个向 上，另一个向下（反式）；
3. 而相隔一个碳原子的两个a键（或e键）的方向 是一致的（顺式）；
在上述条件下，环戊烷、环己烷以及更大环的环烷烃就不发生反应
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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2 、加溴：环丙烷和环丁烷与溴也发生开环加成反应，其他更 大的环则发生取代反应。例如：
+ + + +
第四章 环烃
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Br2 Br2
r t. BrCH2CH2CH2Br BrCH2CH2CH2CH2Br 3000C
4. 处于对位（1，4）的两个碳原子上的a键（或e 键）的方向又是相反的（反式）。
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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在室温下，两种椅式构象在不断地相互翻转，翻
转以后C1、C3、C5形成的平面转至C2、C4、C6形
成的平面之下，因此a键变为e键，而e键变为a键。
3 1 2
4
2 5 4 1 6 6 5 3
的位置，可以分别用邻（ ortho- ）、间（ meta- ）、对
CH3
间 二甲 苯 1,3-二 甲 苯 对 二甲 苯 1,4-二 甲 苯
CH3
邻 二甲 苯 1,2-二 甲 苯
CH3 CH3
CH3
CH3
第四章 环烃
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Ⅱ. 芳香烃
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（4）有三个取代基时，一般都用数目字表示它们 的位置
CH3 1,2,3-三 甲 苯 连三甲 苯 CH3 CH3 1,2,4-三 甲 苯 偏 三甲 苯 CH3 CH3 CH3 1,3,5-三 甲 苯 均 三甲 苯 H3C CH3 CH3
“芳香烃化合物”原来指的是由树脂或香精油中取 得的一些有香味的物质。如苯甲醛、苯甲醇等。因 物质分子中都含有苯环，因此把含有苯环的一大类
化合物叫做芳香族化合物。实际上有的不但不香，
而且还有难闻的气味，该词是延用下来的。苯环具 有独特的化学性质，叫做芳香性。目前用芳香族化 合物的含义已经引伸。
第四章 环烃
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Ⅱ. 芳香烃
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一、单环芳烃
苯的结构
•1825年法拉弟(Faraday)从照明气中分离得到 分子式为C6H6，符合CnH2n-6通式，可能具有的结构式
HC C CH2-CH2-C H
CH2=CH-C
C-CH=CH2 H
CH2=CH-CH=CH-C
Br
Br2 Br2
Br
+ +
HBr HBr
hv
rt.room temprature Ⅰ. 脂环烃
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金刚烷
金刚烷分子式：C10H16，因其结构与金刚石相近而得 名。四个碳均与三个碳原子相连、与一个氢原子相连， 属于叔碳，其余六个碳为仲碳。所有碳原子都是SP3 杂化。存在于某些地区的石油中。
第四章 环烃
稳定性：五，六元环最稳定
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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环己烷及其衍生物的结构
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
16
1
(Ⅰ )
6
2
3 5
4
1
3 2 5 4 6
(Ⅱ )
在(Ⅰ)和(Ⅱ)中，C2、C3 、C5 、C6都在一个平面内， 但在(Ⅰ)中，C1和C4在平面的同一侧，这种构象叫船 式构象；而在(Ⅱ)中，C1和C4在平面的上下两侧，这 种构象叫椅式构象。
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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使电子云达到最大重叠倾向的力，叫张力。引起张力
的原因是键角的偏差，所以叫做角张力。角张力是影
响环烃稳定性的几种张力因素之一。
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Ⅰ. 脂环烃
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环丁烷分子中也存在张力，但比环丙烷要小，随 着碳原子数增加，成环碳原子可以不在一个平面 内，碳碳键逐渐趋于最大重叠
CH3
CH2 CH3
H3 C
CH3
H3 C
CH2 CH3
第四章 环烃
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Ⅰ. 脂环烃
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2、顺反异构：由于成环原子之间的单键不能自由旋
转而引起。两个取代基在环平面同侧为顺式，不同侧
为反式
H3C
CH3 H
H
H CH3 CH3 H
H3C
H
H3C
H
H3C H
H CH3
顺-1，4-二甲基环己烷
反-1，4-二甲基环己烷 Ⅰ. 脂环烃
(I)
( II )
第四章 环烃
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一取代构象的稳定性：
0.25nm
CH3 CH3
椅式构象中，C1、C3和C5 (或C2、C 4和C 6)的三个a键所连的氢原 子之间的距离与两个氢原子半径大致相等，故无排斥力，若氢原子 被大基团取代则会拥挤而产生排斥力。若大基团连在e键上，由于