有机化学 第四章 环烷烃

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50
CH3
1 2
CH3
CH3
(反式) 反式)
CH3
2
CH3 1
较稳定
CH3
32
二取代环己烷 (顺式) 顺式)
CH3 CH3
1
CH3
2
2
CH3
CH3 1 CH3
33
多取代环己烷 如果环上同时有多个取代基时,则e键取代最 多的一般都是最稳定的构象。
Cl Cl
Cl Cl Cl Cl Cl Cl
Cl Cl Cl Cl
环烷烃的张力越大, 能量愈高,分子愈不稳 定。环丙烷和环丁烷的 张力能比其他的环烷烃 都 大很多,因此它们最 不稳定,容易开环。环 戊烷和环庚烷等的张力 能不太大,因此比较稳 定。环己烷和C12以上的 大环化合物的张力能很 小或等于零,因此它们 都是很稳定的化合物。
20
4.3.3 环己烷及其衍生物的构象
按组成环的碳原子数目 按环上是否含有不饱和键 (C3~C4) 小环 (C5~C7) 普通环 (C8~C11) 中环 以上) (C12以上)大环 饱和脂环烃 (环烷烃) 环烷烃) 不饱和脂环烃 (环烯、炔烃) 环烯、炔烃)
4
4.1 脂环烃的分类和命名 4.1.2 脂环烃的命名 单环脂环烃的命名与烷烃相似,只 是将碳原子数相应的链烃前面加上一个 “环”字。环上的碳原子用阿拉伯数字 编号,使双键和取代基有最小位次;在 有多个取代基时,编号应从较小的取代 基开始。
4.3.1 环烷烃的反应
(4) 氧化反应 )
用强氧化剂加热时,或在催化剂作用下用空气直 接氧化,环烷烃可被氧化成不同的产物
O2,钴催化剂 钴催化剂
140~180℃,1~2.5MPa ℃
OH
O
+
CH2 CH2 COOH CH2 CH2 COOH
46
HNO3
加 热
常温下,饱和的环对氧化剂稳定
H3C H3C CH C CH3 CH3
(1)环丙烷的结构: )环丙烷的结构:
碳原子为 sp3杂化 为缓解角张力 形成弯曲键

105°


环丙烷分子具有较 高的内能, 高的内能,不稳定
C-C-C键角 偏离正常键 角产生角张 力
13
环丙烷的结构
弯曲键
14
4.2.2 环的结构及其稳定性
(2)环丁烷的结构: )环丁烷的结构: 环丁烷的C-C键与环丙烷类似也呈弯曲键, 也易开环。但它的碳原子杂化轨道重叠程度比环 丙烷大,而且四个碳原子不在同一个平面内,主 要以“蝶式”构象存在(约与平面成35º角)使张 力有所降低,故比环丙烷稳定。
有机化学
4 脂环烃
1
基本内容和重点要求
环烷烃的结构及其稳定性; 环己烷及其衍生物的构象; 脂环烃的化学性质
重点要求掌握环己烷及其衍生物的构象。
2
4 脂环烃
4.1 脂环烃的分类和命名 4.2 脂环烃的结构 4.3 环烷烃的物理性质 4.4 脂环烃的化学性质
3
4.1 脂环烃的分类和命名 4.1.1 分类
较稳定
34
小结:
一取代环已烷取代基在e键时,构象较 稳定; 二元取代的环己烷两个取代基都占据e 键时,构象较稳定;当两个取代基不同 时,较大体积的取代基尽可能占据e键 时,构象较稳定; 如果环上同时有多个取代基时,则e键 取代最多的一般都是最稳定的构象。
35
课堂练习
画出下列各二元取代环己烷最稳定的构象。 画出下列各二元取代环己烷最稳定的构象。 (1)顺-1-氯-2-溴环己烷 ) 氯 溴环己烷
椅式构象

● ●
● ●

船式构象
17
椅式构象 椅式构象
18
船式构象
19
环烷烃的张力能
环烷烃 环丙烷 环丁烷 环戊烷 环己烷 环庚烷 环辛烷 环壬烷 环癸烷 环十五烷
每个CH 每个CH2的张 力能/kJ /kJ·mol 力能/kJ mol-1
38.5 27.6 5.4 0 3.7 5.0 5.8 5.0 0
5
4.1.2 脂环烃的命名
CH2 H2C
CH 3 CH 3
1,2-二甲基环丙烷 , 二甲基环丙烷
6
CH2
环丙烷
单环脂环烃的命 名与烷烃相似, 名与烷烃相似, 只是将碳原子数 相应的链烃前面 加上一个“ 加上一个“环” 字
环上的碳原子用阿 拉伯字编号, 拉伯字编号,使取 代基有最小位次
CH3
1 5 4 2 3

+
+
H2
Ni 200℃
H3C CH2 CH2 CH3
H3C CH2 CH2 CH2 CH3
H2
Ni 300℃

与烯烃的性质相似
43
4.3.1 环烷烃的反应
(3) 加卤素或卤化氢 )
Br2 CCl4
用于环 丙烷的 鉴别
BrCH2 CH2 CH2Br
CH3 CH2 CH2Br
HBr
四碳及以上环烷烃室温下均不能与卤素或卤化 氢反应
臭氧化
48
4.3.2 环烯烃的反应
阿尔德( (2)狄尔斯 阿尔德(Diels-Aider)反应 )狄尔斯-阿尔德 )
+
COOCH3
H COOCH3
二环[2.2.1]-5 -庚烯 羧酸甲酯 庚烯-2-羧酸甲酯 二环 庚烯
+
二环[2.2.1]-2,5-庚二烯 庚二烯 二环
49
例题与讨论
例1:如何将丙烷、丙烯、环丙烷区别开? 解:1、各取少许上述三种溶液,分别加入高锰酸钾的 酸性溶液,使其褪色的是丙烯。 2、另取剩余两种溶液,分别加入溴水,使其褪色 的是环丙烷。余下的是丙烷。 例2:如何将环丙烷、环丁烷和环戊烷区别开? 解:各取少许上述三种溶液,分别加入溴水,使其褪 色的是环丙烷,加热后退色的是环丁烷,不退色的是 环戊烷。
KMnO4 H2O
H3C H3C COOH CH3 CH3
双键对 氧化剂 不稳定
C
+O
可用于区别环烷烃和烯烃
47
4.3.2 环烯烃的反应
(1) 加成和氧化反应 )
环烯烃的双键和开链烯烃一样很容易发 生加成和氧化(或臭氧化)反应。 Br 加成 Br2 CCl4 Br
O3 Zn,H2O
CH2 CH2 CHO CH2 CH2 CHO
2-甲基 环己基己烷 甲基-4-环己基己烷 甲基
4.2 脂环烃的结构
4.2.1 脂环化合物的顺反异构 4.2.2 环的结构及其稳定性 4.2.3 环己烷及其衍生物的构象
9
4.2.1 脂环化合物的顺反异构
脂环化合物由于环的限制,环上所连 接的原子或基团,如同连接在碳碳双键上 一样,不能自由旋转。如果环上有两个或 两个以上的碳原子各自连有不同的原子或 基团时,便产生顺反异构。
取代环己烷由一种椅式构象翻转为另一种椅 式构象时,翻转前后的两种构象可能是不同的。 一取代环己烷
取代基 占据 a键 取代基 占据 e键
R R
28
Leabharlann Baidu
R
R
较稳定
R 2 H 1 H
H
CH2… CH2…
2 H 1 H
CH2… CH2…
H
R
R 处于邻位交叉位
R 处于对位交叉位
29
二取代环己烷 其稳定构象一般为椅式构象, 较大基团处于e键,另外一个基团 则按几何构型要求处于a键或e键。
22
椅式构象
23
船式构象
24
船式构象中船头和船尾的两个C-H键相距较 近时也产生一定的张力。
0
H 2 5 Hn H H H H
m
.
H H H H H H
0
H
H H H H H
. 1 8 n m
H H H H H
H
椅式构象
船式构象
室温下,环己烷的各构象异构体中, 室温下,环己烷的各构象异构体中,椅式构象为 25 优势构象,在异构体中最高占99.9%。 优势构象,在异构体中最高占
H H H H H H H
35º
35º
H
15
环丁烷的结构
16
4.3.2 环的结构及其稳定性
(3)环己烷的结构: )环己烷的结构: 环己烷6个杂化的碳原子不是呈平面六角形, 而是居于多面上,每个C-C-C键角保持109°,主 要有椅式和船式两种排列方式,这两种构象都是 很稳定无张力的环。
● ● ● ● ● ●
环己烷椅式构象中每个碳原子上都有一个a键 环己烷 和一个e键,在环中上下交替排列。
a a e e e e a a a
26
a e e
当环己烷由一种椅式构象翻转为另一种椅式 构象时,原来的a键变成e键,原来的e键变成a键。 由于六个碳上连接的都是氢原子,所以两种椅式 构象完全等同。
O O O O 4 O O O O O O 1 O O O O 4 O O O O O O O O O 1 O
(CH3)3C
(CH3)3C Cl
(顺式) 顺式)
Cl (CH3)3C
Cl
(Ⅰ) (Ⅰ)是主要构象
(Ⅱ)
30
二取代环己烷
(CH3)3C
Cl
(反式) 反式)
(CH3)3C Cl
(CH3)3C
(Ⅲ)较稳定 (Ⅲ)是主要构象
(Ⅳ)
Cl
31
二取代环己烷 当环上两个取代基相同时,则以同 时占据e键的最为稳定,其次是一个 占据e键,另一个占据a键;最不稳 定的是都占据a键的构象。
环己烷呈椅式构象时,相邻两个碳原子上 的C-H键都是处于交叉式的位置,能量较低;
21
4.3.3 环己烷及其衍生物的构象
而当它呈船式构象时,C2与C3之间及C5与C6之间 的4个C-H键则是处于两两相互重叠的位置。
H H CH2 CH2 H
H H
H
H
CH2 CH2
H H
H
H H
H
H
HH
椅式构象
船式构象
44
取代环丙烷与卤化氢的加成符合马氏规则 :
CH3 CH
CH2
+ HBr
CH3 CH CH2 CH3 Br
CH3 CH3
CH2
H3C C H3C
CH CH3 + HBr CH2
CH3 C Br
CH CH3
环的断裂发生在取代基最多和取代基最少的碳 原子之间。(符合马氏规则) 。(符合马氏规则 原子之间。(符合马氏规则)即:氢加到含氢多的 45 碳原子上,卤素加到含氢少的碳原子上。 碳原子上,卤素加到含氢少的碳原子上。
40
4.4 脂环烃的化学性质
4.4.1 环烷烃的反应 4.4.2 环烯烃的反应
41
4.3.1 环烷烃的反应
(1) 取代反应 )
Cl
日日
+
Cl2
+
Br
HCl
+
+
Br2
Cl2
300℃
+
+
HBr
紫紫日
Cl
HCl
与开链烷烃的性质相似
42
4.3.1 环烷烃的反应
(2)催化加氢 )
+
H2
Ni 80℃
H3C CH2 CH3
10
例:
CH3
CH3
CH3
CH3
顺-1,2-二甲基环丙烷 , 二甲基环丙烷 取代基在环的 同侧为顺式
反-1,2-二甲基环丙烷 , 二甲基环丙烷 取代基在环的 不同侧为反式
11
H3C
CH3
H3C CH3
顺-1,4-二甲基环己烷 , 二甲基环己烷
反-1,4-二甲基环己烷 , 二甲基环己烷
12
4.2.2 环的结构及其稳定性
Br Cl
36
甲基-4-乙基环己烷 (2)反-1-甲基 乙基环己烷 ) 甲基
C2H5
CH3
37
(3)反-1,3-二羟基环己烷 ) , 二羟基环己烷
OH HO
38
(4)顺-1,3-二羟基环己烷 ) , 二羟基环己烷
H. . . O
. OH
39
4.3 环烷烃的物理性质 环烷烃的物理性质和递变规律与 烷烃和烯烃相似,但亦有差别。最显 著的差别是环烷烃的熔点、沸点都较 含同数碳原子的烷烃和烯烃高,相对 密度较含同数碳原子的直链烷烃和烯 烃大,但仍比水轻。
CH3 CH CH3
1-甲基 异丙基环戊烷 甲基-2-异丙基环戊烷 甲基
在有多个取代 基时, 基时,编号应 从较小的取代 基开始
CH3
5 6 1 2 4 3
环烯烃的命名双 键位次最小
5-甲基 甲基-1,3-环己二烯 甲基 环己二烯
7
1,3-二甲基 乙基环己烷 二甲基-5-乙基环己烷 二甲基
CH3 CH3CH2 CH2CH2CHCH3
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