第四章 环烃1

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第四章 本章重点:
环烃
1、环烃的结构与命名 2、环烃的性质与应用
本章难点:环烃的结构
环 烃—由碳和氢两种元素形成的环状化合物。根 据它们的结构或性质,可以分成脂环烃和芳 香烃两大类。
4.1
脂环烃
*
具有碳原子组成的环状骨架,而性质与脂肪烃相似的环烃称 脂环烃。按碳原子的饱和程度,又可分为环烷烃、环烯烃、环炔 烃。
+FeBr3
2、硝化 + 反应中,进攻试剂为NO2 : 3、磺化 + 在浓H2SO4中,反应进攻试剂为SO3H : 4、傅氏反应
4.2.1.6 取代苯的定位规律(定位效应)
在芳香取代中,环上的取代基对取代位置产生的影响即定位效 应。苯环上原有的取代基叫定位基。
A
A B
A
A
1、取代基定位效应 N(CH3)2 NH2 OH
②、取代环己烷的构象:
A、甲基环已烷:为两种构象的平衡体系但以e 键 与环相连为主:
B、多元取代的环已烷的构象:一般说来最稳定的 构象应是e键取代基最多的构象,尤其是较大的取 代基应以e键与环相连接为最稳定。
多元取代的环已烷的异构体:
C、环己烷及其衍生物构型的简写方式:
(一)、物理性质(自学) (二)、化学性质 1、加成反应 (1)催化氢化
③、取代基的定位效应不是绝对的: (1)、邻、对位二元取代产物的比例不是 2:1 (2)、同一个一元取代苯在不同的反应中, 得到的二元取代产物异构体的比例不 同。 (3)、同一个一元取代苯,进行同样的取 代反应当反应条件不同时。二元取代 产物异构体的比例也不相同。
④、如果苯环上已有两个取代基,再进行亲电取反应 时,第三个基团入的位置决定于已有的两个基团的 性质,它们的相对位置,它们在空间所占的体积以 及反应条件等,情况是比较复杂的,仅就以下几例 对上述因素作些简单说明。* OH NHCOCH3 COOH OH
CHO
H H H H H
CH2OH
H H H H H
苯环
单环芳香 多环芳香烃 稠环芳香烃
4.2.1单环芳香烃:苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃。
CH3
CH2CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
苯 甲苯 乙苯 邻二甲苯 间二甲苯
CH3
对二甲苯
(1,2-二甲苯) (1,3-二甲苯) (1,4-二甲苯)
o
之间的电子云不可能在原子核的连线的方向上重叠。也 就是没有达到最大程度的重叠,这样形成的键就没有正 常的σ键稳定。通常形象化地把这样形成 的键 叫做弯 曲的键。所以环丙烷的 稳定性比烷烃要差得多,通常 叫做分子内存在着张力。这种张力是由于键角的偏差引 起的,所以叫角张力。角张力是影响环烃稳定性的几种 张力因素之一。
无水Alcl3
+HX
异丙苯
O 在无水三氯化铝催化下,苯还能与酰氯(R C Cl)或
O
O
酸酐(R C O C R)进行类似的反应,得到酮。这个反 应叫傅氏酰基化反应,是制备芳香酮的主要方法。傅氏 酰基化反应不发生异构化。不生成多元取代物。 O COCH3
无水Alcl3
+ CH3 C Cl
+ HCl
2 .加成反应(还原氢化):
问题: 为什么苯在还原氢化时,一步生成环己烷?如果苯只 加一分子H2,体系能量是升高还是降低?
3.氧化
没有α-H时,不发生氧化反应。
在较高的温度及特殊催化剂作用下,苯可 被空气中的氧氧化开环,生成顺丁烯二酸酐。 O + O2
V2O5
O
HC C O+CO2+H2O O HC C
400 C
4.烷基侧链上的卤代
CH3 CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH C C CH CH CH2 CH CH2 CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
上面结构式可分别简化为:
CH3Leabharlann 环丙烷环戊烷甲基环已烷
在环状化合物中,以五元及六元环为最普遍,五、 六、七元环属于一般环,三、四元环叫做小环,八至十 一元环为中环,十二元以上为大环。 其它形式的环状化合物有:
4.1.2、环烷的结构与构象 1.环烷的结构:环丙烷分子中三个碳原子必然要在一个平
面上,这样C-C-C键角应为60 。环烷中的碳也是sp3杂 3杂化轨道的夹角应为109.5o,因此 化的,而正常的sp 在环丙烷中碳原子核之间的连线与正常的sp3杂化轨道 之间角度偏差的结果是:C-C
环丙基庚烷
2、异构 (1)、碳链异构 CH3
CH3
乙基环 己烷
CH2 CH3
CH3
CH2 CH3
CH3
1,3-二甲基环己烷
CH3 CH3 CH3
1-甲基2-乙基 环戊烷
1,2-二甲 基环己烷
CH3
CH3
1,2,3,4-四甲基环丁烷
(2)、立体异构:环中不同碳原子上连有两个或两个以上 的取代基。 顺反异构:环不能无限扭曲导致环烷烃的 顺反异构。
4.1.3、环烷烃的性质
四元环比三元环稳定。五元以上环烷则难于开环。 原因?
(2)、加卤素
与烯烃相似,但不如烯烃活泼。
五六元环烷或高级环烷的性质与烷烃相似,它们与 溴不发生加成反应,而是在光照下可以进行取代反应。
Br
+ Br2 +HBr
环烯烃或环炔烃中的不饱和键具有一般不饱和键的 通性。
(3)加卤化氢
B OCH3
B CH3
(1)、邻对位定位基(第一类定位基):
NH C CH3 O
O C CH3 O
X( Cl, Br)
CH2COOH
如果苯环上已 有上述基团之一。则再进行取代反时,第二 个基团主要进入它的邻位和对位,产物主要是邻和对两种二元取 代产物
(2)、间位定位基(第二类定位基):
O O + N (CH3)2 N C N S OH C H C OH O O O O 如果苯环上已 有上述基团之一。则再进行取代反时, 第二个基团主要进入它的间位。
环戊二烯
环已烯
环辛炔
4.1.1、脂环烃的命名、异构、通式
1、命名
简单的环烃的命名与相应的脂肪烃基本相同,只是 在名称前加一“环”字。如上例。若环上连接有两个或 两个以上取代基时,按照表示取代基位置的数字尽可能 小的原则,将环编号;取代基不同时,则根据次序规则, 较优基团给以较大的编号;当环上有取代基及不饱和键 时,不饱和键以最小的号数表示。有顺反异构时,标出 顺反异构如:

• •
+HBr
H2o
CH3CH2CH2Br
遵循马氏规则
CH3+HBr
CH3CH2CHCH3 Br
3、氧化反应
常温下,环烷不易被高锰酸钾氧化——鉴定环 烷烃和烯烃。但在加热时与强氧化剂作用或在催 化剂作用下用空气氧化,环烷烃可以被氧化成各 种产物:
HNO3
HOOCCH2CH2CH2CH2COOH 环烯烃的性质与烯烃相似,可以发生加成、氧化、 a-氢的取代反应等,具有共轭双键的环烯烃也可 以发生双烯合成反应。
2、定位效应的理论依据
(1)、第一类定位基,在发生取代反应时,由于此 类定位基的供电子诱导效应将苯环上均匀的电子 云推向远端,使苯环出现交替极化现象,邻对位 的电子云密度增加,所以反应比苯容易进行,其 上的氢原子容易被取代。 (2)、第二类定位基,在发生取代反应时,由于此 类定位基的吸电子诱导效应和将苯环上均匀的ππ 共轭效应,将苯环上均匀的电子云吸向定位基, 使苯环出现交替极化现象,邻对位的电子云密度 明显降低,相对而言,间位的电子云密度明显增 加,所以反应比苯难进行,且间位的氢原子可以 被取代。
2.构象: 三元以上的环,成环的原子可以不在一 个平面内,如上。从而碳-碳之间的杂化轨道可以
逐渐趋向于正常的键角和最大的重叠。环已烷分
子中的六个碳原子可以有如下两种保持正常C-C-C
键角的空间排布方式,即船 式与椅 式:
(a)船式
(b)椅式
它们可以用如下的键线表示:
无论(a)或(b),环中C2, C3,C5,C6都在 一个平面上,但在(a)式中,C1和C4在C2,C3, C5,C6形成的平面的同侧,叫船式,在(b)式中, C1和C4则分别在C2,C3,C5,C6形成的平面 的上下两侧,叫椅式,
(3)、硝化
硝基苯:淡黄色液体,比水重,可用于鉴定和区分苯与烷烃。
CH3
+HNO3
30 C
O
CH3
NO2
CH3
+ +H2O NO2
说明硝基苯比苯难于硝化,而甲苯比苯易于硝化。
(4)、傅氏反应
在苯环上引入烃基取代基的反应,常称作付-克烃基化反应 或傅氏烷基化反应。常用卤代烃、烯烃、醇或环醚等作烃基化 试剂,用酸催化。是向苯环中导入烷基的方法之一。 R +RX
4.2.1.3 单环芳香烃物理性质 4.2.1.4 单环芳香烃化学性质
不具备烯烃的典型性质,而具芳香性
1. 取代反应
(1)、卤代
反应中也有少量的二卤代苯生成, 主要产物是邻位和对位异构体。例 如:
(2)、磺化
磺化反应是可逆的,苯磺酸与水共热可脱去磺酸基,这一 性质常被用来在苯环的某些特定位置引入某些基团。
*
CH3
CH3 C CH3 CH3
叔丁基甲苯
(4)、 苯环上有多官能团取代时,应用IUPAC的官能团优先规
则:
(5)、当两个取代基相同时,则作为苯的衍生物来命名:
CH
CH
1,4-二乙 烯基苯
CH
CH
4.2.1.2 单环芳香烃~~苯及其同系物的结构
苯的结构 pa键 C6H6
符合
CnH2n-6 不饱和程度很高。
CH3 CH3 CH
CH CH2
CH3CH(CH2)4CH3
异丙(枯烯)
苯乙烯
2-苯基庚烷
4.2.1.1单环芳香烃的命名: (1)、将苯环作为母体,标明取代基位置(有两取代基
时)。如前例。 (2) 、结构复杂衍生物或支链上有官能团时,环上支链 作为母体,苯环作为取代基(ph)命名:
(3)、IUPAC命名原则中规定:甲苯、邻二甲苯、异丙苯、苯乙 烯等少数几个芳烃也可作为母体来命名:
归纳:
①、一般说来,如果基团中与苯环相连的 原子带有不饱和键 或正电荷,这个基团就是间 位基,反之,则是邻、对位定位基。但有例外, 如 CH=CH2为邻对位定位基,而 CCL3则为间 位定位基。 ②、第一类定位基:邻、对位定位基一 般活化苯环,使亲电取代反应速度加快。(其 中,F,Cl,Br,I 较特殊,钝化苯环。) 第二类定位基:间位定位基一般钝化 苯环。上述两类基团的顺序是大致按它们对苯 环亲电取代反应的致活或致钝作用由强到弱排 列的。
无铁盐存在时 α-H卤代反应(按游离基历程):
4.2.1.5 、亲电取代反应的历程
A—B
H
A
+
+
B
H
-
+A
+
[
B -
A
+
A
+
]
碳正离子中间体
H +
A
A
+ HB
1、卤代 催化剂是铁盐或铝盐,如FeX3,AlX3。 3X2 + 2Fe FeX3 3Br + 2Fe FeBr3 Br2 + FeBr3 Br—Br :FeBr3 Br2在FeBr3作用下发生异裂:
顺-1,2-二氯环丙烷 反-1,2-二氯环丙烷 规定:假定所有环碳原子共平面,把它作为参考平面, 两个相同取代基在平面同侧的叫顺式,在平面异侧的叫 反式。不相连两个碳上的取代基也可以确定顺反位。如: 环正丁烷:
1,2,3,4-四甲基环丁烷:
3、通式: (1)、环烷烃:CnH2n (2)、环单烯烃:CnH2n-2
CH3
1 6 5 4 2 3 6 5
CH3
1 2 3 4 5 6
CH3
4 3 2 1
CH3
C2 H 5
1-甲-乙基环已烷
1,3-二甲基环已烷
4-甲基环已烯
CH3
CH2 CH3
CH3
某些情况下,例如简单的环上连接有较长的 碳链时,也可以将环当作取代基,如:
CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3
(1)、 环己烷及其衍生物的构象 ①、环己烷的椅式构象 环己烷的两种典型构象:
椅式构象比船式构象稳定,原因 ?船式构象>椅式构 象能量约29~31kj.mol.
直立键 (a键 ),平伏键( e键 )的概念: 在椅式构象中,每一个碳原子上各有一个a键及一 个e键。相邻两个碳原子上的a键或e键是反式的,而相隔 一个碳原子的a键或e键是顺式的,对位的两个碳原子上 的a键或e键方向则又是反式的。一种构象的a键是另一种 构象的e键;
4.2 芳香烃 含有苯环且具有“芳香性”的一大类化合物。 芳香性的一般特征: 1. 分子中C/H的比例高(含多个不饱和键); 2. 键长平均化; 3. 分子共平面; 4. 不易加成、氧化,易发生亲电取代; 5. 符合Hǜckel规则(4n+2规律):单环多烯π电 子数等于4n+2时,构成π电子的封闭体系表现出 一定的芳香性。 芳香性判断原则:1.环状体系;2.π电子数 (4n+2规则);3.分子共平面。
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