有机化学第五章环烷烃幻灯片.ppt

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1、有机化学第五章环烷烃第1页，共36页，编辑于2022年，星期六烃烃脂肪烃脂肪烃脂环烃脂环烃 碳骨架碳骨架 的的类型类型开开 链：链：环状：环状：乙烷、丁烷乙烷、丁烷环烷烃的通式环烷烃的通式5.1 环烷烃的通式分类构造异构和命名环烷烃的通式：CnH2n 第2页，共36页，编辑于2022年，星期六环丙烷环丙烷环丁烷环丁烷 环戊环戊 烷烷环己烷环己烷 环烷烃的通式：CnH2n 环烷烃的构造异构环烷烃的构造异构C4H10：正丁烷正丁烷异丁烷异丁烷第3页，共36页，编辑于2022年，星期六同分异构体同分异构体(isomers)：分子式相同，原子的排列方式不同的化合物分子式相同，原子的排列方式不同的化合物

2、构造异构体构造异构体(constitutional isomers)：分子式相同，分子构造不同的化合物分子式相同，分子构造不同的化合物碳骨架碳骨架异构异构直链烷烃直链烷烃支链烷烃支链烷烃正戊烷正戊烷 异戊异戊 烷烷新戊烷新戊烷第4页，共36页，编辑于2022年，星期六5.1.1 脂环烃的分类脂环烃的分类 1根据碳原子的饱和程度可分为：饱和脂环烃和不饱和脂环烃。如：环戊烷 环戊烯 环辛炔 第5页，共36页，编辑于2022年，星期六2根据环的大小可分为：根据环的大小可分为：大环（12个以上C原子的环）；中环（8-12个C原子的环）；普通环（5-7个C原子的环）；小环（3-4个C原子的环）。3根据碳

3、环的数目可分为：根据碳环的数目可分为：单环、双环和多环脂肪烃。单环、双环和多环脂肪烃。第6页，共36页，编辑于2022年，星期六两个碳环共用一个碳原子的脂肪烃称为螺环烃。如：两个或两个以上的碳环共用两个及两个以上碳原子的脂肪烃称为桥环烃。第7页，共36页，编辑于2022年，星期六5.1.2 脂环烃的命名脂环烃的命名 1单环脂环烃 单环烃的命名与链烃相类似，只需在相应的化合物类名前加个“环环”字即可。例如：环丙烷 乙基环戊烷 第8页，共36页，编辑于2022年，星期六u当环上有多个取代基时，尽可能使取代基的位次为小，且使小取代基号数为小。1-甲基甲基-2-乙基环戊烷乙基环戊烷 u当环上有不饱和键

4、时 要使不饱和键编号最低，并使取代基编号较小。3,5-二甲基环己烯二甲基环己烯 第9页，共36页，编辑于2022年，星期六u当取代基比较复杂或链长环小时，环部分作为取代基。3-环丙基戊烷环丙基戊烷 2,4-二甲基二甲基-3-环戊基戊烷环戊基戊烷 第10页，共36页，编辑于2022年，星期六2螺环烃螺环烃 l从小环邻接于螺原子的环碳开始编号 l方括号内用阿拉伯数字注明每环碳原子数目 螺螺3.5 壬烷壬烷 螺螺 4.5-1,6-癸二烯癸二烯 第11页，共36页，编辑于2022年，星期六3桥环烃桥环烃 桥环的编号从第一个桥头碳开始 二环二环3.2.0 庚烷庚烷 二环二环4.2.0辛烷辛烷 第12页，

5、共36页，编辑于2022年，星期六环烷烃的结构键的形成及其特性键的形成及其特性C:1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0碳原子在基态时的电子构型：碳原子在基态时的电子构型：sp3杂化轨道杂化轨道(hybrid orbitals):基态基态2p2s1s电子电子跃迁跃迁激发态激发态2p2s1ssp3 杂化态杂化态杂化杂化1ssp3图图 2.1 sp3 杂化轨道形成过程示意图杂化轨道形成过程示意图第13页，共36页，编辑于2022年，星期六在甲烷分子中，在甲烷分子中，C 原子是原子是sp3杂化。杂化。s 轨道成分：轨道成分：1/4；p 轨道成分：轨道成分：3/4。图图 2.2 sp3杂化轨道杂

6、化轨道第14页，共36页，编辑于2022年，星期六图图 2.3 sp3杂化的碳原子杂化的碳原子几何构型：四面体几何构型：四面体第15页，共36页，编辑于2022年，星期六sp3 1s 键键4个个CH 键键图图 2.4 甲烷的结构甲烷的结构第16页，共36页，编辑于2022年，星期六图图 2.5 甲烷的球棍模型甲烷的球棍模型第17页，共36页，编辑于2022年，星期六图图 2.6 甲烷的比例模型甲烷的比例模型第18页，共36页，编辑于2022年，星期六环烷烃的结构与稳定性 环烷烃随着环的大小不同，其稳定性环烷烃随着环的大小不同，其稳定性不尽相同。不尽相同。第19页，共36页，编辑于2022年，星

7、期六燃烧热：燃烧热：1 mol 化合物化合物 完全燃烧完全燃烧 生成生成CO2+H2O放出的热量放出的热量表表 2.2 一些环烷烃的燃烧热一些环烷烃的燃烧热分子燃烧热/(kJmol-1)-CH2-的的平均燃烧热平均燃烧热/(kJmol-1)环丙烷环丙烷 3 2091 697环丁烷环丁烷 4 2744 686环戊烷环戊烷 5 3320 664环己烷环己烷 6 3951 659环庚烷环庚烷 7 4637 662环辛烷环辛烷 8 5310 664环壬烷环壬烷 9 5981 665环癸烷环癸烷 10 6636 664环十五烷环十五烷 15 9885 660开链烷烃开链烷烃 659 名称名称环大小环大小

8、与开链烷烃与开链烷烃燃烧热的差燃烧热的差/(kJmol-1)38275035651第20页，共36页，编辑于2022年，星期六环烷烃的稳定性：环烷烃的稳定性：环己烷环己烷 环戊烷环戊烷 环丁烷环丁烷 环丙烷环丙烷环的张力越小，相应的环烷烃越稳定。环的张力越小，相应的环烷烃越稳定。环丙烷的结构：环丙烷的结构：图图2.12 丙烷及环丙烷分子中碳碳键丙烷及环丙烷分子中碳碳键 原子轨道交盖情况原子轨道交盖情况第21页，共36页，编辑于2022年，星期六 在环丙烷分子中，两个相邻的在环丙烷分子中，两个相邻的C原子以原子以sp3杂化轨道形成杂化轨道形成 CC 键时，以弯曲的键时，以弯曲的方式交盖，从而未能

9、最大程度的交盖。因方式交盖，从而未能最大程度的交盖。因此，环丙烷不稳定。此，环丙烷不稳定。第22页，共36页，编辑于2022年，星期六环己烷的构象环己烷的构象 环己烷的碳骨架不是平面结构，环己烷的碳骨架不是平面结构，C键角为键角为109.5。通过旋转。通过旋转键键和键角的改变，可以得到两种构象：和键角的改变，可以得到两种构象：椅型椅型 船型船型图图 2.14 环己烷的椅式和船式构象环己烷的椅式和船式构象第23页，共36页，编辑于2022年，星期六环己烷椅型构象环己烷椅型构象 环己烷船型构象环己烷船型构象 图图 2.15 环己烷椅型和船型构象的模型环己烷椅型和船型构象的模型 第24页，共36页，

10、编辑于2022年，星期六 椅型构象和船型构象可以相互转变，椅型构象和船型构象可以相互转变，但椅型构象比船型构象稳定：但椅型构象比船型构象稳定：椅型构象稳定的原因：椅型构象稳定的原因：所有的键处于交叉式所有的键处于交叉式第25页，共36页，编辑于2022年，星期六eaeaeaeeaaaeeeeeee在船型构象中，所有的在船型构象中，所有的CH键处于交叉式。键处于交叉式。在椅型构象中，在椅型构象中，C1、C3、C5 原子在一个原子在一个平面上；平面上；C2、C4、C6 原子在另一个平面上。原子在另一个平面上。12个个CH 键分为两类：键分为两类：6个个CH 键处于键处于 直立键直立键(a键键)，6

11、个个CH 键处于平伏键键处于平伏键(e键键)。aaaaaa第26页，共36页，编辑于2022年，星期六 环己烷可以由一种椅型构象翻转成另一环己烷可以由一种椅型构象翻转成另一种椅型构象，原来的种椅型构象，原来的a键变为键变为e键，原来的键，原来的e键键变为变为a键：键：一种椅型构象经半椅型、纽船型、船型翻转一种椅型构象经半椅型、纽船型、船型翻转成另一种椅型构象。在能量上：成另一种椅型构象。在能量上：椅型构象椅型构象 纽船型构象纽船型构象 船型构象船型构象 半椅型构象半椅型构象 第27页，共36页，编辑于2022年，星期六图图2.16 环己烷的构象翻转环己烷的构象翻转第28页，共36页，编辑于20

12、22年，星期六2.4.4 取代环己烷的构象取代环己烷的构象 在一取代的环己烷分子中，取代基可以在一取代的环己烷分子中，取代基可以处在处在a键上，也可以处在键上，也可以处在e 键上：键上：当取代基处在当取代基处在a 键时，它与键时，它与3,5位的位的H原子原子存在着非键张力，使得构象不稳定而翻转。存在着非键张力，使得构象不稳定而翻转。同时，取代基与相邻碳原子上的同时，取代基与相邻碳原子上的CH2处于邻位交叉，而当取代基处于处于邻位交叉，而当取代基处于e 键上时，键上时，取代基与相邻碳原子上的取代基与相邻碳原子上的CH2处于对位处于对位交叉交叉第29页，共36页，编辑于2022年，星期六取代基处在

13、取代基处在e 键上稳定。键上稳定。第30页，共36页，编辑于2022年，星期六取代基越大，它处于取代基越大，它处于e 键的构象越稳定：键的构象越稳定：第31页，共36页，编辑于2022年，星期六环烷烃的化学性质2.6.1 自由基取代反应自由基取代反应 饱和烃分子中的氢原子被其它原子或基团饱和烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应所取代的反应取代反应取代反应。通过自由基取代通过自由基取代H原子的反应原子的反应自由基自由基取代反应。取代反应。(1)卤化反应卤化反应(halogenation)：在光、高温或催化剂作用下，烷烃、环烷烃在光、高温或催化剂作用下，烷烃、环烷烃(小环烷烃除外小环烷烃除

14、外)，与卤素分子反应，生成，与卤素分子反应，生成卤代烷和卤化氢。卤代烷和卤化氢。烷烃烷烃 卤素卤素 卤代烷卤代烷 卤化氢卤化氢第32页，共36页，编辑于2022年，星期六乙烷乙烷氯氯氯乙烷氯乙烷(78%)环戊烷环戊烷 环戊基氯环戊基氯(93%)工业上洗涤剂原料的合成：工业上洗涤剂原料的合成：十二烷十二烷 氯十二烷氯十二烷第33页，共36页，编辑于2022年，星期六氧化反应氧化反应(oxidation)烷烃和环烷烃在空气中可以燃烧烷烃和环烷烃在空气中可以燃烧:工业上对烷烃或环烷烃氧化反应的利用：工业上对烷烃或环烷烃氧化反应的利用：制造肥皂的原料的方法制造肥皂的原料的方法生产环己醇的方法生产环己醇

15、的方法第34页，共36页，编辑于2022年，星期六小环环烷烃的加成反应 小环环烷烃小环环烷烃环的张力环的张力 易于开环易于开环 发生加成反应发生加成反应(1)加氢加氢 小环环烷烃及其衍生物在金属催化剂的小环环烷烃及其衍生物在金属催化剂的作用下，与氢气发生加成反应，生成开链作用下，与氢气发生加成反应，生成开链烷烃：烷烃：随着环的增大，环的稳定性增加，开环的随着环的增大，环的稳定性增加，开环的 反应条件增强：反应条件增强：环烷烃环烷烃 反应温度反应温度/产物产物环丁烷环丁烷 200 正丁烷正丁烷环戊烷环戊烷 300 正戊烷正戊烷第35页，共36页，编辑于2022年，星期六(2)加溴加溴 环丙烷及其衍生物与溴分子发生加成环丙烷及其衍生物与溴分子发生加成反应，开环，生成反应，开环，生成1,3二溴丙烷。二溴丙烷。与溴的加成反应，在室温下即可进行：与溴的加成反应，在室温下即可进行：1,3二溴丙烷二溴丙烷 溴与环丁烷的加成反应需在加热的条件下进行。溴与环丁烷的加成反应需在加热的条件下进行。(3)加溴化氢加溴化氢 同样，环丙烷及其衍生物也容易与溴化氢同样，环丙烷及其衍生物也容易与溴化氢发生加成反应，开环生成一溴代烷。发生加成反应，开环生成一溴代烷。开环的方向：卤原子加到取代基较多的一端。开环的方向：卤原子加到取代基较多的一端。第36页，共36页，编辑于2022年，星期六