化学环烷烃PPT讲稿.ppt

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1、化学环烷烃1第1页，共50页，编辑于2022年，星期五一一.环烷烃的分类、命名和异构环烷烃的分类、命名和异构二二.环烷烃的物理性质和化学反应环烷烃的物理性质和化学反应三三.环烷烃的稳定性环烷烃的稳定性四四.环烷烃的构象环烷烃的构象五五.多环烃的构象多环烃的构象六六.环烷烃的合成环烷烃的合成第三章第三章 环环 烷烷 烃烃 (Cycloalkanes)2第2页，共50页，编辑于2022年，星期五概述：概述：单环环烷烃通式：单环环烷烃通式：CnH2n ,与烯烃互为异构体。与烯烃互为异构体。环烷烃的性质与烷烃相似。环烷烃的性质与烷烃相似。一一.环烷烃的分类、命名和异构环烷烃的分类、命名和异构 (Cla

2、ssification,Nomenclature,Isomerism of Cycloalkanes)1.分类分类单环体系单环体系小环：小环：34个碳原子。个碳原子。普通环：普通环：57个碳原子。个碳原子。中环：中环：811个碳原子。个碳原子。大环：大环：12个以上碳原子。个以上碳原子。多环体系多环体系螺环：两个环公用一个碳原子，公用的碳叫螺碳。螺环：两个环公用一个碳原子，公用的碳叫螺碳。桥环：两个环公用两个或两个以上碳原子。桥环：两个环公用两个或两个以上碳原子。螺碳螺碳桥头碳桥头碳3第3页，共50页，编辑于2022年，星期五2.异构异构包括：包括：构造异构构造异构顺反异构：顺反异构：例：例：

3、C5H10的环烷烃异构的环烷烃异构构造式相同，分子中原子在空间的排构造式相同，分子中原子在空间的排列方式不同。由于环的存在，使列方式不同。由于环的存在，使C-C键不能旋转而引起的。键不能旋转而引起的。4第4页，共50页，编辑于2022年，星期五3.命名命名1).单环环烷烃单环环烷烃规则：规则：.确定母体：环某烷（由环中总碳数确定）。确定母体：环某烷（由环中总碳数确定）。.编号：若环上有取代基，编号尽可能小。若有编号：若环上有取代基，编号尽可能小。若有 不同取代基，要用较小的数字，表示较小取代不同取代基，要用较小的数字，表示较小取代 基的位置。基的位置。.书写同烷烃。书写同烷烃。5第5页，共50

4、页，编辑于2022年，星期五例：例：.对于顺反异构体：对于顺反异构体：顺式（顺式（cis）：相同基团在平面的同侧。）：相同基团在平面的同侧。反式（反式（trans）：相同基团在平面的两侧。）：相同基团在平面的两侧。1-甲基甲基-2-乙基环戊烷乙基环戊烷1-甲基甲基-4-异丙基环己烷异丙基环己烷顺顺-1,2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷6第6页，共50页，编辑于2022年，星期五反反-1,3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷反反-1-乙基乙基-3-异丙基环戊烷异丙基环戊烷2).多环烃多环烃螺环烃螺环烃:.确定母体：螺某烷（由螺环中总碳数确定）。确定母体：螺某烷（由螺环中总碳数确定）。.编号：先编小环后编大环

5、。从小环中和螺碳相编号：先编小环后编大环。从小环中和螺碳相 邻的碳开始编号，使取代基位次最小。邻的碳开始编号，使取代基位次最小。.写法：写法：7第7页，共50页，编辑于2022年，星期五位次位次取代基位置取代基位置用用阿阿拉拉伯伯数数字字，数数字字间间用用逗逗号号隔隔开开（半半字字线线）取代基名称取代基名称相相同同的的取取代代基基合合并并起起来来，用用一一、二二、三三 表表示示螺螺a.b某烷某烷除除螺螺碳碳外外每每个个环环中中的的碳碳原原子子数数。a 为为小小环环中中的的，b 为为大大环环中中的的。8第8页，共50页，编辑于2022年，星期五螺螺2.4庚烷庚烷1234567123456781,

6、6-二甲基螺二甲基螺3.4辛烷辛烷.编号：先编大桥后编小桥，从桥头碳开始编，使编号：先编大桥后编小桥，从桥头碳开始编，使 取代基位次最小。取代基位次最小。.环数的确定：把桥环烃变为链烃，打开几次，就环数的确定：把桥环烃变为链烃，打开几次，就 是几元环。是几元环。桥环烃：桥环烃：.确定母体：几环某烷（由桥环中总碳数确定）。确定母体：几环某烷（由桥环中总碳数确定）。.写法：写法：9第9页，共50页，编辑于2022年，星期五位次位次取代基位置取代基位置用用阿阿拉拉伯伯数数字字，数数字字间间用用逗逗号号隔隔开开（半半字字线线）取代基名称取代基名称相相同同的的取取代代基基合合并并起起来来，用用一一、二二

7、、三三 表表示示几环几环a.b.c某烷某烷除除桥桥头头碳碳外外每每个个桥桥中中的的碳碳原原子子数数。由由大大桥桥到到小小桥桥。10第10页，共50页，编辑于2022年，星期五1234567891,9-二甲基二甲基-3-乙基二环乙基二环4.2.1壬烷壬烷12345672,7,7-三甲基二环三甲基二环2.2.1庚烷庚烷12345677,7-二氯二环二氯二环4.1.0庚烷庚烷11第11页，共50页，编辑于2022年，星期五二二.环烷烃的物理性质和化学反应环烷烃的物理性质和化学反应 (Physical Properties,Chemical Reactions of Cycloalkanes)1.物理

8、性质（自学）物理性质（自学）2.化学反应化学反应1).取代反应取代反应机理：自由基机理机理：自由基机理取代反应一般在五、六元环上易发生。取代反应一般在五、六元环上易发生。2).加成反应加成反应小环易发生加成反应。小环易发生加成反应。12第12页，共50页，编辑于2022年，星期五.加加 H2由上面反应条件可以看出，小环发生加成反应活性大。由上面反应条件可以看出，小环发生加成反应活性大。.加加 X213第13页，共50页，编辑于2022年，星期五不发生加成反应.加 HX（主）14第14页，共50页，编辑于2022年，星期五不对称环丙烷加不对称环丙烷加 HX 的规律：的规律：.开环位置：在含氢最多

9、与含氢最少的两个碳之间。开环位置：在含氢最多与含氢最少的两个碳之间。.氢加在含氢较多的碳原子上。氢加在含氢较多的碳原子上。（主）（主）15第15页，共50页，编辑于2022年，星期五3).氧化反应氧化反应环丙烷与烯烃既类似又有区别，它有抗氧化能力，不使环丙烷与烯烃既类似又有区别，它有抗氧化能力，不使KMnO4水溶液褪色，可用此区别：水溶液褪色，可用此区别：环丙烷环丙烷不饱和烃不饱和烃16第16页，共50页，编辑于2022年，星期五三三.环烷烃的稳定性环烷烃的稳定性(Stability of Cycloalkanes)为什么三元环不稳定易发生加成？为什么三元环不稳定易发生加成？为什么五元环、六元

10、环较稳定不易发生开环加成，而易发生取代？为什么五元环、六元环较稳定不易发生开环加成，而易发生取代？1.拜尔（拜尔（Baeyer）张力学说要点张力学说要点.形成环的碳原子都在同一平面上，并排成正多边形。形成环的碳原子都在同一平面上，并排成正多边形。.正常正常C-C键之间夹角为键之间夹角为109.5，环中，环中C-C键之间夹角键之间夹角 为了保持为了保持109.5，环中的键角要扩张或压缩，从而产，环中的键角要扩张或压缩，从而产 生张力。生张力。17第17页，共50页，编辑于2022年，星期五.键角变形程度越大，张力越大。键角变形程度越大，张力越大。.张力使环的稳定性降低，张力越大，环的反应性越大。

11、张力使环的稳定性降低，张力越大，环的反应性越大。例：例：由上面计算可知：由上面计算可知：a.环戊烷、环己烷偏转角度最小，也最稳定。环戊烷、环己烷偏转角度最小，也最稳定。18第18页，共50页，编辑于2022年，星期五b.环丙烷的键角偏转大于环丁烷，因此环丙烷反应活性大于环丙烷的键角偏转大于环丁烷，因此环丙烷反应活性大于 环丁烷。环丁烷。拜尔张力学说的不足之处：拜尔张力学说的不足之处：由拜尔张力学说，比六元环大的环都有偏转角，并且环越大，偏由拜尔张力学说，比六元环大的环都有偏转角，并且环越大，偏转角越大，张力越大。这一推论不正确。这是由于张力学说前提转角越大，张力越大。这一推论不正确。这是由于张

12、力学说前提不合理，即环中碳原子在同一平面内不合理。不合理，即环中碳原子在同一平面内不合理。拜尔张力学说存在于小环中。拜尔张力学说存在于小环中。2.燃烧热与环烷烃的稳定性燃烧热与环烷烃的稳定性燃烧热燃烧热纯粹的化合物完全燃烧所放出的热。纯粹的化合物完全燃烧所放出的热。化合物的燃烧热越大，化合物越不稳定。化合物的燃烧热越大，化合物越不稳定。19第19页，共50页，编辑于2022年，星期五从有机化学高等教育出版社（第二版）胡宏纹从有机化学高等教育出版社（第二版）胡宏纹 主编主编 上册上册 P50 表表 3.2 单环环烷烃单环环烷烃(CH2)n的燃烧热的燃烧热kJ mol-1(298K)可看出：小环：

13、三元、四元环张力很大。可看出：小环：三元、四元环张力很大。普通环：五、六、七环张力很小。普通环：五、六、七环张力很小。中环：中环：811环，张力较普通环大。环，张力较普通环大。大环：大环：n12，几乎无张力。，几乎无张力。20第20页，共50页，编辑于2022年，星期五3.张力和张力能张力和张力能有机分子中能产生张力的因素有有机分子中能产生张力的因素有4种：种：非键作用非键作用键长变化键长变化键角变化键角变化扭转角变化扭转角变化非键合张力能非键合张力能Enb角张力能角张力能E扭转角张力能扭转角张力能E键张力能键张力能El以以范范德德华华半半径径为为准准，当当两两个个原原子子或或原原子子团团相相

14、互互靠靠近近的的距距离离小小于于两两者者的的范范德德华华半半径径之之和和时时，产产生生的的张张力力。两两个个用用化化学学键键连连接接的的原原子子核核之之间间的的距距离离等等于于平平衡衡键键长长时时，能能量量最最低低。分分子子中中由由于于几几何何原原因因，必必须须使使某某一一个个键键伸伸长长或或缩缩短短，能能量量都都随随之之升升高高。分分子子中中由由于于几几何何原原因因要要使使键键角角的的大大小小偏偏离离平平衡衡位位置置时时，所所引引起起的的张张力力。分分子子中中由由于于扭扭转转角角变变化化所所引引起起的的张张力力。21第21页，共50页，编辑于2022年，星期五例：顺交叉式丁烷构象，由于两个甲

15、基的例：顺交叉式丁烷构象，由于两个甲基的非键作用非键作用，相互排，相互排 斥，不稳定。斥，不稳定。例：三元环、四元环由于键角变为例：三元环、四元环由于键角变为60、90，所以有一种，所以有一种 角张力角张力，不稳定，易发生加成反应。，不稳定，易发生加成反应。例：扭转角变化时，例：扭转角变化时，C-C键、键、C-H键相互靠近，有一种扭转键相互靠近，有一种扭转 角张力。角张力。22第22页，共50页，编辑于2022年，星期五四四.环烷烃的构象环烷烃的构象(Conformation of Cycloalkanes)1.环己烷的构象环己烷的构象23第23页，共50页，编辑于2022年，星期五24第24

16、页，共50页，编辑于2022年，星期五25第25页，共50页，编辑于2022年，星期五26第26页，共50页，编辑于2022年，星期五1).椅式椅式123456碳碳1、2、4、5在同一平面上，是椅座。在同一平面上，是椅座。碳碳1、5、6在同一平面上，是椅背。在同一平面上，是椅背。碳碳2、3、4在同一平面上，是椅腿。在同一平面上，是椅腿。C3C3：三重对称轴。即绕此轴旋转：三重对称轴。即绕此轴旋转120或其倍数，得到的构或其倍数，得到的构 型与原来的构型一样。型与原来的构型一样。椅式椅式C-H键的分类：键的分类：6个直立键：个直立键：3个朝上，个朝上，3个朝下。个朝下。都叫都叫a键。平行于键。平

17、行于C3轴。轴。27第27页，共50页，编辑于2022年，星期五6个平伏键：个平伏键：3个朝上，个朝上，3个朝下。个朝下。都叫都叫e键，与直立键成键，与直立键成10928/。C3.椅式是环己烷的最稳定的构象，在各种构象的平衡混合椅式是环己烷的最稳定的构象，在各种构象的平衡混合 物中，椅式占物中，椅式占99.9%。结论：结论：因为在椅式构象中，相邻两个碳原子上因为在椅式构象中，相邻两个碳原子上C-H键都处于交叉键都处于交叉式。四种张力能为零。式。四种张力能为零。28第28页，共50页，编辑于2022年，星期五.室温下环己烷分子由于热运动，可以从一个椅式经过环的室温下环己烷分子由于热运动，可以从一

18、个椅式经过环的 翻转，成为另一个椅式构象。翻转，成为另一个椅式构象。123456123456.椅式构象用纽曼投影式表示椅式构象用纽曼投影式表示(从从C3朝朝C4看，看，C1朝朝C6看）。看）。25164329第29页，共50页，编辑于2022年，星期五2).船式船式 123456碳碳1、2、4、5在同一平面上在同一平面上碳碳3、6在平面的同侧。在平面的同侧。C1和和C2及及C4和和C5上的基团都处于重叠式上的基团都处于重叠式E0C3和和C6上的两个上的两个C-H离得较近，互相排斥，使得离得较近，互相排斥，使得Enb0、El0、E0，所以内能高，不稳定。，所以内能高，不稳定。3).扭船式扭船式将

19、船式构象扭动，使将船式构象扭动，使3、6两个碳错开，两个碳错开，C3和和C6上的两个上的两个C-H斥力减小，因此扭船式能斥力减小，因此扭船式能量低于船式，但比椅式高。量低于船式，但比椅式高。12345630第30页，共50页，编辑于2022年，星期五4).半椅式半椅式123456内能最高，内能最高，5个碳原子在一个平面上。个碳原子在一个平面上。5).环己烷四种典型构象的能量关系图环己烷四种典型构象的能量关系图椅式椅式半椅式半椅式扭船式扭船式船式船式E31第31页，共50页，编辑于2022年，星期五2.取代环己烷的构象取代环己烷的构象1).一取代环己烷的构象一取代环己烷的构象结论：一取代环己烷最

20、稳定构象是取代基在结论：一取代环己烷最稳定构象是取代基在e键上。键上。例：例：95%5%32第32页，共50页，编辑于2022年，星期五97%3%99.9%从上述三个实验事实可看出：取代基体积越大，从上述三个实验事实可看出：取代基体积越大，e取代占的比取代占的比例越大。例越大。33第33页，共50页，编辑于2022年，星期五2).多取代环己烷的构象多取代环己烷的构象结论：结论：.多取代环己烷，多取代环己烷，e取代基最多的构象最稳定。取代基最多的构象最稳定。.多取代环己烷，多取代环己烷，体积较大的取代基为体积较大的取代基为e型的构象型的构象 最稳定。最稳定。例例1：写出顺：写出顺-1,2-二甲基

21、环己烷的最稳定构象。二甲基环己烷的最稳定构象。（ae）（ae）（ee）（aa）稳定稳定例例2：写出反：写出反-1,2-二甲基环己烷的最稳定构象。二甲基环己烷的最稳定构象。34第34页，共50页，编辑于2022年，星期五从例从例1和例和例2可看出：对于可看出：对于1,2取代反式较顺式稳定。取代反式较顺式稳定。例例3：写出顺：写出顺-1,3-二甲基环己烷的最稳定构象。二甲基环己烷的最稳定构象。例例4：写出反：写出反-1,3-二甲基环己烷的最稳定构象。二甲基环己烷的最稳定构象。eeae从例从例3和例和例4可看出：对于可看出：对于1,3取代顺式较反式稳定。取代顺式较反式稳定。同理可推出：对于同理可推出

22、：对于1,4取代反式较顺式稳定。取代反式较顺式稳定。35第35页，共50页，编辑于2022年，星期五练习：写出练习：写出最稳定构象。最稳定构象。写出顺写出顺-1-甲基甲基-4-叔丁基环己烷的最稳定构象。叔丁基环己烷的最稳定构象。36第36页，共50页，编辑于2022年，星期五写出写出最稳定构象。最稳定构象。写出写出 1-甲基甲基-4-叔丁基环己烷的最稳定构象。叔丁基环己烷的最稳定构象。写出写出最稳定构象。最稳定构象。37第37页，共50页，编辑于2022年，星期五五五.多环烃的构象多环烃的构象(Polycyclic Cycloalkanes)1.十氢萘十氢萘有两种异构体：有两种异构体：或或或或

23、顺十氢萘顺十氢萘反十氢萘反十氢萘38第38页，共50页，编辑于2022年，星期五稳定构象：稳定构象：（ae）（ae）顺十氢萘顺十氢萘反十氢萘反十氢萘不能翻转不能翻转（ee）十氢萘最稳定的构象是反式。十氢萘最稳定的构象是反式。39第39页，共50页，编辑于2022年，星期五2.菲烷菲烷菲菲菲烷菲烷菲烷有多种异构体：例：菲烷有多种异构体：例：多环烃中，含椅式最多的构象为最稳定的构象。多环烃中，含椅式最多的构象为最稳定的构象。40第40页，共50页，编辑于2022年，星期五稳定构象：稳定构象：41第41页，共50页，编辑于2022年，星期五42第42页，共50页，编辑于2022年，星期五43第43页

24、，共50页，编辑于2022年，星期五44第44页，共50页，编辑于2022年，星期五45第45页，共50页，编辑于2022年，星期五3.金刚烷金刚烷熔点高，引入一个取代基后，熔点大幅度降低。熔点高，引入一个取代基后，熔点大幅度降低。46第46页，共50页，编辑于2022年，星期五47第47页，共50页，编辑于2022年，星期五六六.环烷烃的合成环烷烃的合成(Synthesis of Cycloalkanes)1.武慈合成武慈合成48第48页，共50页，编辑于2022年，星期五2.芳香化合物的催化氢化芳香化合物的催化氢化49第49页，共50页，编辑于2022年，星期五 拜尔（拜尔（Adolph

25、Von Baeyer,1835-1917）拜尔出生于柏林。曾为柏林的哲学博士，斯特拉斯堡大学教授。拜尔出生于柏林。曾为柏林的哲学博士，斯特拉斯堡大学教授。1905年获诺贝尔奖金年获诺贝尔奖金。1885年提出张力学说，其要点是：年提出张力学说，其要点是：1.有机化合物的有机化合物的碳原子和不对称碳原子一样，一般均位于正四面体的中心，其价键伸向四碳原子和不对称碳原子一样，一般均位于正四面体的中心，其价键伸向四隅，各价键互成隅，各价键互成10928的角度。的角度。2.两个碳原子结合时拜尔假定其价键在两两个碳原子结合时拜尔假定其价键在两个碳原子的中心之间直线连接（即在一平面上）。个碳原子的中心之间直线

26、连接（即在一平面上）。3.依此理论，则三或四依此理论，则三或四个原子成环时，其价键必向内挠屈个原子成环时，其价键必向内挠屈。这样无论向内或向外挠屈的度数。这样无论向内或向外挠屈的度数均形成张力（均形成张力（Tension）。）。4.张力愈大环愈易破裂，因此该化合物易与其他张力愈大环愈易破裂，因此该化合物易与其他试剂化合而裂开其环状。环丙烷、环丁烷易开环是由于其碳原子间具有大试剂化合而裂开其环状。环丙烷、环丁烷易开环是由于其碳原子间具有大的张力，五元及六元环之所以安定，即由于张力极小，而五元环尤如没有的张力，五元及六元环之所以安定，即由于张力极小，而五元环尤如没有张力存在。此外，张力存在。此外，1870年拜尔和爱默林年拜尔和爱默林(Emmerling)首次合成靛蓝。首次合成靛蓝。返回返回50第50页，共50页，编辑于2022年，星期五