第三章 环烷烃.ppt

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1、第三章第三章第三章第三章 环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃 cycloalkanescycloalkanes 第三章第三章 环烷烃环烷烃主要内容主要内容u 环烷烃类型及命名环烷烃类型及命名环烷烃类型及命名环烷烃类型及命名uu 三元和四元环化合物的活性三元和四元环化合物的活性三元和四元环化合物的活性三元和四元环化合物的活性uu 环丙烷和环丁烷的构象环丙烷和环丁烷的构象环丙烷和环丁烷的构象环丙烷和环丁烷的构象uu 环己烷的构象（椅式、船式、半椅式和扭船式构象）环己烷的构象（椅式、船式、半椅式和扭船式构象）环己烷的构象（椅式、船式、半椅式和扭船式构象）环己烷的构象（椅式、船式、半椅式和扭船式构象）及其相对稳

2、定性，及其相对稳定性，及其相对稳定性，及其相对稳定性，a a键和键和键和键和e e键键键键 一取代环己烷的构象一取代环己烷的构象一取代环己烷的构象一取代环己烷的构象 二取代环己烷的构象（二取代环己烷的构象（二取代环己烷的构象（二取代环己烷的构象（1,2-；1,3-;1,4-;cis,trans）ciscisciscis和和和和transtranstranstrans十氢萘的优势构象十氢萘的优势构象十氢萘的优势构象十氢萘的优势构象 多环化合物的优势构象多环化合物的优势构象多环化合物的优势构象多环化合物的优势构象一环烷烃一环烷烃一环烷烃一环烷烃(cycloalkanecycloalkane)命名和

3、异构现象命名和异构现象命名和异构现象命名和异构现象n n 环烷烃的类型环烷烃的类型环烷烃的类型环烷烃的类型(单单单单)环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃通式：通式：通式：通式：C Cn nH H2n2n桥环烃（稠环）桥环烃（稠环）桥环烃（稠环）桥环烃（稠环）桥环烃桥环烃桥环烃桥环烃螺环烃螺环烃螺环烃螺环烃（与烯烃通式相同）（与烯烃通式相同）（与烯烃通式相同）（与烯烃通式相同）两个环共用两个环共用一个碳原子一个碳原子两个环共用两两个环共用两个以上碳原子个以上碳原子以环为母体，名称以环为母体，名称用用“环环”（英文（英文用用 “cyclo”）开）开头。头。环外基团作为环上环外基团作为环上的取代基的取代基n

4、n 普通环烷烃的普通环烷烃的普通环烷烃的普通环烷烃的命名命名命名命名环环环环丙烷丙烷丙烷丙烷环环环环己烷己烷己烷己烷甲基甲基甲基甲基环环环环丙烷丙烷丙烷丙烷cyclocyclopropanepropanecyclocyclohexanehexanemethylmethyl-cyclocyclopropanepropane1,31,31,31,3-二甲基二甲基二甲基二甲基环己烷环己烷环己烷环己烷1 1 1 1-甲基甲基甲基甲基-4 4 4 4-异丙基异丙基异丙基异丙基环己烷环己烷环己烷环己烷1,31,3-dimethyldimethyl-cyclohexanecyclohexane1 1-iso

5、propylisopropyl-4 4-methylmethylcyclohexanecyclohexane 取代基位置数字取取代基位置数字取最小最小 顺反异构用顺反异构用“顺顺”或或“反反”注注明基团相对位置。明基团相对位置。英文用英文用“cis”和和“trans”表表示。示。顺顺顺顺-1,3-1,3-1,3-1,3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷二甲基环戊烷二甲基环戊烷(ciscis-1,3-dimethylcyclopentane)-1,3-dimethylcyclopentane)反反反反-1,3-1,3-1,3-1,3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷二甲基环戊烷二甲基环戊烷（两者为对映异构体）（

6、两者为对映异构体）（两者为对映异构体）（两者为对映异构体）(transtrans-1,3-dimethylcyclopentane)-1,3-dimethylcyclopentane)顺反异构体顺反异构体顺反异构体顺反异构体镜镜镜镜面面面面 环可作为取代基环可作为取代基（称（称环环 基基）相同环连结时，可相同环连结时，可 用词头用词头“联联”开头。开头。环丙基环丙基环丙基环丙基环己烷环己烷环己烷环己烷3 3-甲基甲基甲基甲基-4 4-环丁基环丁基环丁基环丁基庚烷庚烷庚烷庚烷联联联联环丙烷环丙烷环丙烷环丙烷cylcopropylcylcopropylcyclohexanecyclohexane4

7、 4-cyclobutylcyclobutyl-3 3-methylheptanemethylheptanebibicyclopropanecyclopropanen n 桥环烃（桥环烃（桥环烃（桥环烃（Bridged hydrocarbonBridged hydrocarbon）的命名的命名的命名的命名桥桥 头头 碳：碳：几个环共用的碳原子几个环共用的碳原子（两环连接处的碳原子）（两环连接处的碳原子），环的数目：环的数目：断裂二根断裂二根CC键可成链状烷烃为二环；断裂三根键可成链状烷烃为二环；断裂三根CC 键可成链状烷烃为三环键可成链状烷烃为三环桥头碳之间的原子数：桥头碳之间的原子数：不包括

8、桥头不包括桥头C，由多到少列出，由多到少列出环的编号方法：环的编号方法：从桥头开始，先长链后短链从桥头开始，先长链后短链桥头碳原子桥头碳原子桥头碳原子桥头碳原子十氢萘十氢萘十氢萘十氢萘二环二环二环二环4.4.04.4.0癸烷癸烷癸烷癸烷bicyclobicyclo4.4.04.4.0decanedecane桥头间的碳原子数桥头间的碳原子数桥头间的碳原子数桥头间的碳原子数 (用用.隔开隔开)环的数目环的数目环的数目环的数目组成桥环的组成桥环的组成桥环的组成桥环的碳原子总数碳原子总数碳原子总数碳原子总数8 8-甲基甲基甲基甲基二环二环二环二环4.3.04.3.0壬烷壬烷壬烷壬烷用用,隔开隔开bic

9、yclo2.2.1heptanebicyclo2.2.1heptane8 8-methylmethylbicyclo4.3.0nonanebicyclo4.3.0nonane三环三环三环三环2.2.1.2.2.1.0 02,62,6 庚烷庚烷庚烷庚烷tricyclo2.2.1.tricyclo2.2.1.0 02,62,6heptaneheptane二环二环二环二环2.2.12.2.1庚烷庚烷庚烷庚烷2,7,72,7,7-三甲基三甲基三甲基三甲基二环二环二环二环2.2.12.2.1庚烷庚烷庚烷庚烷 2,7,72,7,7-trimethyltrimethylbicyclobicyclo 2.2.

10、1heptane 2.2.1heptane用用,隔开隔开三环三环三环三环2.2.1.2.2.1.0 02,62,6 庚烷庚烷庚烷庚烷tricyclo2.2.1.tricyclo2.2.1.0 02,62,6heptaneheptane二环二环二环二环2.2.12.2.1庚烷庚烷庚烷庚烷2,7,72,7,7-三甲基三甲基三甲基三甲基二环二环二环二环2.2.12.2.1庚烷庚烷庚烷庚烷 2,7,72,7,7-trimethyltrimethylbicyclobicyclo 2.2.1heptane 2.2.1heptanen n 螺环烃（螺环烃（螺环烃（螺环烃（spirospiro hydroca

11、rbon hydrocarbon）的命名的命名的命名的命名 编号从小环开始编号从小环开始 取代基数目取最小取代基数目取最小螺螺螺螺4.54.5癸烷癸烷癸烷癸烷spirospiro4.5decane4.5decane4 4-甲基甲基甲基甲基螺螺螺螺2.42.4庚烷庚烷庚烷庚烷4 4-methylmethylspirospiro2.4heptane2.4heptane除螺除螺除螺除螺C C外的碳原子数外的碳原子数外的碳原子数外的碳原子数 (用用.隔开隔开)组成桥环的组成桥环的组成桥环的组成桥环的碳原子总数碳原子总数碳原子总数碳原子总数n n 环烷烃的其它命名方法环烷烃的其它命名方法环烷烃的其它命名

12、方法环烷烃的其它命名方法 :立方烷立方烷立方烷立方烷金刚烷金刚烷金刚烷金刚烷cubanecubaneadamantaneadamantane按形象命名按形象命名DecahydroDecahydro-naphthalenenaphthalene十氢十氢十氢十氢萘萘萘萘萘萘萘萘naphthalenenaphthalene莰莰莰莰烷烷烷烷2-2-莰莰莰莰酮（樟脑）酮（樟脑）酮（樟脑）酮（樟脑）camphcamphaneanecamphcamphoror按衍生物命名按衍生物命名 单环烷烃的异构现象单环烷烃的异构现象 环烷烃中由于环的大小及取代基位置的不同，产生各种环烷烃中由于环的大小及取代基位置的不同

13、，产生各种构造异构体。最简单的环烷烃有三个碳原子，它没有异构造异构体。最简单的环烷烃有三个碳原子，它没有异构体。构体。C4C4有两种异构体，有两种异构体，C5C5有六种异构体。有六种异构体。C4H8C4H8的同分异构体：的同分异构体：C C5 5H H1010的同分异构体的同分异构体 碳架异构体碳架异构体（1-51-5）因环大小不）因环大小不同，侧链长短不同，同，侧链长短不同，侧链位置不同而引侧链位置不同而引起的。起的。顺反异构顺反异构（5 5和和6 6，5 5和和7 7）因成）因成环碳原子单键不能环碳原子单键不能自由旋转而引起的。自由旋转而引起的。旋光异构旋光异构（6 6和和7 7）2 2环

14、烷烃的性质环烷烃的性质环烷烃的性质环烷烃的性质每个每个CH2的燃烧的燃烧 (KJ/mol)每个每个CH2的燃烧热的燃烧热 (KJ/mol)小小环环C3C4环丙烷环丙烷 697.1环丁烷环丁烷 686.1中中环环C8 C11环辛烷环辛烷 663.8环壬烷环壬烷 664.6环癸烷环癸烷 663.6普普通通环环C5 C7环戊烷环戊烷 664.0环己烷环己烷 658.6环庚烷环庚烷 662.4大大环环C12 环十四烷环十四烷 658.6环十五烷环十五烷 659.0对比：对比：对比：对比：开链烷烃每个开链烷烃每个CHCH2 2的燃烧热：的燃烧热：658.6 KJ/mol环烷烃的燃烧热数据环烷烃的燃烧热数

15、据环烷烃的燃烧热数据环烷烃的燃烧热数据n n 环的大小与稳定性环的大小与稳定性环的大小与稳定性环的大小与稳定性稳定性稳定性小环小环普通环普通环中环中环 n n 环的大小与化学性质环的大小与化学性质环的大小与化学性质环的大小与化学性质五元以上五元以上五元以上五元以上环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃链状烷烃链状烷烃链状烷烃链状烷烃性质相似性质相似性质相似性质相似小环环烷烃小环环烷烃小环环烷烃小环环烷烃活泼，易开环活泼，易开环活泼，易开环活泼，易开环!n n 小环化合物的特殊性质小环化合物的特殊性质小环化合物的特殊性质小环化合物的特殊性质 易开环加成易开环加成易开环加成易开环加成 小环小环化合物化合物化合物

16、化合物的催化加氢的催化加氢（打开一根（打开一根 C-C 键）键）主要产物主要产物主要产物主要产物支链多支链多较稳定较稳定 小环化合物与卤素的反应小环化合物与卤素的反应小环化合物与卤素的反应小环化合物与卤素的反应（离子型）（离子型）加成反应加成反应自由基自由基取代反应取代反应注意区分：注意区分：注意区分：注意区分：小环化合物与小环化合物与小环化合物与小环化合物与 HI HI 或或或或 H H2 2O/HO/H2 2SOSO4 4的反应的反应的反应的反应反应选择性反应选择性与碳正离子与碳正离子稳定性有关稳定性有关3 3环烷烃的结构及构象环烷烃的结构及构象环烷烃的结构及构象环烷烃的结构及构象1.1.

17、环丙烷的结构环丙烷的结构环丙烷的结构环丙烷的结构角张力（角张力（angle strain）：）：环的角度与环的角度与sp3轨道夹轨道夹角差别引起的张力角差别引起的张力NewmanNewman投影式投影式投影式投影式所有所有C-H 键均为键均为重叠式构象，重叠式构象，有有扭转张力扭转张力平面型平面型2.2.环丁烷的构象环丁烷的构象环丁烷的构象环丁烷的构象若为平面型分子若为平面型分子若为平面型分子若为平面型分子稳定构象稳定构象稳定构象稳定构象角张力角张力扭转张力扭转张力角张力稍增角张力稍增加加,扭转张扭转张力明显减小力明显减小9090o o重叠式构象重叠式构象重叠式构象重叠式构象扭曲式构象扭曲式构

18、象扭曲式构象扭曲式构象8888o o3.3.环己烷的结构及构象环己烷的结构及构象环己烷的结构及构象环己烷的结构及构象如果环己烷的如果环己烷的如果环己烷的如果环己烷的 6 6 个碳原子在同一平面上个碳原子在同一平面上个碳原子在同一平面上个碳原子在同一平面上:将有角张力将有角张力将有角张力将有角张力 将有扭转张力将有扭转张力将有扭转张力将有扭转张力偏离偏离偏离偏离109.5109.5o oC-H C-H 重叠重叠重叠重叠n 环己烷不是平面型分子环己烷不是平面型分子n 环己烷碳架是折叠的环己烷碳架是折叠的椅式构象椅式构象椅式构象椅式构象 (chair form)(chair form)船式构象船式构

19、象船式构象船式构象 (boat form)(boat form)C2,C3,C5,C6 C2,C3,C5,C6 共平面共平面共平面共平面两者互为构象异构体两者互为构象异构体n n 椅式构象椅式构象椅式构象椅式构象HH之间距离均之间距离均大于大于H的的Van der Waals半径之和半径之和（2.40）2.502.50 2.492.49 2.492.49 交叉式交叉式交叉式交叉式l l环己烷椅式构象的画法环己烷椅式构象的画法环己烷椅式构象的画法环己烷椅式构象的画法 相间的两根键相互平行相间的两根键相互平行（画（画 Z 字形）字形）六个碳原子交替分布在两个平面上六个碳原子交替分布在两个平面上 每

20、个碳均有一根每个碳均有一根C-H键在垂直方向，键在垂直方向，上平面的向上上平面的向上 画，下平面的向下画画，下平面的向下画 其它其它C-H键分别向左（左边的三个）或向右（右边键分别向左（左边的三个）或向右（右边 的三个），且上下交替的三个），且上下交替l l两种类型两种类型两种类型两种类型C C-H H键键键键a键键(axial bond)竖键竖键,直键直键,直立键直立键e键键(equatorial bond)横键横键,平键平键,平伏键平伏键l l椅式构象中椅式构象中椅式构象中椅式构象中C-HC-HC-HC-H键的顺反关系键的顺反关系键的顺反关系键的顺反关系相邻碳上的相邻碳上的a a键和键和e

21、 e键为顺式键为顺式两个相邻的两个相邻的a a键（或键（或e e键）为反式键）为反式la键和键和e键的键的相互转换相互转换翻转后翻转后,原来的原来的a键转键转变为变为e键键,而而e键转变为键转变为a键键n n 船式构象船式构象船式构象船式构象2.272.272.272.271.841.84有几组有几组HH之间距之间距离均离均小于小于H的的Van der Waals半径之半径之和（和（2.40）重叠式重叠式重叠式重叠式（有扭转张力）（有扭转张力）（有扭转张力）（有扭转张力）旗杆键旗杆键旗杆键旗杆键n n 环己烷的其它构象式环己烷的其它构象式环己烷的其它构象式环己烷的其它构象式半椅式半椅式半椅式半

22、椅式(half chair(half chair form)form)扭船式扭船式扭船式扭船式(twist boat form)(twist boat form)椅式椅式椅式椅式船式船式船式船式椅式椅式椅式椅式l l 半椅式构象半椅式构象半椅式构象半椅式构象5个碳在同一平面上个碳在同一平面上 有角张力（有角张力（CC键角接键角接 近近120o）平面碳上平面碳上的的C-H键为重叠键为重叠 式构象（有较大的扭转张式构象（有较大的扭转张 力）力）l l 扭船式构象扭船式构象扭船式构象扭船式构象1.841.84扭曲式构象扭曲式构象扭曲式构象扭曲式构象l l 各种环己烷构象的势能图各种环己烷构象的势能图

23、各种环己烷构象的势能图各种环己烷构象的势能图1)1)单单单单取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析l l 甲基环己烷的构象甲基环己烷的构象甲基环己烷的构象甲基环己烷的构象CH3CH3与与与与C3C3为对位交叉为对位交叉为对位交叉为对位交叉优势构象，室温时占优势构象，室温时占优势构象，室温时占优势构象，室温时占95%.95%.能量差能量差=7.6 kJ/molCH3CH3与与与与C3C3为邻位交叉为邻位交叉为邻位交叉为邻位交叉1，3-竖键作用竖键作用4.4.取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析l l 异丙基环己

24、烷的构象异丙基环己烷的构象异丙基环己烷的构象异丙基环己烷的构象1.31.3-竖键作用非常大竖键作用非常大竖键作用非常大竖键作用非常大优势构象优势构象优势构象优势构象室温：室温：室温：室温：9797HHHl l 叔丁基环己烷的构象叔丁基环己烷的构象叔丁基环己烷的构象叔丁基环己烷的构象1.31.3-竖键作用非常大竖键作用非常大竖键作用非常大竖键作用非常大优势构象优势构象优势构象优势构象室温：室温：室温：室温：100100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取代占的比例越大。取代占的比例越大。Hl cis-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷2)2)二二

25、二二取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析l trans-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷1,2-cis1,2-cis能量相等能量相等1,2-trans1,2-trans优势构象优势构象e,a-e,a-a,e-a,e-a,a-a,a-e,e-e,e-有有有有1.3-1.3-竖键作用竖键作用竖键作用竖键作用l cis-1,3-二甲基环己烷二甲基环己烷l trans-1,3-二甲基环己烷二甲基环己烷1,3-cis1,3-cis1,3-trans1,3-transe,a-e,a-a,e-a,e-a,a-a,a-e,e-e,e-能量相等能量相等优势构象优势构象

26、有较大的有较大的有较大的有较大的1.3-1.3-竖键作用竖键作用竖键作用竖键作用l cis-1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷l trans-1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷能量相等能量相等优势构象优势构象e,a-e,a-a,e-a,e-a,a-a,a-e,e-e,e-1,4-cis1,4-cis1,4-trans1,4-trans有有有有1.3-1.3-竖键作用竖键作用竖键作用竖键作用l l 不同基团二取代环己烷不同基团二取代环己烷不同基团二取代环己烷不同基团二取代环己烷大基团总是占大基团总是占大基团总是占大基团总是占据据据据 e e e e键键键键1,2-cis1,2-cis优势构象优势构象

27、1,3-竖键作用较大竖键作用较大Hassel规则规则 带有带有相同基团相同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末在两个在两个构象异构体构象异构体之间，总是有之间，总是有较多取代基取较多取代基取e键向位键向位的构象为优的构象为优势构象势构象。Barton规则规则带有带有不同基团不同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末其优势构象总是趋向于使其优势构象总是趋向于使作用最强的作用最强的和和较强的基团尽可能多较强的基团尽可能多地取地取e键的向位。键的向位。两个规则两个规则l l ciscis-1

28、,41,4-二叔丁基环己烷的构象二叔丁基环己烷的构象二叔丁基环己烷的构象二叔丁基环己烷的构象有较大的有较大的1,3-竖键作用竖键作用扭船型构象扭船型构象较稳定较稳定较稳定较稳定transcis4.4.顺或反十氢萘的构象顺或反十氢萘的构象顺或反十氢萘的构象顺或反十氢萘的构象萘环命名体系萘环命名体系桥环系统命名体系桥环系统命名体系l l 反式十氢萘的构象反式十氢萘的构象反式十氢萘的构象反式十氢萘的构象全为交叉式构象全为交叉式构象全为交叉式构象全为交叉式构象l l顺式十氢萘的构象顺式十氢萘的构象顺式十氢萘的构象顺式十氢萘的构象1.3-1.3-竖键作用竖键作用竖键作用竖键作用5.5.环戊烷的构象环戊烷

29、的构象环戊烷的构象环戊烷的构象C-C键之间的夹角接近正常键之间的夹角接近正常的键角的键角,但但C-H键都处在重叠键都处在重叠式的位置式的位置,一个或两个的碳原一个或两个的碳原子伸出平面外子伸出平面外,可减少扭转角可减少扭转角所引起的张力所引起的张力.C4-C5 为全为全重叠式构象重叠式构象C1-C2,C2-C3 为交叉式为交叉式 了解并掌握各类取代环己烷的构象，判断其中的优势构象。了解并掌握各类取代环己烷的构象，判断其中的优势构象。会画顺、反式十氢萘的构象，分析两者的相对稳定性。会画顺、反式十氢萘的构象，分析两者的相对稳定性。了解并掌握环戊烷的构象。了解并掌握环戊烷的构象。本次课小结和要求本次

30、课小结和要求本次课小结和要求本次课小结和要求 掌握几种类型环烷烃掌握几种类型环烷烃掌握几种类型环烷烃掌握几种类型环烷烃（普通环烷烃、桥环烃和螺环烃）（普通环烷烃、桥环烃和螺环烃）（普通环烷烃、桥环烃和螺环烃）（普通环烷烃、桥环烃和螺环烃）的的的的命名方法。命名方法。命名方法。命名方法。了解三元和四元环化合物的活性，掌握相应的特殊化学性了解三元和四元环化合物的活性，掌握相应的特殊化学性了解三元和四元环化合物的活性，掌握相应的特殊化学性了解三元和四元环化合物的活性，掌握相应的特殊化学性质。质。质。质。掌握环丙烷和环丁烷的结构特点（有角张力）和构象。掌握环丙烷和环丁烷的结构特点（有角张力）和构象。掌握环丙烷和环丁烷的结构特点（有角张力）和构象。掌握环丙烷和环丁烷的结构特点（有角张力）和构象。熟悉并学会画环己烷的构象熟悉并学会画环己烷的构象熟悉并学会画环己烷的构象熟悉并学会画环己烷的构象（椅式、船式、半椅式和扭船（椅式、船式、半椅式和扭船（椅式、船式、半椅式和扭船（椅式、船式、半椅式和扭船式），式），式），式），了解各构象的相对稳定性，掌握了解各构象的相对稳定性，掌握了解各构象的相对稳定性，掌握了解各构象的相对稳定性，掌握椅式椅式椅式椅式的的的的a a键和键和键和键和e e键键键键及相及相及相及相邻键的顺反关系。邻键的顺反关系。邻键的顺反关系。邻键的顺反关系。