(精品)第四课 烷烃环烷烃的构象.ppt

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1、碳原子轨道的碳原子轨道的sp3杂化杂化键的形成及其特性每个每个sp3杂化轨道含杂化轨道含1/4 s 成分和成分和 3/4 p成分成分sp3杂化轨道形状杂化轨道形状碳原子的碳原子的sp3杂化轨道杂化轨道键角为键角为 109.5 原子 轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称的轨道称为 轨道。轨道构成的共价键称为键。键的特性:成键原子可沿键轴自由旋转;键能较大，可极化性较小。例如：甲烷分子中有四个CH键。相类似，乙烷分子中有六个CH键和一个 CC键。甲烷甲烷乙烷乙烷键的形成及其特性l l 烷烃的结构烷烃的结构烷烃的结构烷烃的结构Space FillingModel比例模型比例模型Ball and

2、 Stick Model球棒模型球棒模型C:C:sp sp3 3 杂化，成杂化，成杂化，成杂化，成 键键键键立体异构体：立体异构体：立体异构体：立体异构体：由原子或基团在由原子或基团在由原子或基团在由原子或基团在空间空间空间空间的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的异构体（包括异构体（包括异构体（包括异构体（包括构型异构体构型异构体构型异构体构型异构体和和和和构象异构体构象异构体构象异构体构象异构体）n n 立体异构体、立体异构体、立体异构体、立体异构体、构型异构体与构象异构体构型异构体与构象异构体构型异

3、构体与构象异构体构型异构体与构象异构体分子结构包括：构造，构型，构象构型异构体构型异构体构型异构体构型异构体 不可转换不可转换不可转换不可转换 理论上可分离理论上可分离理论上可分离理论上可分离构象异构体构象异构体构象异构体构象异构体 可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换 一般无法分离一般无法分离一般无法分离一般无法分离l l 描述立体结构的几种方式描述立体结构的几种方式描述立体结构的几种方式描述立体结构的几种方式伞形式伞形式伞形式伞形式锯架式锯架式锯架式锯架式NewmanNewman投影式投影式投影式投影式立体异构体：立体异构体：立体异构体：立体异构体：由原

4、子或基团在由原子或基团在由原子或基团在由原子或基团在空间空间空间空间的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的异构体（包括异构体（包括异构体（包括异构体（包括构型异构体构型异构体构型异构体构型异构体和和和和构象异构体构象异构体构象异构体构象异构体）n n 立体异构体、立体异构体、立体异构体、立体异构体、构型异构体与构象异构体构型异构体与构象异构体构型异构体与构象异构体构型异构体与构象异构体分子结构包括：构造，构型，构象构型异构体构型异构体构型异构体构型异构体 不可转换不可转换不可转换不可转换 理论上可分离理论

5、上可分离理论上可分离理论上可分离构象异构体构象异构体构象异构体构象异构体 可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换 一般无法分离一般无法分离一般无法分离一般无法分离键电子云排斥，键电子云排斥，键电子云排斥，键电子云排斥，von der waals排斥力，排斥力，内能较高内能较高内能较高内能较高（最不稳定）（最不稳定）（最不稳定）（最不稳定）1.1.乙烷的构象乙烷的构象乙烷的构象乙烷的构象交叉式构象交叉式构象交叉式构象交叉式构象扭曲式构象扭曲式构象扭曲式构象扭曲式构象重叠式构象重叠式构象重叠式构象重叠式构象原子间距离最远原子间距离最远原子间距离最远原子间距离最远内

6、能较低内能较低内能较低内能较低（最稳定）（最稳定）（最稳定）（最稳定）（有无数个）（有无数个）（有无数个）（有无数个）小于两个小于两个H 的的von der waals 半半径（径（1.2）之和，）之和，有排斥力有排斥力l l 乙烷构象转换与势能关系图乙烷构象转换与势能关系图乙烷构象转换与势能关系图乙烷构象转换与势能关系图旋转中须克服能垒旋转中须克服能垒扭转张力扭转张力 电子云排斥电子云排斥 相邻相邻两两H间的间的von der waals排排斥力斥力一般情况下一般情况下(T-250oC):单个乙烷分子：绝大部分时间单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。在稳定构象式上。一群乙烷分子：某一时

7、刻，绝一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。大多数分子在稳定的构象式上。2.2.丁烷的构象丁烷的构象丁烷的构象丁烷的构象对位交叉式对位交叉式对位交叉式对位交叉式（交叠式）（交叠式）（交叠式）（交叠式）部分重叠式部分重叠式部分重叠式部分重叠式（反错式）（反错式）（反错式）（反错式）邻位交叉式邻位交叉式邻位交叉式邻位交叉式（顺错式）（顺错式）（顺错式）（顺错式）全重叠式（顺叠式）全重叠式（顺叠式）全重叠式（顺叠式）全重叠式（顺叠式）甲基间距离甲基间距离最远最远(最稳定最稳定)较不稳定较不稳定较稳定较稳定甲基间距离最近甲基间距离最近（最不稳定）（最不稳定）邻位交叉式邻位交叉式邻位交叉

8、式邻位交叉式（顺错式）（顺错式）（顺错式）（顺错式）l l 丁烷构象转换与势能关系图丁烷构象转换与势能关系图丁烷构象转换与势能关系图丁烷构象转换与势能关系图立体异构体：立体异构体：立体异构体：立体异构体：由原子或基团在由原子或基团在由原子或基团在由原子或基团在空间空间空间空间的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的的排列（或连接）方式不同所产生的异构体（包括异构体（包括异构体（包括异构体（包括构型异构体构型异构体构型异构体构型异构体和和和和构象异构体构象异构体构象异构体构象异构体）n n 立体异构体、立体异构体、立体异构体、立体异构体、构

9、型异构体与构象异构体构型异构体与构象异构体构型异构体与构象异构体构型异构体与构象异构体分子结构包括：构造，构型，构象构型异构体构型异构体构型异构体构型异构体 不可转换不可转换不可转换不可转换 理论上可分离理论上可分离理论上可分离理论上可分离构象异构体构象异构体构象异构体构象异构体 可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换可通过单键旋转转换 一般无法分离一般无法分离一般无法分离一般无法分离2 2环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

10、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 3 3环烷烃的结构及构象环烷烃的结构

11、及构象环烷烃的结构及构象环烷烃的结构及构象1.1.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

12、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象扭曲式构象扭曲式构象8888o o 环己烷分子中无张力；而七到十二个碳原子组成的环烷烃，环内氢原子间的扭转张力使它们的稳定性略有下降。当环进一步增大时,稳定性与环己烷相似。如环二十二烷就是无张力环：环二十二烷环二十二烷2.2.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10

13、9.5109.5o oC-H C-H 重叠重叠重叠重叠n 环己烷是不是平面型分子？环己烷是不是平面型分子？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

14、交叉式交叉式交叉式交叉式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半径之和半径之和（2.40），有排斥），有排斥力力（非键张力）（非键张力）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HHHHHHHHHHHH123456C3-C2C5-C6HHHHHHHH165423n 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椅式(half chair(half chair

15、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各种环己烷构象的势能图各种环己烷构象的势能图l l

16、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(equ

17、atorial 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键的顺反关键的顺反关键的顺反关键的顺反关相邻碳上的相邻碳上的a a键和键和e 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 2.10.2 一取代环己烷的构象一取代环己烷的取代基在e键上的构象占优势。取代环己烷的取代基在e键上的构象占优势。取代基越大，这种优势越明显。R=CH3时，95%处于e键；R=(CH3)3时，99.9%处于 e键。环上不同取代基时，大的取代基优先处于e键。作业习题四：1，2习题六习题七：1.3