环烷烃教案

有机化学教案

第五章脂环烃Cyclocarbohydrons（4学时）

具有环状结构的碳氢化合物称为环烃，环烃又可分为脂环烃和芳香烃。开链烃两端连接成环的化合物与链烃性质相似，称为脂环烃。

5.1 脂环烃的分类和命名

5.1.1分类

按照分子中所含环的多少分为单环和多环脂环烃。

根据脂环烃的不饱和程度又分为环烷烃和环烯烃（环炔烃）。

在多环烃中，根据环的连接方式不同，又可分为螺环烃和桥环烃。

环烃

脂环烃

芳环烃

环烷烃

环烯烃

环炔烃

单环芳烃

多环芳烃

非苯芳烃

单环烷烃

桥环烷烃

螺环烷烃

5.1.2 环烷烃的异构和命名

1、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，产生各种构造异构体。最简单的环烷烃有三个碳原子，它没有异构体。C4有两种异构体，C5有六种异构体。

C4H8的同分异构体：

C5H10的同分异构体：

2CH33

3

3

3

4

5

123

6

此外，还有旋光异构（下一章）和构象异构（下一节）。

2、命名

单环脂环烃的命名：单环烷烃的通式与烯烃相同，为CnH2n，但其中没有双键，仅有一个闭合的碳环。环烷烃的命名与烷烃相似，根据成环碳原子数称为“某烷”，并在某烷前面冠以“环”字，叫环某烷。例如：

环丙烷环丁烷环已烷

环上带有支链时，一般以环为母体，支链为取代基进行命名，如：

CH3

CH3

二甲基环丙烷

1-甲基-4-异丙基环已烷

若环上有不饱和键时，编号从不饱和碳原子开始，并通过不饱和键编号，如：

5-甲基-1，3-环戊二烯

3-甲基环已烯

环上取代基比较复杂时，环烃部分也可以作为取代基来命名。如：

2-甲基-3-环戊基戊烷

螺环烃的命名：在多环烃中，两个环以共用一个碳原子的方式相互连接，称为螺环烃。其命名原则为：根据螺环中碳原子总数称为螺某烃。在螺字后面用一方括号，在方括号内用阿拉伯数字标明每个环上除螺原子以外的碳原子数，小环数字排在前面，大环数字排在后面，数字之间用

CH3

CH3

CH3CH2CHCH

圆点隔开。如：

螺[4.4]壬烷螺[4.5]-1，6-癸二烯

桥环烃的命名：在多环烃中，两个环共用两个或两个以上碳原子时，称为桥环烃。命名时以二环（双环）为词头，后面用方括号，按照桥碳原由多到少的顺序标明各桥碳原子数，写在方括号内（桥头碳原子除外），各数字之间用原点隔开，再根据桥环中碳原子总数称为某烷。如：

双环[3.2.1]辛烷双环[4.4.0]癸烷

桥环烃编号是从一个桥头碳原子开始，沿最长的桥路编到另一个桥头碳原子，再沿次长桥编回桥头碳原子，最后编短桥并使取代基的位次较小。如：

1-乙基-7，7-二甲基双环[2.2.1]庚烷

5.2 脂环烃的结构

5.2.1

1885年Bagyer提出了张力学说

60°90°108°120°

1．环丙烷

环中C-C键形成一种弯键结构,碳环键角为105.5o,H-C-H键角114º：

COOH

NH2

1-氨基环丙烷－1-羧酸

（稳定化合物）

o

2．环丁烷和环戊烷的构象

环丁烷与环丙烷相似，C-C 键也是弯曲的，C-C-C 键角约111.5º，其中四个C 不在同一平面。

H H

H

H

H H

H H H

H H H

H H H H

环丁烷的构象

H H

H H

H H

H H

H H H H

H

H

H H

H

H

H

H 信封式 能垒 2.5KJ/mol 半椅式 环戊烷构象

3．环己烷的构象

在环己烷分子中，C 原子是SP 3杂化。六个C 不在同一平面，C-C 键夹角保持109º28¹,因此环很稳定。其有二种极限构象：

H

H H H

H

H H H H

H H

H

H H

H H

H

H

H

H H

H

H

H

椅式（无张力环）

H H

H

CH 2

CH 21,2,4,5碳共平面3,6处于平面上下方?

2CH 2

H

H H H

1,2,4,5碳共平面3,6都在平面上面

船式构象不稳定的原因：

5.2.2 环的张力 一、拜尔张力学说

1880年以前，只知道有五元环，六元环。 1883年，W.H.Perkin 合成了三元环，四元环。 1885年，A.Baeyer 提出了张力学说。 张力学说提出的基础

•所有的碳都应有正四面体结构。

•碳原子成环后，所有成环的碳原子都处在同一平面上 （当环碳原子大于4时，这一点是不正确的）。 张力学说的内容

当碳原子的键角偏离109°28′时，便会产生一种恢复正常键角的力量。这种力就称为张力。键角偏离正常键角越多，张力就越大。

N = 3 4 5 6 7

偏转角度

24o 44’

9o 44’

44’

-5o 16’

-9o 33’

偏转角度=

109°28′内角

2

从偏转角度来看，五员环应最稳定，大于五员环或小于五员环都将越来越不稳定。但实际上，五员，六员和更大的环型化合物都是稳定的。这就说明张力学说存在缺陷。 二、 环烷烃的燃烧热

•1930年，用热力学方法研究张力能。

• 燃烧热：1mol 纯烷烃完全燃烧生成CO2和水时放出的热。 • 每个 –CH2-的燃烧热应该是相同的，约为658.6KJ·mol -1。 燃烧热的数据表明， 五员和五员以上的环烷烃都是稳定的。 三、 张力能

从现在的角度看，三员环的张力能是由以下几种因素造成的：

1、由于二个氢原子之间的距离小于范德华半径之和，所以产生非键连作用，造成内能升高；Enb

2、轨道没有按轴向重迭，导致键长伸长或缩短，电子云重叠减少，造成内能升高；El

3、E q 是由于偏转角引起的张力（即角张力）能。

4、E f 是由全重叠构象引起的。

张力能= E nb (非键连作用) + E l (键长) +

E θ(键角) + E φ(扭转角)

E nb > E l > E θ> E

φ

5.3 脂环化合物的立体异构 5.3. 1 脂环化合物的顺反异构

1） 三元环: