环烷烃
有机化学环烷烃
有机化学环烷烃在有机化学的广袤领域中，环烷烃是一类具有独特结构和性质的化合物。
它们就像是化学世界里的“小圈圈”，有着自己独特的魅力和价值。
环烷烃，简单来说，就是碳原子通过单键连接形成环状结构的烃类化合物。
与我们熟悉的直链烷烃相比，环烷烃的环状结构赋予了它们一些与众不同的特点。
从结构上看，环烷烃的碳原子排列成环。
环的大小可以不同，常见的有三元环、四元环、五元环等等。
环的大小对环烷烃的稳定性有着重要的影响。
比如，三元环和四元环由于环张力较大，相对来说不太稳定，容易发生开环反应。
而五元环和六元环则相对稳定得多。
稳定性的差异导致了它们在化学反应中的表现各不相同。
以开环反应为例，小环烷烃在一定条件下能够与氢气、卤素等发生开环加成反应。
这是因为小环烷烃的环张力使得它们的化学键相对更容易被打开，从而与其他物质发生反应。
而大环烷烃则相对较难发生这样的反应。
环烷烃的物理性质也有其特点。
一般来说，环烷烃的沸点和熔点比相同碳原子数的直链烷烃要高。
这是因为环状结构使得分子间的接触更为紧密，相互作用增强，从而需要更高的温度来打破这种相互作用。
在实际应用中，环烷烃有着广泛的用途。
在石油化工领域，环烷烃是重要的原料。
通过一系列的化学反应，可以将它们转化为各种有用的化学品，如溶剂、润滑油等。
在医药领域，一些含有环烷烃结构的化合物具有特定的生物活性，被用于药物的研发和制造。
让我们更深入地了解一下环烷烃的命名规则。
对于简单的环烷烃，通常以“环”字开头，然后根据环上碳原子的数目称为“环某烷”。
如果环上有取代基，则要按照一定的顺序为取代基编号，以表明它们在环上的位置。
再来看看环烷烃的同分异构体。
由于环的结构可以有多种变化，所以相同碳原子数的环烷烃可能存在多种同分异构体。
比如，C₅H₁₀就有环戊烷和甲基环丁烷等多种同分异构体。
环烷烃的存在和性质对于我们理解有机化学的整体框架有着重要的意义。
它们不仅丰富了有机化合物的种类，也为我们研究和应用有机化学提供了更多的可能性。
化学环烷烃
小环易发生加成反应。
11
① . 加 H2
+ H2 + H2 + H2
Ni 40℃
Ni 100℃
CH3CH2CH3
CH3CH2CH2CH3
Pt 300℃
CH3CH2CH2CH2CH3
由上面反应条件可以看出，小环发生加成反应活性大。 ②. 加 X2
+ Br2
室温
BrCH2CH2CH2Br
12
+ Br2
小环：3～4个碳原子。 普通环：5～7个碳原子。 中环：8～11个碳原子。 大环：12个以上碳原子。 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。
螺碳 桥头碳
2
单环体系
多环体系
2. 异构 包括：
构造异构
顺反异构：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 C-C键不能旋转而引起的。
a 为 小 环 中 的 ， 为 大 环 中 的 。பைடு நூலகம்b
7
5 6
4
3
1 2
8
7 6 4 3
1 2
7
5
螺[2 . 4]庚烷
1,6-二甲基螺[3 . 4]辛烷
桥环烃： ①. 确定母体：几环某烷（由桥环中总碳数确定）。 ②. 环数的确定：把桥环烃变为链烃，打开几次，就 是几元环。
③. 编号：先编大桥后编小桥，从桥头碳开始编，使
例：C5H10的环烷烃异构
3
CH3 CH3 H H
H CH3
CH3 H
3. 命名 1). 单环环烷烃 规则：①. 确定母体：环某烷（由环中总碳数确定）。 ②. 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 基的位置。 ③. 书写同烷烃。
有机化学-环烷烃
得到的构型与原来的构型一样。 椅式C-H键的分类： 6个直立键：3个朝上，3个朝下。
23
都叫a键。平行于C3轴。
6个平伏键：3个朝上，3个朝下。
都叫e键，与直立键成109°28/。
结论：
C3
①. 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99.9%。 因为在椅式构象中，相邻两个碳原子上C-H键都
1. 物理性质（自学） 2. 化学反应 1). 取代反应
+ Br2
hν
Br
+ HBr
机理：自由基机理 取代反应一般在五、六元环上易发生。
12
2). 加成反应 小环易发生加成反应。
①. 加 H2
+ H2
Ni
+ H2 + H2
② . 加 X2
40℃ Ni CH CH CH CH 3 2 2 3 100℃
16
三. 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（Baeyer ）张力学说要点
①. 形成环的碳原子都在同一平面上，并排成正多边形。 ②. 正常C-C键之间夹角为109.5°，环中C-C键之间夹
第三章 环烷烃
主讲：徐华
一. 环烷烃的分类、命名和异构 二. 环烷烃的物理性质和化学反应 三. 环烷烃的稳定性 四. 环烷烃的构象
2
一. 环烷烃的分类、命名和异构 概述：单环环烷烃通式：CnH2n 1. 分类
,
与烯烃互为异构体。
环烷烃的性质与烷烃相似。
小环：3～4个碳原子。 普通环：5～7个碳原子。 单环体系 中环：8～11个碳原子。 大环：12个以上碳原子。 螺环:两个环公用一个碳原子,公用的碳叫螺碳。 多环体系 桥环：两个环公用两个或两个以上碳原子。
环烷烃的概念
环烷烃的概念环烷烃是一类有机化合物，也被称为脂环烷烃或脂肪环烷烃。
它的分子结构由碳(C)和氢(H)原子组成，其中碳原子形成一个或多个环状结构，每个碳原子上连接着两个氢原子。
环烷烃的普遍化学式为CnH2n，其中n代表碳原子的数量。
环烷烃根据碳原子的环状结构可以分为多个类别，最简单的是环己烷(C6H12)，它由六个碳原子组成一个环。
其他常见的环烷烃有环戊烷、环丙烷等。
环烷烃的特点是分子结构中含有一个或多个环状结构，这种环状结构使得环烷烃相对于直链烷烃具有一些特殊的性质。
首先，由于环烷烃分子内部有较大的空间限制，环烷烃的分子难以与其他分子进行反应，使得环烷烃的化学稳定性较高。
此外，环烷烃还具有较高的沸点和熔点，比直链烷烃的物理性质要高。
环烷烃可以通过多种方法合成，最常见的方法是通过烷烃的脱氢反应得到。
例如，环己烷可以由己烷经过加热脱氢反应制得。
此外，环烷烃还可以通过环状化合物之间的反应合成，如环戊烷可以由乙烯和乙烯二聚反应得到。
环烷烃在生活中有广泛的应用。
最典型的例子是石油和天然气中的环烷烃，它们是石油和天然气中最常见的组分之一。
石油和天然气中的环烷烃可以用于生产燃料、润滑剂和化工原料。
此外，环烷烃还可用作溶剂、塑料、橡胶等领域的原料。
但是，环烷烃也存在一些环境和健康方面的问题。
环烷烃是一类挥发性有机物，它们在大气中的存在会对空气质量产生负面影响，形成臭氧、光化学烟雾等污染物。
此外，环烷烃还可能引发健康问题，如呼吸道疾病和神经系统损伤。
总之，环烷烃是一类有机化合物，具有稳定性高、物理性质特殊的特点。
它们在能源、化工和其他领域有着广泛的应用，但也带来环境和健康方面的问题。
对环烷烃的深入研究和合理利用，有助于提高环境质量，推动可持续发展。
环烷烃
• 环烷烃的化学性质
加氢
与卤素反应
+ Cl2
hv
+ Br2 300 ℃
Cl + HCl
Br + HBr
与氢卤酸反应
+HI +HI CH3 +HI
CH3CH2CH2I
CH3CH2CH2CH2I I
CH3CHCH2CH3
反应活性次序 ：
• 第三章习题 • 1-1，2，4，5，6 • 3-1，2，5 •5 • 6-1，2，4，5 • 10-1
CH3 CH3
CH3 CH3
优势构象
多取代环己烷有不同取代基时，体积较大 的取代基在e键为优势构象
CH3
CH3
(CH3)2CH
CH(CH3)2
(CH3)2CH
CH3
优势构象
(CH3)2CH
CH3
CH3
(CH3)2CH
优势构象
(CH3)2CH CH3
• 思考题： 写出反-1-甲基-3-叔丁基环己烷的优势构象。
4
315
2
6
a键和e键：
6个a键
6个e键
• a键和e键的转换
H 5H 4H 3
H
H6 1 H2
4 5
3
6
2 1
• 取代环己烷的稳定构象
单取代环己烷一般以取代基在e键的 构象为优势构象
H
5H
4
3
HH
C
H
61
室温
2
4
3
5
2
6
CH3
1
CH3
H
多取代环己烷一般以取代基在e键较多者为 优势构象
CH3 CH3
第二节_环烷烃
环烷烃2．1环烷烃的定义和命名分子中具有碳环结构的烷烃称为环烷烃，单环烷烃的通式为C n H2n，与单烯烃互为同分异构体。
环烷烃可按分子中碳环的数目大致分为单环烷烃和多环烷烃两大类型。
1．单环烷烃最简单的环烷烃是环丙烷，从含四个碳的环烷烃开始，除具有相应的烯烃同分异构体外，还有碳环异构体，如分子式为C5H10的环烷烃具有五种碳环异构体。
为了书写方便，上述结构式可分别简化为：当环上有两个以上取代基时，还有立体异构。
单环烷烃的命名与烷烃基本相同，只是在“某烷”前加一“环”字，环烷烃若有取代基时，它所在位置的编号仍遵循最低系列原则。
只有一个取代基时“1”字可省略。
当简单的环上连有较长的碳链时，可将环当作取代基。
如：2．多环烷烃含有两个或多个碳环的环烷烃属于多环烷烃。
多环烷烃又按环的结构、位置分为桥环、螺环等。
（1）桥环两个或两个以上碳环共用两个以上碳原子的称为桥环烃，两个或两个以上环共用的叔碳原子称为“桥头碳原子”，从一个桥头到另一个桥头的碳链称为“桥”。
桥环化合物命名时，从一个桥头开始，沿最长的桥编到另一个桥头，再沿次长的桥编回到起始桥头，最短的桥最后编号。
命名时以二环、三环作词头，然后根据母体烃中碳原子总数称为某烷。
在词头“环”字后面的方括号中，由多到少写出各桥所含碳原子数(桥头碳原子不计入)，同时各数字间用下角圆点隔开，有取代基时，应使取代基编号较小。
例如：1，2，7-三甲基-双环[2.2.1]庚烷双环[4.4.0]癸烷双环[2.2.1]庚烷（2）螺环脂环烃分子中两个碳环共用一个碳原子的称为螺环烃，共用的碳原子为螺原子。
命名时根据成环的碳原子总数称为螺某烷，编号从小环开始，经过螺原子编至大环，在“螺”字之后的方括号中，注明各螺环所含的碳原子数(螺原子除外)，先小环再大环，数字间用下角圆点隔开。
有取代基的要使其编号较小。
例如：5-甲基螺[3.4]辛烷 1，6-二甲基螺[3.5]壬烷2．2环烷烃的物理性质在常温常压下，环丙烷与环丁烷为气体，环戊烷、环己烷为液体。
环烷烃
1–甲基–2–乙基环己烷
CH(CH3)2
CH3
1–甲基环丁烯
5–异丙基– 1，3–环戊二烯
二、环烷烃的化学性质
卤代反应
光照 + Br2 Br + HBr
CH3 +
光照 Br2
Br CH3 + HBr
1-甲基-1 –溴环已烷
开环加成反应 (1)加H2
C 2 H H2C H2C H2C CH2 CH CH Ni / 80。 C H2 Ni H2
氧化反应 常温下环烷烃与氧化剂不反 应，不使KMnO4溶液褪色。
三、环烷烃的稳定性
与张力能有关
环丙烷 总张力能（KJ.mol-1） 115.5
环丁烷
110.4
环戊烷 环己烷
27.0 0
结论：环烷烃的张力能越大，越不稳定。 （稳定性：环己烷 > 环戊烷 > 环丁烷 > 环丙烷）
四、环已烷的构象
环已烷的构象
（1）优势构象：椅式构象
椅式 （2）a，e键和构象的翻转
Hale Waihona Puke 船式环烷烃内容提要
环烷烃的命名 环烷烃的化学性质 环烷烃的稳定性 环已烷的构象
环烷烃
脂环烃是指性质类似脂肪烃的碳环化合
物。饱和的脂环烃又称环烷烃，通式为
CnH2n（n≥3）。
一、环烷烃的命名
1.常见环烷烃
环丙烷
环丁烷
环戊烷
环已烷
2. 复杂结构的环烷烃命名
CH3 CH3
CH3 CH2CH3
1，2–二甲基环丙烷
CH3CH2CH3
H2C H2C CH2
H2
CH2 Ni / 200 C
。 CH3CH2CH2CH3
环烷烃
a键
e键
(3) 相邻两组a键伸展方向相反，一个向上，一个向下，e 键也如此。
a a
e e
e a
a e
e e a a
1
2
3
4
a
e
a 和e键的关系不清晰
5 a 和e 键的关系清晰
3.构象翻转：
Year 1883
Name of scientist Baeyer
1890 H.Sachse 1915-1918 W.M.Mohr
1920
1943 O.Hassel
1950 D.Barton
Point of view
Assumes that six carbon atoms are on the same plane
当环己烷由一种椅式构象翻转为另一种椅式构象时，原
来的a键变成e键，原来的e键变成a键。由于六个碳上连接的 都是氢原子，所以两种椅式构象完全等同。
5
61
43
2
456 3 21
O
O
O
O O O
4O
O1 O
O O
4O O
O O
O
O
O
环上原子或基团的空间关系保持。
O
O O O
O1 O
二. 取代环己烷的构象
3.3 环的张力
一、Bayer’s张力学说
Assumption: 1 成环的碳原子均在同一同面上，且呈正多边形 2 碳原子采取sp3杂化形式，正常键角应为约109.5度 3 为了满足平面正多边形的内角要求，成环的键必须向内或向
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有机化学 第三章 环烷烃
第一节 环烷烃的分类和异构现象 一 环烃的分类 单环烷烃√ 桥环烷烃√ 环烷烃 螺环烷烃√ 集合环烷烃 脂环烃 环烯烃 环炔烃 环烃 芳烃 单环芳烃 多环芳烃 非苯芳烃
有机化学 第三章 环烷烃
二 单环烷烃的分类
单 环 烷 烃 的 分 类 单环烷烃的通式：CnH2n n=3，4 n=5，6，7 小环化合物 普通环化合物
Br
+ Cl2 Br2
Cl Br
取代反应：自由基机理 （各种环相似） 开环反应：离子型机理，极性条件有利于开环反应的发生 。 环的活性: 三元环>四元环> >普通环
有机化学 第三章 环烷烃
三 与氢溴酸、氢碘酸反应★
Br
~
C H3 + HBr
开环
C H3CHCH2CH3
I CH3CHCH2CH3
CH3 + H I
有机化学 第三章 环烷烃
止 环烷烃 厚 第三章 于cycloalkanes 德 至 善 博 学
exit exit
有机化学 第三章 环烷烃
环烷烃提纲
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 单环烷烃的分类和异构现象 环烷烃的命名 环烷烃的物理性质 环烷烃的化学性质★ 环张力学说 环己烷的构象★
环烷烃的燃烧热
有机化学 第三章 环烷烃
• 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。 环烷烃燃烧热的实测数据
(CH2)n n = 2烯烃 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7
有机化学 第三章 环烷烃
思考题:
一.命名或写结构式.
1,4-二甲基二环[2.2.2]辛烷 5-甲基螺[3.4]辛烷
二.完成下列反应:
CH2 H2, Ni
40
O
+ HBr
C
+
Br2
hv
三.用简单的化学方法鉴别下列各组化合物.
1.丙烷与环丙烷 2. 丙烯、1,2-二甲基环丙烷、环戊烷
有机化学 第三章 环烷烃
练习问题3.1 ，3.2
有机化学 第三章 环烷烃
二 双环化合物的命名 • 其中两个碳环共用一个碳原子的叫螺环化合物. • 共用两个或以上碳原子的叫桥环化合物.
螺原子
螺[2.4]庚烷
桥头碳 桥头碳
二环[2.2.1]庚烷
有机化学 第三章 环烷烃
(A) 螺化合物的命名: (a) 组成环的碳原子总数命名为“某烷”,加上词头“螺”. (b) 再把连接于螺原子的两个环的碳原子数(不含螺原子), 按由小到大的次序写在“螺”和“某烷”之间的方括 号里,数字用圆点分开. 螺原子 例1:
7 6 5 4 3 1
bicyclo [1.1.0] butane
8 6 5 1 2 4 3
2
7
2,7,7-三甲基二环[2.2.1]庚烷
6-甲基二环[3.2.1]辛烷
2,7,7-trimethylbicyclo [2.2.1] heptane 6-methylbicyclo [3.2.1] octane
环丙烷的结构
•这样的键与一般的 键不 一样,它的电子云没有轨道 轴对称,而是分布在一条曲 线上,故常称弯曲键.
内角60°
•弯曲键比一般的 键弱,并且具有较高的能量. •这种因键角偏离正常键角而引起的张力叫角张力. •由于构象是重叠式而引起的张力叫扭转张力.
张力能
有机化学 第三章 环烷烃
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 非键作用(non-bonding interaction)，造成内能升高； 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； 3 E是由于键角偏离平衡值引起的张力能（即角张力）。 4 E是由扭转角变化(全重叠构象)引起的（扭转张力）。
6-甲基二环[3.2.2]壬烷
1,7-二甲基二环[3.2.2]壬烷
有机化学 第三章 环烷烃
例6:
8,8-二甲基二环[3.2.1]辛烷
例7: 二环[2.2.2]-2,5,7-辛三烯
有机化学 第三章 环烷烃
练习题
二环[2.2.0]己烷 二环[1.1.0]丁烷
bicyclo [2.2.0] hexane
此反应是离子型机理，极性大的键易打开；三元环 比四元环易发生此反应，其它环不发生此反应。 氢总是加在含氢多的碳上,卤原子加在含氢少的 碳上.符合马氏规则.四碳环不易开环，在常温下与 卤素，卤化氢不反应。
有机化学 第三章 环烷烃
四 氧化反应（小环对氧化剂相当稳定）
在常温下，环烷烃与一般氧化剂(KMnO4,O3)不反应； 在加热，强氧化剂作用或催化剂存在时，可用 空气氧化成各种氧化产物。 思考：如何鉴别环丙烷与烯烃 ? 三元环不能使高锰酸钾溶液褪色，能使溴水褪色
用最低系列原 则无法确定选 哪一种编号时, 则用下面方法 确定编号。中 文, 让次序规 则中顺序较小 的基团位次尽 可能小。英文, 按英文字母顺 序, 让字母排 在前面的基团 位次尽可能小。
较小编号表示较小基团
有机化学 第三章 环烷烃
实 例 四
H3C H
CH3 H
顺-1,2-二甲基环丙烷 cis-1,2-dimethylcyclopropane
H 1 H H 6 H H 2 H H 3 H H 4 H H
H 1 H H H 5
旋光异构 （6和7）
第二节 环烷烃的命名
一 单环烷烃的命名
有机化学 第三章 环烷烃
命 名 步 骤
（1）确定母体: 没有取代基的环烷烃本身就是母体, 命名 时只须在相应的烷烃前加“环”(英文加cyclo), 环上有 取代基的环烷烃以环为母体还是以链为母体视情况而定. （2）编号要符合最低系列原则 （3）确定构型 带有两个或两个以上取代基时，分子有对称性。 构型用顺反表示，分子没有对称性，构型用R、S表示。 （4）按名称的基本格式要求写出全名
40℃ 80oC
Ni
o 200 C 100℃
+ H2
50oC Pt / C
120oC Pt / C
CH3CH2CH3
CH3CH2CH2CH3
Ni
+ H2
CH3CH2CH2CH3
有机化学 第三章 环烷烃
二 与氯和溴反应
Cl
h
取代
+ Cl2
Br
FeCl3
开环
ClCH2CH2CH2Cl
h
取代
Br2
开环
螺[2.4]庚烷
有机化学 第三章 环烷烃
例2:
螺[3.4]辛烷
(c) 带支链的螺烷★ --螺环上的编号,从连接螺原子(不 含 ) 上的一个碳开始 , 先编较小的环 , 然后经过螺原子 再编第二个环 .编号的顺序以取代基位置号码加和数 最小为原则.
例3:
5-甲基螺[2.4]庚烷
有机化学 第三章 环烷烃
带有二个或二 个以上取代基 时，分子有对 称性，构型用 顺反表示。分 子没有对称性 ，构型用R, S 表示。
有机化学 第三章 环烷烃
实 例 五
H H3C
CH3 H
H3C H
H CH3
(1S,2S)反-1,2-二甲基环丙烷
(1Rmethylcyclopropane (1R,2R)-1,2-dimethylcyclopropane
桥头碳
例1:
二环[2.2.1]庚烷
有机化学 第三章 环烷烃
例2:
二环[2.1.0]戊烷
例3:
二环[3.1.1]庚烷
有机化学 第三章 环烷烃
(d) 环上碳原子编号:从一个桥头碳原子(含)开始,先编 最长的桥至第二个桥头,再编余下的较长的桥,回到 第一个桥头;最后编最短的桥. (e) 编号的顺序以取代基位置号码加和数为较小. 例4: 例5:
有机化学 第三章 环烷烃
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。
偏转角度= N=3
109°28′内角
2 4
9o44’
5
44’
6
-5o16’
7
-9o33’
偏转角度
24o44’
从偏转角度来看，五元环应最稳定，大于五元环或小于五 元环都将越来越不稳定。但实际上，五元，六元和更大的环型 化合物都是稳定的。这就说明张力学说存在缺陷。
有机化学 第三章 环烷烃
第三节 环烷烃的物理性质 环烷烃的分子结构比链烷烃排列紧 密，所以，沸点、熔点、密度均比链 烷烃高。
有机化学 第三章 环烷烃
第四节 环烷烃的化学性质
大环，中环化合物的化学性质与链烷烃相似。 小环易发生开环加成反应.
小环与普通环化合物的性质对比如下：
一 与氢加成
CH3CH2CH3
CH3
实 例 二
CH2CH3 H3C
1,4-二甲基-2-乙基环己烷 2-ethyl -1,4-dimethylcyclohexane
有机化学 第三章 环烷烃
CH3
1 3 5
H3C
CH2CH3
实 例 三
1,3-二甲基-5-乙基环己烷
CH3
5 3 1
H3C
CH2CH3
1-ethyl-3,5-dimethyl cyclohexane
n=8，9，10，11
n≧12
中环化合物
大环化合物
有机化学 第三章 环烷烃
三 单环烷烃的异构现象
C5H10的同分异构体 CH2CH3
CH3 CH3