Chapter 4 Cycloalkanes环烷烃
环烷烃

有机化学 第三章 环烷烃
CH3
实 例 二
CH2CH3 H3C
1,4-二甲基 乙基环己烷 二甲基-2-乙基环己烷 二甲基 2-ethyl -1,4-dimethylcyclohexane
有机化学 第三章 环烷烃
CH3
1 3 5
实 例 三
H 3C
CH2CH3
,
1,3-二甲基 乙基环己烷 二甲基-5-乙基环己烷 二甲基
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√ 单环烷烃 桥环烷烃√ 桥环烷烃 环烷烃 螺环烷烃 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: 单环烷烃的通式:CnH2n n=3,4 , n=5,6,7 , , n=8,9,10,11 , , , n≧12 ≧ 小环化合物 普通环化合物 中环化合物 大环化合物
1.丙烷与环丙烷 丙烷与环丙烷 2. 丙烯、 二甲基环丙烷、 丙烯、1,2-二甲基环丙烷、环戊烷 二甲基环丙烷
有机化学 第三章 环烷烃
第五节 张力学说 strain theory
1880年以前,只知道有五元环,六元环。 1880年以前,只知道有五元环,六元环。 年以前 1883年 W.H.Perkin合成了三元环 四元环。 合成了三元环, 1883年,佩金 W.H.Perkin合成了三元环,四元环。 1885年 A.Baeyer提出了张力学说 提出了张力学说。 1885年,拜尔 A.Baeyer提出了张力学说。
有机化学 第三章 环烷烃
与氢溴酸、 三 与氢溴酸、氢碘酸反应★
Br
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。
第四章环烷烃

第四章环烷炷基本内容和重点要求环烷轻的结构及其稳定性;环己烷及其衍生物的构象;脂环轻的化学性质重点要求掌握环己烷及其衍生物的构象;小环的开环规律。
4.1脂环轻的分类和命名具有环状结构的碳氢化合物称为环轻,环轻乂可分为脂环轻和芳香轻。
开链轻两端连接成环的化合物与链轻性质相似,称为脂环轻4.1.1分类心心眼计虹前铲村丁小环(c§c)中环(c3-c12){悔和脂环怪,单环烧、'叩脂环蛭{1普通环(eg,大环〔%以上)不饱和脂环烧多环大克螺环、稠环、桥环4.1.2脂环轻的命名1、单环脂环轻单环脂环轻的命名与烷轻相似,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:,\ Chi …一一PI4 —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:1O 5-甲基-1, 3-环戊二烯0 申…3-甲基环已煽环上取代基比较复杂时,环轻部分也可以作为取代基来命名。
如:CH2-甲基-3-环戊基戊烷2.、多环体系1)螺环两环共用一个碳原子的环烷轻。
螺原子:两个碳环共用的碳原子命名:按成环碳原子数称为螺X烷,编号从较小环中与共用碳相邻的碳原子开始,从小环经共用碳到大环,并使取代基位数最小。
方括号中(从小到大),标明两个碳环(除螺原子外)的碳原子数,数字用圆点分开。
取代基螺[X.Y]某烷4-甲基螺[2.4]庚烷2)桥环两环共用两个以上碳原子的环轻。
桥头碳原子:指定两环连接处的两个碳原子桥:两个桥头碳原子之间的碳链或一个键。
命名:以二环为词头,按成环碳原子个数称为二环X烷。
找出桥头碳,排出长短桥,编号从桥头开始从大桥到小桥,并使取代基位数最小。
在方括号中以阿拉伯数字由大到小分别标明桥碳原子数(桥头碳不计入)二环桥环轻:视为两个桥头问用三道桥连起来,放方括号中有三个数用圆点分开,(由长T中T短桥)取代基-环数[X.Y.Z]母体2-甲基二环[2, 2, 0]己烷2,8-二甲基-1-乙基二环[3.2.1]辛烷紫外光<^Y C1W+ HC14.2环烷炷的物理性质环烷轻的物理性质和递变规律与烷轻和烯轻相似,但亦有差别。
环烷烃

+ HBr
(主)
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四、氧化反应
环丙烷与烯烃既类似又有区别,环丙烷
有抗氧化能力,不使KMnO4水溶液褪色。
应用:环丙烷和不饱和烃
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31
空气 钴盐 OH
+
O
O
O2
O
+
O
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32
3.5 环烷烃的稳定性
椅式
2013-11-18
50
1 3 4 5 2 6
半椅式
2013-11-18 51
4
5
6
1
3
2
船式
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扭船式
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1. 椅式
5 4 3
6 2
1
2013-11-18
54
4
5
6
3
2
C3
1
碳1、2、4、5在同一平面上,是椅座。 碳1、5、6在同一平面上,是椅背。 碳2、3、4在同一平面上,是椅腿。
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
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。
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二、分子中的张力
现代理论认为:分子能量的升高,都是分
子中存在张力的结果。有机分子中可能存在 的张力主要有4种。 (1)Van der Waals张力——非键作用力。Enb (2)键张力——键长偏离正常值引起的张力。El
CH3 CH3
1,1-Dimethylcyclohexane
有机化学 第四章 环烷烃讲解

2, Bridged-ring alkane and fused-ring alkane 桥环烃和稠环烃
1)选母体:根据成环的总碳原子数及环数,称为“n环某烷”。
2)编号:从桥头碳开始;从最长桥开始。
3)书写:先写环数
方括号内沿着编号方向写出每个环中除桥头碳原子
H
4
H
H
H3 2H
H
1H
H
H H
H H
H
H H
H
蝴蝶状
蝴蝶式
部分交叉式 扭转张力较小
4
H2C
H2C 3
H H
1
2H H
6.3kJ/mol higher
全重叠式
2.5kJ/mol
envelop structure
信封式
half-chair structure
半椅式
如果:
具有多组全重叠式
Large ring 多于13个碳原子的环体系中,分子链一般呈皱折形
Cycloalkanes 第四章 环烷烃
Organic Chemistry A (1) By Prof. Li Yan-Mei Tsinghua University
Content
4.1 Classification, Isomerization and nomenclature 4.2 Structure of cycloalkanes 4.3 Physical properties & spectrum data 4.4 Chemical properties 4.5 Preparation (learn on your own)
有机化学课件Chapter环烷烃和芳香烃

9
2
1
3
8 6
4
7
5
8-甲基二环[4. 3. 0]壬烷
8-methylbicyclo[4. 3. 0]nonane
7
6 54
1 2
3
2, 7, 7-三甲基二环[2. 2. 1]庚烷
2, 7, 7-trimethylbicyclo [2. 2. 1]heptane
7
4
5
3
1
6
2 用","隔开
三环[2. 2. 1. 02, 6]庚烷
23
第四章 环烷烃和芳香烃
有机化学课件
24
第四章 环烷烃和芳香烃
4
Boat Conformer
Conformational Energy
有机化学课件
25
第四章 环烷烃和芳香烃
有机化学课件
26
第四章 环烷烃和芳香烃
直立键和平伏键(Axial and Equatorial Bonds)
四、单取代环己烷
Long-chain
有机化学课件
14
第四章 环烷烃和芳香烃
二、环大小与化学性质
五元以上 环烷烃
性质相似
链状烷烃
Cl2 / hv
Cl 自由基取代反应
H2 / Pt 催化加氢
HI
不反应 不反应
有机化学课件
15
第四章 环烷烃和芳香烃
三、小环化合物的特殊性质 —— 开环加成
1. 催化加氢
H2 / Pt, 50oC or Ni, 80oC
椅式构象的画法
有机化学课件
35
第四章 环烷烃和芳香烃
有机化学课件
36
1Chapter 3 Cycloalkanes一,异构和命名

O
thuja oil
cyclopregrol OH 3,5-环-6-羟基-17-醛基雄甾烷
17
十氢萘是两个环已烷并合的,它们的构象可以有多种 情况。环可以顺式并合,也可以反式并合,构象主要 是椅式 H H
H
H
反-十氢萘
H H
H
H
H
H
顺-十氢萘
14
十氢萘的顺反也可以下列方式表示
trans-
cis-
黑点表示有一个朝上的H.
环烷烃的反应
• 含三元环和四元环的化合物有一些特殊性 质, 它们易于开环成链状化合物,
Cl (H3C)3C
(H3C)3C
Cl
一取代环己烷能否都处在e-键上? 将一氯环己烷溶于惰性溶剂, 然后冷至-150℃ , 有晶体析出, 在低温下过滤, 检测结果证 明所得晶体为e-氯代环己烷.
Cl 低温下析出 Cl
二取代环己烷 由于环己烷中两个相邻的e键总是处于反位的, 即一个朝上, 另一 个就朝下, 因此邻位二取代化合物的构象就与这两基团是处于顺 式还是反式有关; 1,3-和1,4-二取代的情况也相似
CH3 H3C H H H H 3C H CH3
H H3C H CH3 H
CH3 H
CH3
13
CH3 H3C H H
H H3 C H CH3
CH3
CH3
H H
CH3 H
H
CH3
两个基团都处于e-键的构象的能位比都处于a-键的要低; 但在反1,3-二取代的情况下, 必有一个取代基在e-键而另一个在a-键, 这 时如果两个取代基不同, 哪种构象更稳定呢?
O2
+
O
O CrO3 35%
有机化学课件-3-环烷烃

105.5o,H-C-H键角114º:
HH
C
H
H
CC
H
H
C-C弯曲键电子云重叠面积较链状烷烃的小,故键的稳定性
较低。
(二)环丁烷和环戊烷:
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。呈信封式结构。
十氢萘有两种顺反异构体:
H
顺式:
或
H
H
反式:
或
H
Bp(0C) 187.3
195.7
顺式的构象: 反式的构象:
a
H
e
H H
e
e
H
反式的十氢萘内能更低一些;
H
H
Pd
500oC
H
H
9%
91%
4
5
6
7
8
△ H[(CH2)n]
n
-697.1 -686.2 -664 -658.6 -662.4 -663.6
(kJ/mol)
从环烷烃的开环反应条件(见本章§2)及燃烧热数据可以看出: 环丙烷最不稳定,环丁烷次之,环戊烷比较稳定,环己烷以上的 大环都稳定,这反映了环的稳定性与环的结构有着密切的联系。
H
H
HH
H
HH
H
环戊烷分子中,C-C-C夹角为108°,接近sp3杂化轨道间夹角
109.5°,环张力甚微,是比较稳定的环。因此,环戊烷的化学性
质稳定。
H
H H
H
H
H H
H HH
(三)环己烷
所有键的键角都接近于理想sp3杂化的109.50,故最稳定;
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Cycloalkanes第四章环烷烃Organic Chemistry A (1)By Prof. Li Yan-MeiTsinghua UniversityContent4.1 Classification, Isomerization and nomenclature4.2 Structure of cycloalkanes4.3 Physical properties & spectrum data4.4 Chemical properties4.5 Preparation (learn on your own)4.1 Classification, Isomerization and nomenclature4.1.1 Classification4.1.2 Isomerism4.1.3 Nomenclature4.1.1 ClassificationBy the size of the ring 按环的大小Small rings Medium ringsCommon ringsLarge ringsC3~C4C8~C12C5~C7C13~By the saturation 按不饱和度C n H2n C n H2n-2 C n H2n-4Cycloalkanes 环烷Cyclo olefines 环烯Cyclo alkynes 环炔Monocyclic compounds 单环By the number of the rings 按环的数目Polyring compounds 多环Fused ring 稠环Bridged ring 桥环Spiro rings 螺环两环之间共用一个碳原子两环之间共用一根共价键(共用两个直接相连的碳原子)两环之间共用两个不直接相连的碳原子螺原子桥头碳几环?To define the number of the rings:The number of cutting you need to get a chain molecule out of a poly ring compound将桥(稠)环烃变为链状化合物时需要断裂的碳链数。
如需断裂两次,则为二环化合物,断裂三次则为三环化合物。
Some interesting bridging compoundsCubane 立方烷Primane棱烷Diamentane金刚烷篮烷4.1.2 IsomerismConstitutional isomers are derivated fromthe change of size of rings and length ofside chainsC5H10环的大小及侧链长短与位置变化4.1.3 Nomenclature 命名4.1.3.1 Monocyclic alkane 单环烷烃1, When the side chain is not very complicate: 当支链不复杂时,以环烷烃为母体methylcyclopentane2-ethyl-4-methyl-1-propylcycloheptane1-ethyl-3-methylcyclopentane1,2-dimethylcyclopentane1,2-二甲基环戊烷甲基环戊烷1-甲基-3-乙基环戊烷4-甲基-3-乙基-1-丙基环己烷2, When the side chain is complicate or difficult to name:当支链较复杂或不易命名时,以环烷基为取代基3-cyclohexylhexane3-环己基己烷3, When two rings are connected 两环相连时Cyclopropylcyclohexane 环丙基环己烷Cyclopropylcyclopropane环丙基环丙烷4, Cis and trans isomerism:CH 3CH 3HHCH 3H CH 3HCH 3CH 3CH 3CH 3Cis-1,4-dimethylcyclohexaneTrans-1,4-dimethylcyclohexaneCH3CH3CH3How to name this compound ?4.1.3.2 Polyring alkane 多环烷烃1, Spiro cycloalkanes 螺环烃1)选母体:根据成环的总碳原子数,称为“螺某烷”。
2)编号:从小环开始;从第一个非螺原子开始。
3)书写:先写词头“螺”方括号内沿着编号方向写出每个环中除螺原子外的每个环的碳原子数数字之间用圆点隔开最后写出包括螺原子在内碳原子数的烷烃名称 12345678910螺[4.5]癸烷1“小原则”:在不违背螺环烃命名的“大”原则基础上,在编号时应尽可能令取代基的位号最小。
123456789 101-甲基螺[4.5]癸烷思考!1 23456789 10spiro[4.5]decane 螺[4.5]癸烷spiro[5.5]undecane 螺[5.5]十一烷1 23456789 106-methylspiro[4.5]decane 6-甲基[4.5]癸烷4-methylspiro[2.4]heptane 4-甲基[2.4]庚烷1)选母体:根据成环的总碳原子数及环数,称为“n 环某烷”。
2)编号:从桥头碳开始;从最长桥开始。
3)书写:先写环数方括号内沿着编号方向写出每个环中除桥头碳原子 外的每个环的碳原子数数字之间用圆点隔开最后写出包括桥头碳原子在内碳原子数的烷烃名称2, Bridged-ring alkane and fused-ring alkane 桥环烃和稠环烃12345678bicyclo[3.2.1]octane二环[3.2.1]辛烷注意:有两个桥头碳可供选择2,7,7-trimethylbicyclo[2.2.1]heptane2,7,7-三甲基二环[2.2.1]庚烷bicyclo[1.1.0]butane二环[1.2.0]丁烷For polycyclic compound as following 多元环Deciding the main ring 选“主环”:最大的环Choosing the main bridged carbon选“主桥头碳”:主环与非主环的最长桥共用的桥头碳Decide the serial number 编号:从主桥头碳开始;从最长桥开始Naming the compound书写(注意与非主桥相连的桥需注明所连桥的编号)1234567Tricyclic[2.2.1.02.6]heptane思考:12345678910Tricyclic[3.2.2.12.7]decanetricyclic[3.2.2.12.7]dacaneFused ringnaphthalene Hydrogenatednaphthalene Endo/exaOHH endoHOHexa区别:母体!4.2 Structure of cycloalkanes4.2.1 Baeyer’s strain theory4.2.2 Heat of combustion for cycloalkane 4.2.3 Current opinions4.2.4 Conformations of cyclohexane4.2.5 Configuration of decalinBefore 18801883Only penta rings and hexa rings were found. It was regarded that rings smaller than penta rings and bigger than hexa rings do not exist, or are not stable.W.H.Perkin synthesized C3, C4, and identified the relative reactivity: double bond > C3 >C4 ,while C5 and C6 rings are relatively more stable.1885 A.von.Baeyer put forward the strain theory4.2.1 Baeyer’s strain theory Bayer’s张力学说Assumption:1, carbon atoms in the ring are on the same plane;成环的碳原子均在同一同面上,且呈正多边形2, carbon atoms are sp3 carbon atoms;碳原子采取sp3杂化形式,正常键角应为约109.5度3, to meet some special angles in the ring, the bonds have to be bending;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外“屈挠”, “屈挠”的程度越大,体系越不稳定。
More bending More angle strain Higher energyLess stability60o90o108o120o129oMoststable?可解释一些体系的稳定性特点,但还有一些体系无法解释。
4.2.2 Heat of combustion for cycloalkaneHeat ofcombustion per CH2kJ/mol 697686664659662n658 Do not fit the strain theory!影响环体系稳定性的主要因素:☐角张力(Baeyer 张力)☐扭转张力☐范氏力4.2.3 Current opinionsCC C105.5oCC CBent Bond (弯曲键、香蕉键)角张力:109.50-105.50=40 12HHHH12CH233扭转张力:三组H-C-C 均处于全重叠式蝴蝶状蝴蝶式HHHHHH H HHHHHHH HH1234A nonplanar conformation 非平面构象也存在弯曲键 111.50角张力:111.50-109.50 = 20123HHH 2C H 2CHH4部分交叉式扭转张力较小6.3kJ/mol higher 全重叠式2.5kJ/molenvelop structure half-chair structure 信封式 半椅式如果:具有多组全重叠式Large ring多于13个碳原子的环体系中,分子链一般呈皱折形Strain energy in cycloalkanesName Angle strain Twist strain Van de waals C3Great Medium NoC4Great Medium NoC5Slight Medium NoC6No No NoC7~C12Medium Medium GreatC12~No No No4.2.4 Conformations of cyclohexaneA historyYear Name of scientist Point of view1883Baeyer Assumes that six carbon atoms are onthe same plane1890H.Sachse Two conformations may exist1915-1918W.M.Mohr Chair model and boat model 1920Cyclohexane was proved to benonplanar experimentally 1943O.Hassel Chair model is most stable(electron diffraction method) 1950 D.Barton Conformation analysis of cyclohexane4.2.4.1 Conformation of cyclohexane 250pmC 350pmChair Structure 椅式123456123HH H 2C C H 2H H 465H H H H 部分交叉式,扭转张力较小a 键Axial bonde 键Equatorial bondTwo types of C-H bondsin chair structureBoat structure 船式结构183pm Van de waal radius of H atom is 120pm, so the two adjacent hydrogen atoms causes serious excluding.存在范氏力123456H H H H 651H H 2C H H HH 2C 423全重叠式,存在扭转张力2、3、5、6碳处于同一平面FlagpoleinteractionTwist boat structure 扭船式H H H H H H H H H HH H 123456123456123456Half chair structure 半椅式123456123456Potential energy of the conformations 各种构象势能关系图Potential energy46kJ/molprocess椅式构象之间的转变:Potential energy46kJ/molReaction process4.2.4.2 mono substituted cyclohexaneCH 3HCH 3H250pmr.t.5 %95 %Reason 1: Van de waals forcesAtom H CH 2CH 3N P O R/pm 120200200150190140Atom S F Cl Br I R/pm185135180195215CH 3HCH 3H250pmr.t.1,3-二直立键相互作用6116Reason 2: Torsional strain16 2H HC C H3CH5a 键162C HHC CH3H5CH3HCH3He 键6161结论与推论:1、一取代时,取代基趋向于处于e键2、若有多个取代基,在满足顺反构型关系的前提下,则越多取代基处于e键时越稳定。