第五章 脂环烃1.ppt

第五章脂环烃 alicyclichydrocarbons 前面几章所学的都是开链的烃 又叫脂肪烃 本章要学的烃类化合物是在结构上具有环状的碳架结构 但其性质又与开链的脂肪烃相似 因此 它们被称为脂环烃 5 1分类与命名一 分类 脂环烃的分类 f 多环脂肪烃 多环脂肪烃种类繁多 它们一般都有自己的俗名 二 命名 1 环烷烃的命名 与烷烃相似 称环某烷 有取代基时 编号应满足最低系列规则和取代基位次之和最小原则 脂环烃的顺反异构 2 环烯烃的命名 环烯烃的命名与烯烃相似 称环某烯 有取代基时 编号应从一个双键碳开始 到另一个双键碳 在双键位次最小的前提下 再考虑取代基最低系列规则和位次之和最小原则 3 螺环化合物的命名 如果两个碳环共用一个碳原子 叫螺环化合物 这个共用的碳原子叫螺原子 螺环化合物命名规则 1 根据成环碳原子的总数称为螺 某烷 把连接于螺原子的两个环上碳原子数目按由小到大的次序写在方括号内 2 有取代基时 编号从与螺原子相连的小环碳原子开始 经小环 过螺原子 到大环 并尽量是取代基的位次最小 如有官能团 优先考虑官能团位次最小 4 桥环化合物的命名 如果两个碳环共用两个或两个以上的碳原子 叫桥环化合物 两个共用的碳原子叫桥头碳 其它碳组成的三条碳链叫作桥 命名规则 1 根据成环碳原子的总数称为二环 某烷 把三条桥按碳原子数目由大到小的次序写在方括号内 2 有取代基时 编号从一个桥头碳开始 沿最长桥 经第二桥头碳 到次长桥 最后到最短桥 3 如果有官能团 在等长桥中 应优先使官能团位次最小 桥环化合物的命名 4 当桥环化合物再多一条桥时 命名为三环 某烷 把最短的没与桥头碳相连的桥的碳原子数写在方括号的最后 并用数字标明它的位置 两个数字之间用逗号分开 如 5 2环烷烃的结构与稳定性 1 环烷烃的张力与稳定性在环烷烃中 碳环的大小不同 稳定性也有很大差异 从它们的燃烧热可以看出变化趋势 由于碳原子数越多 燃烧热越大 为了能相互比较 将总燃烧热除以亚甲基的数目 就得到单位亚甲基的燃烧热 Hc n 张力能 Hc n随环的大小而不同 并且 都高于或等于开链烷烃亚甲基的燃烧热 燃烧热越高 越不稳定 常把比开链烷烃高出的这部分能量叫作张力能 于是得到单位亚甲基的张力能和总张力能 张力能的变化趋势 可以看出 环烷烃的张力能与稳定性的变化趋势如下图 2 环丙烷的结构 在环丙烷中 三个碳都是SP3杂化 但却是一个正三角形分子 内角只有60度 环丙烷的结构 另外 在环丙烷分子中还存在着两种张力 1 由于碳的键角只有104 小于正常的SP3轨道夹角 存在着一种张力 这种由于键角偏离正常键角而引起的张力叫做角张力 2 在环丙烷分子中 由于三个碳处于一个平面上 相邻两个碳上的C H键都是处于重叠式状态 因此还存在着扭转张力 3 环丁烷的结构 环丁烷与环丙烷结构相似 它的C C键也是弯曲键 但由于多了一个亚甲基 弯曲的程度要小一些 它的键角也偏离了正常键角 也有角张力 但由于偏离程度较小 角张力也较小 假如它的四个碳都在一个平面上 由于相邻两个碳上的C H键都处于重叠式位置 应有较大的扭转张力 实际上 为了减少扭转张力 在环丁烷的结构中 有一个C伸出平面之外 形如蝴蝶 两 翼 上 下摆动 4 环戊烷的结构 环戊烷的C原子如果都在同一平面上 它的内角 108 接近正常键角 但由于所有C H键都呈重叠式 扭转张力较大 因此 为了减少扭转张力 满足正常的键角 它也采取非平面结构 即四个C基本在一个平面上 另一个C伸出平面之外 处于平面的上 下方 这种结构像信封一样 因此 称做 信封式 构象 环戊烷的结构与稳定性 在环戊烷的信封式构象中 1 它的C C键已经是正常的 键 键角也能满足正常的键角 无角张力 因此 环戊烷比较稳定 不像前两者那样易于发生开环反应 2 它的C2 3 4 5上的C H键还处于重叠式状态 有一定的扭转张力 所以 环戊烷还不是最稳定的环 5 环己烷的结构与构象 环己烷是最稳定的环烷烃 为了保持正常的键角 它的六个碳不在一个平面上 典型的构象有两个 即椅式和船式构象 1 椅式构象椅式构象有以下特点 A 6个碳分别处于两个相互平行的平面上 其中 C1 3 5在一个平面上 C2 4 6在一个平面上 有一个对称轴垂直于这两个平面 环己烷的结构与构象 B 所有的键都是正常的 键 所有的键角都是109 5 无角张力 C 所有相邻的碳上 C H键都处于交叉式位置 也无扭转张力 D 12个C H键分为两类 其中6个与对称轴平行 垂直于两个平面 叫直立键 又叫a键 6个a键上下交替排列 另外6个与对称轴成109 5度 斜着伸向环的外侧 叫平伏键 又叫e键 6个e键也是上下交替排列 环己烷的构象 E 两个椅式构象可以自由翻转 翻转后 上面的三个碳转到下面 下面的三个碳转到上面 6个a键全部变成e键 6个e键全部变成a键 环己烷的结构与构象 2 船式构象 A 所有的键角都是109 5度 无角张力 B C2和C3 C5和C6上的氢叫船梆氢 处于重叠式位置 有扭转张力 C C1和C4上斜着向上的两个氢叫旗杆氢 两者相距较近 只有0 183nm 小于两氢原子的范德华半径之和 0 240nm 存在着一种斥力 这种由于两个原子靠得太近 小于两个原子的范德华半径之和而引起的张力 叫做范德华张力 3 取代环己烷的构象 两种椅式构象可以自由翻转 但如果有一个氢被甲基取代后 从立体的角度看 当甲基处于a键上时 甲基与C3 C5上的直立的H原子距离较近 存在着范德华张力 分子内能较高 当甲基处于e键上时 由于是斜着伸向环的外侧 无这种张力 分子内能较低 从纽曼投影式看 当甲基处于e键上时 与C5亚甲基处于对位交叉式位置 较稳定 而甲基处于a键上时 与C5亚甲基处于邻位交叉式位置 存在一定的扭转张力 取代环己烷的稳定性 可以看出 当甲基处于a键上时 存在着范氏张力和扭转张力 内能提高 稳定性低于甲基处于e键上的构象 实验测得 二者的能量差约为7 5KJ mol 因此在室温下的动态平衡中 甲基处于e键上的构象约占95 可以想像 处于a键上的取代基越大 张力就越大 稳定性就越低 二者的能量差就越大 取代基处于e键上所占的比例就越大 如在叔丁基环己烷中 几乎全部都处于e键上 取代环己烷的构象 如果环上有两个甲基时 它们的稳定性顺序为 ee ae aa 如果两个取代基不同 对于ae型来说 大基团处于e键斥力较小 较为稳定 如 在满足顺反关系的前提下 最稳定的构象是处于e键上较多的构象 6 十氢萘的结构与稳定性 十氢萘是双环 4 4 0 癸烷的习惯名称 它有顺式和反式两种构象 一个是顺式十氢萘 一个是反式十氢萘 在顺式构象中 处于环下方几个a键上的氢比较靠拢 存在着范氏张力 故分子内能较高 稳定性较小 而反式构象比较平展 没有多大的张力 比较稳定 所以 十氢萘的稳定性是 反式 顺式 小结 综上所述得出以下结论 1 环丙烷的C C键是弯曲键 重叠程度小 键能小 带有部分 键的性质 分子中还存在着