Transcript 第6章脂环烃
第六章 6.1 6.2 6.3 6.4 脂 环 烃（4课时） 环烷烃的命名法 环烷烃的性质 环的张力---张力分子 环己烷的构象 [email protected] 教学要求 掌握环烷烃、环烯烃的命名方法。 掌握单环环烷烃的化学性质。 理解环烷烃中的角张力概念，认识环的稳定 性与环的大小的关系。 掌握环己烷及其取代环己烷的构象分析方法。 [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 脂环烃的概念： 分子中含有碳环构造，其性质却与开链的脂 肪族化合物非常相似的一类化合物，叫做脂 环化合物。 由碳、氢两种元素组成的脂环化合物，叫做 脂环烃。 [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.1分类 (1)饱和脂环烃 环烷烃(通式 CnH2n)如： CH3 不饱和脂环烃 环烯烃 [email protected] 环炔烃 如： 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.1分类 (2)环的大小 小环(C3-C4） 普通环(C5-C7） 中环(C8-C12）大环(C12以上 ) ⑶环的多少 单环；多环(十氢化萘） (以六元环化合物最为常见) [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.2异构现象（教材没讲，可作笔记） (1)碳架异构 CH3 如：C5H10 CH2CH3 CH3 CH3 CH3 P73习题2 [email protected] CH3 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.2异构现象 (2)顺反异构 分子中原子或基团的连接顺序或方式相同, 但 空间排列方式不同。环不能无限扭曲导致环烷 烃的顺反异构。 [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.2异构现象 (2)顺反异构 规定：假定所有环碳原子共平面，把它作为参考平 面，两个相同取代基在平面同侧的叫顺式，在平面 异侧的叫反式。不相连两个碳上的取代基也可以确 定顺反位。如：1,2,3,4-四甲基环丁烷： [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.2异构现象 (2)顺反异构 H 3C H CH3 H 3C H H 顺 -1,2 -二 甲 基 环 丙 烷 H CH3 反 -1,2-二 甲 基 环 丙 烷 [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.2异构现象 (2)顺反异构 环丁烷： [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.2异构现象 看两个不相连碳原 子(对角线）上甲 基的位置 (2)顺反异构 1,2,3,4-四甲基环丁烷： 顺,反 顺,顺 反,反 [email protected] 顺,顺 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.2异构现象 如：C5H10 (3)官能团异构 ------ 烯烃 CH3-CH2-CH2-CH=CH2 等 [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.3 命名 (1)环烷烃的命名 (a）根据分子中成环碳原子数目，称为环某烷。 (b）把取代基的名称写在环烷烃的前面。 (c）取代基位次按“最低系列”原则列出，基团顺序 按“次序规则”小的优先列出。 [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 (1)环烷烃的命名 例如： 1 [email protected] 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 (1)环烷烃的命名 例如： 1 反-1, 2-二甲基环戊 烷 顺-1, 2-二甲基环戊烷 [email protected] 1-环丁基戊烷 6.1 环烷烃的分类、异构与命名法 6.1.3命名 (2)环烯烃的的命名 （a）称为环某烯 （b）以双键的位次和取代基的位次最小为原则 二 [email protected] 练习 P73----习题1， 2（命名） [email protected] 6.2 环烷烃的性质 6.2.1物理性质 P73 [email protected] 6.2.2环烷烃的化学性质 小环像烯 (发生开环加成反应)，其他脂环烃性质像烷。 1、加成反应(小环) 加氢 H 2 Ni C H 3C H 2C H 3 8 0 oC Br 2 ,CCl 4 常温 HBr 条件 苛刻 + H2 + H2 C H 3C H 2C H 2B r N i 2 0 0 0C Pt B r C H 2C H 2C H 2B r C H 3C H 2C H 2C H 3 C H C H 2C H 2C H 2C H 3 3 3 0 [email protected] 0 0C 6.2.2 环烷烃的化学性质 小环像烯 (发生开环加成反应)，其他脂环烃性质像烷。 1、加成反应(小环)加卤素 [email protected] 6.2.2 环烷烃的化学性质 小环像烯 (发生开环加成反应)，其他脂环烃性质像烷。 1、加成反应(小环) 加HX, H2SO4 取代环丙烷与HCl反应时,含H最多和含H最少 的C-C键断开，产物符合Markovnikov规则。 H 3C CH3 + HCl CH3 CH3 C H 2 C H C ( C H 3) 2 H [email protected] Cl 6.2.2 环烷烃的化学性质 小环像烯 (发生开环加成反应)，其他脂环烃性质像烷。 1、加成反应(小环)加HX, H2SO4 [email protected] 6.2.2 环烷烃的化学性质 小环像烯 (发生开环加成反应)，其他脂环烃性质像烷。 2、自由基取代反应 P74 hν + Cl2 Cl 或加热 [email protected] + HCl 6.2.2 环烷烃的化学性质 小环像烯 (发生开环加成反应)，其他脂环烃性质像烷。 3、氧化反应 KMnO 4 由此看出环烷烃性质确实像脂肪族饱和 烃---烷烃。如何鉴别环烷烃与烯烃？ [email protected] 练习 P74----习题3，4，5 [email protected] 6.3 环的张力—张力分子 ⑴加氢 环丙烷 环丁烷 环戊烷（条件苛刻） ⑵加溴 ⑶加溴化氢 环丙烷 环丁烷 环丙烷 从环烷烃的化学性质可以看出，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。 [email protected] 6.3 环的张力—张力分子 6.3.1环丙烷的结构 理论上：(1) 饱和烃，C为sp3杂化, 键角为109.5° (2) 三碳环，成环碳原子应共平面,内角为 60°（两者矛盾） [email protected] 6.3 环的张力—张力分子 6.3.2张力学说 环丙烷：键角 C-C-C = 105.5°;H-C-H =114° 环丙烷环中两个相邻碳 原子以sp3杂化轨道形成 C—C σ键时，不能沿对 称轴在一条直线上重叠， 只能以弯曲的方式重叠。 C C 60O 105.5 0 C 因此重叠程度较少而不稳定，容易断裂。弯曲的σ键，称 弯曲键。其键角为 105.5°，因键角要从109.5°压缩到 [email protected] 105.5°，故环有一定的张力（角张力）。 6.3 环的张力—张力分子 6.3.2张力学说 另外环丙烷分子中还存 在着另一种张力——扭转张 力（由于环中三个碳位于同 一平面，相邻的C-H键互相 处于重叠式构象，有旋转成 交叉式的趋向，这样的张力 称为扭转张力）。 C C [email protected] 60O 105.5 0 C 6.3 环的张力—张力分子 6.3.2张力学说 由此可见，环丙烷分子中存在着较大的张力（角张力 和扭转张力），是一个有张力环，所以易开环，发生 加成反应。键角变形的程度越大，张力越大。张力使 环的稳定性降低，张力越大，环的反应活性也越大。 [email protected] 6.3 环的张力—张力分子 6.3.2张力学说 ⑴乙烷 重叠式构象比交叉式构象能量高的原因：扭转张力 ⑵丁烷 重叠式构象比交叉式构象能量高的原因：扭转张力+ 立体张力 ⑶环丙烷、环丁烷分别比丙烷、丁烷的能量高，稳定性小的 原因：主要来自角张力，也存在扭转张力。 扭转张力、立体张力、角张力是有机化合物分子中的三种 张力，但有本质不同。 [email protected] [email protected] 6.4 环己烷的构象 椅型和船型是环己烷的两种不同的 构造：分子中原子互相连接的方式和次序； 典型（极限）构象 （理论上有无穷多个构象） 构型：在构造式的基础上，分子中原子的空间排列 方式；（如1，2-二甲基环丙烷） 构象：由于围绕单键旋转而产生的分子中原子在空 间不同排列形式。 构型和构象都属于立体异构。 二者像背靠背的两把椅子 思考：环己烷碳原子是什么杂化？理论上键角应该是多少度？ 角张力大小？六个碳原子能否共平面？ [email protected] 船 型 椅 型 6.4 环己烷的构象 6.4.1环己烷的椅型构象和船型构象 通过键角的扭动和σ键的旋转，椅型构象和船型 [email protected] 构象可以相互转变。椅型是稳定构象。 6.4 环己烷的构象 6.4.1环己烷的椅型构象和船型构象 (1)椅式构象稳定的原因： 交叉式构象 模 型 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.1环己烷的椅型构象和船型构象 (1)椅式构象稳定的原因： 透 视 式 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.1环己烷的椅型构象和船型构象 (1)椅式构象稳定的原因： 纽 曼 投 影 式 ③ ② ① ④ [email protected] 交叉式构象 ⑤ ⑥ 6.4 环己烷的构象 6.4.1环己烷的椅型构象和船型构象 (1)椅式构象稳定的原因： [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.1环己烷的椅型构象和船型构象 (2)船式构象不稳定的原因： 立体张力 扭转张力 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.1环己烷的椅型构象和船型构象 (2)船式构象不稳定的原因： 存在何种立体效应 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.2环己烷分子中的a键和e键 在椅式构象中C-H键分 为两类。 第一类六个C-H键与分 子的对称轴平行，叫做 直立键或a键（其中三 个向环平面上方伸展， 另外三个向环平面下方 伸展）； 第二类六个C-H键与直 立键形成接近109.5° 的夹角，平伏着向环外 伸展，叫做平伏键或e 键。如图： [email protected] 上 下 交 替 6.4 环己烷的构象 6.4.2环己烷分子中的a键和e键 在室温时，环己烷的椅式构象可通过C-C键 的转动（而不经过碳碳键的断裂），由一种椅 式构象变为另一种椅式构象，在互相转变中， 原来的a键变成了e键，而原来的e键变成了a键。 如 图 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.2环己烷分子中的a键和e键 当六个碳原子上连的都是氢时，两种构象是同一构 象。连有不同基团时，则构象不同。 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.3 一取代环己烷的构象 一元取代环己烷中，取代基可占据a键，也可占 据e键，但占据e键的构象更稳定。 二者是什么关系？ 构象异构体 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.3一取代环己烷的构象 哪一个立体张力大呢？ a型 [email protected] 6.4 环己烷的构象 6.4.3一取代环己烷的构象 背靠背的两把椅子 原因：a键取代基结构中的非键原子间斥力比e键取代基的大 （因非键原子间的距离小于正常原子间的距离-范德华半径 所致）。从下图中原子在空间的距离数据可清楚看出。取代 [email protected] 基越大e键型构象为主的趋势越明显。 6.4 环己烷的构象 6.4.3一取代环己烷的构象 是扭转张力吗 是立体张力 如何解释？ 是角张力 吗 从上图可看出,取代基越大e键型构象为主的趋势越 [email protected] 明显。 小 结 单环环烷烃的结构与稳定性 环戊烷、环己烷 —— 取代反应 环丙烷、环丁烷 —— 易开环并发生加成 环己烷和取代环己烷的构象 椅式构象(优势构象) 环己烷的构象 船式构象 [email protected] 小 结 一元取代基主要以e键和环相连。 多元取代环己烷最稳定的构象是e键上 取代基最多的构象。 环上有不同取代基时，大的取代基在e 键上构象最稳定。 [email protected] 练习 P79----习题6(1)(4) ，8， 11 [email protected] 作业 P79----习 题 6(2) (3),7,9,10 [email protected] [email protected] [email protected]