5--环烷烃

19 第二章 烷烃和环烷烃

学习目标

1. 掌握：烷烃和环烷烃的定义、通式、同分异构现象；烷烃和环烷烃的系统命名法；烷烃和环烷烃的主要化学性质；

2. 熟悉：烷烃和环烷烃空间结构；烷烃和环烷烃类型；乙烷和环己烷的优势构象； 直立键和平伏键；

3. 了解：饱和碳原子SP3杂化特点；角张力与环烷烃稳定性关系；烷烃在医学上的应用；烷烃和环烷烃的物理性质..

有机化合物简称有机物中有一类数量众多;组成上只含碳、氢两种元素的化合物;称为碳氢化合物;简称烃hydrocarbon..烃分子中的氢原子被其他种类原子或原子团替代后;衍生出许多其他类别的有机物..因此;烃可看成是有机物的母体;是最简单的一类有机物..根据结构的不同;烃可分为如下若干种类..

烃在自然界中主要存在于天然气、石油和煤炭中;是古老生物埋藏于地下经历特殊地质作用形成的;是不可再生的宝贵资源;是社会经济发展的主要能源物质;也是合成各类生活用品和临床药物的基础原料..本章讨论两类饱和烃——烷烃和环烷烃..

第一节 烷烃

分子中碳原子彼此连接成开放的链状结构的烃称为开链烃;因其结构与人体脂肪酸链状结构相似又称脂肪烃;具有这种结构特点的有机物统称脂肪族化不饱和开链烃

烃 饱和开链烃—烷烃

脂环烃环烷烃、环烯烃等

闭链烃

环烃 开链烃

脂肪烃

芳香烃 烯烃

炔烃 20 合物..分子中原子间均以单键连接的开链烃称为饱和开链烃;简称烷烃alkane..

一、 烷烃的结构、分类和命名

一烷烃的结构

1.甲烷分子结构 甲烷是家用天然气的主要成分;也是农村沼气和煤矿瓦斯的主要成分;广泛存在于自然界中;是最简单的烷烃..

甲烷分子式是CH4;由一个碳原子与四个氢原子分别共用一对电子;以四个共价单键结合而成..如下图2-1a所示..

图2-1a 图2-1b 图2-1c

图2-1 甲烷分子结构示意图

结构式并不能反映甲烷分子中的五个原子在空间的位置关系..原子的空间位置关系属于分子结构的一部分;因而也是决定该物质性质的重要因素..化学学科常借助球棍模型来形象地表示有机物分子的空间结构不同颜色和大小的球表示不同原子;小棍表示共价键..根据现代物理方法研究结果表明;甲烷分子空间结构如图2-1b所示..但是球棍模型这种表示书写起来极不方便;要将甲烷的立体结构在纸平面上表示出来;常通过实线和虚线来实现..如图2-1c所示;虚线表示在纸平面后方;远离观察者;粗实线楔形表示在纸平面前方;靠近观察者;实线表示在纸平面上;这种表示方式称透视式..

烷烃

烷烃即饱和烃（saturated group)，是只有碳碳单键的链烃，是最简单的一类有机化合物。烷烃分子里的碳原子之间以单键结合成链状(直链或含支链)外，其余化合价全部为氢原子所饱和。烷烃分子中，氢原子的数目达到最大值，它的通式为CnH2n+2。分子中每个碳原子都是sp3杂化。最简单的烷烃是甲烷。

烷烃中，每个碳原子都是四价的，采用sp3杂化轨道，与周围的4个碳或氢原子形成牢固的σ键。连接了1、2、3、4个碳的碳原子分别叫做伯、仲、叔、季碳；伯、仲、叔碳上的氢原子分别叫做伯、仲、叔氢。

为了使键的排斥力最小，连接在同一个碳上的四个原子形成四面体(tetrahedron)。甲烷是标准的正四面体形态，其键角为109°28′（准确值：arccos(-1/3)）。

理论上说，由于烷烃的稳定结构，所有的烷烃都能稳定存在。但自然界中存在的烷烃最多不超过50个碳，最丰富的烷烃还是甲烷。

由于烷烃中的碳原子可以按规律随意排列，所以烷烃的结构可以写出无数种。直链烷烃是最基本的结构，理论上这个链可以无限延长。在直链上有可能生出支链，这无疑增加了烷烃的种类。所以，从4个碳的烷烃开始，同一种烷烃的分子式能代表多种结构，这种现象叫同分异构现象。随着碳数的增多，异构体的数目会迅速增长

烷烃还可能发生光学异构现象。当一个碳原子连接的四个原子团各不相同时，这个碳就叫做手性碳，这种物质就具有光学活性。

烷烃失去一个氢原子剩下的部分叫烷基[1]，一般用R-表示。因此烷烃也可以用通式RH来表示。

烷烃最早是使用习惯命名法来命名的。但是这种命名法对于碳数多，异构体多的烷烃很难使用。于是有人提出衍生命名法，将所有的烷烃看作是甲烷的衍生物，例如异丁烷叫做2-一甲基丙烷。

现在的命名法使用IUPAC命名法，烷烃的系统命名规则如下：

找出最长的碳链当主链，依碳数命名主链，前十个以天干(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸)代表碳数，碳数多于十个时，以中文数字命名，如：十一烷。

3.1、画出下列化合物最稳定的构象式：

1.1－甲基－1－正丙基环己烷

答案:

2.顺－1－甲基－4－叔丁基环己烷

答案:

答案:

答案:

解答:

在此构象中有二个 (e)，二个 (α)键，如果将此构象翻转

成另一构象，同样得二个 (α)和二个 (e)键，只是原来的

e，α键互换，但翻转后的构象中却有严重的 / 1,3-相互作

用，所以翻转后构象不如前者稳定。 3.2、比较下列各组化合物的燃烧热大小。

解答

各组相对应的化合物都互为异构体（构造、构型或构象），具有相同的碳、氢原子数，所以完全燃烧后得到相同摩尔数的CO2和H2O，回到相同的能量基准线上，因此比较各组化合物的相对稳定性（位能高低）就可以得出其燃烧值的相对大小。

1.>2.<3.< 4.< 5.>

3.3、判断下列环烃化合物的结构是否正确？为什么？

解答:

其中(c)和(d)是错误的，它们分别为三元环与六元环，四元环与五元环以反式稠合在一起，这在空间上是做不到的，而顺式稠合却不受环大小的影响，所以(a)是正确的。(e)和(f)是较大的环以反式稠合，是做得到的，也是正确的。(b)是螺环，不受环大小的影响，所以(b)也是正确的

3.4、画出1,3-二叔丁基环己烷的构象式。

解答:

3.5、写出三环[3.2.1.0.1,5] 辛烷与 在－60℃时反应的产物。

解答:

3.6、如何解释环丙烷中氢的酸性比丙烷中氢的酸性大。

解答:

3.7. 下列化合物有顺反异构的是（ ）

A.十氢萘 B. 1,1-二甲基环戊烷 C.1,3-二甲基环戊烷

D. 2-乙基环戊烷

E. 1,2-二甲基环戊稀

3.8. 环丙烷在室温下与Br2/CCl4反应的主要产物是（ ）

A. B. C. D. 3.9 写出分子式符合C5H10的所有脂环烃的异构体（包括顺反异构）并命名。

答案：

C5H10 不饱和度Π=1

40 第五章 脂环烃

一.目的要求

了解环烷烃通式、分类、命名和异构、环烷烃的物理性质。理解环的结构和稳定性，掌握环烷烃的化学性质。

二.本章内容小结

1. 脂环烃的定义

由碳原子连接成环，性质与脂肪烃相似的烃类化合物总成为脂环烃。按照成环特点，一般可将脂环烃分为单环脂环烃和多环脂环烃。

2. 脂环烃的命名

单环脂环烃命名与脂肪烃类似，只是在相应的脂肪烃前加一“环”字。如：

环戊烷， 甲基环丁烷

桥环化合物的命名一般采用固定格式：双环[a.b.c]某烃(a≥b≥c)。

先找桥头碳（两环共用的碳原子），从桥头碳开始编号。沿大环编到另一个桥头碳，再从该桥头碳沿着次大环继续编号。分子中含有双键或取代基时，用阿拉伯数字表示其位次。如：

7, 7-二甲基二环[2, 2, 1]庚烷

螺环化合物命名的固定格式为：螺[a.b]某烃(a≤b)。命名时先找螺原子，编号从与螺原子相连的碳开始，沿小环编到大环。如：

螺[4.4]壬烷

3.环烷烃的结构与稳定性

环烷烃的成环碳原子均为sp3型杂化。除环丙烷的成环碳原子在同一个平面上以外，其它环烷烃成环碳原子均不在同一个平面上。在环丙烷分子中由于成环碳原子间成键时sp3型杂化轨道不能沿键轴方向重叠，而是以弯曲方向部分重叠成键，导致环丙烷张力较大，分子能量较高，很不稳定，容易发生开环反应。所以在环烷烃中三元环最不稳定，四元环比三元环稍稳定一点，五元环较稳定，六元环及六元以上的环都较稳定。注意桥头碳原子不稳定。

4. 环己烷以及取代环己烷的稳定构象

环己烷在空间上可以形成多种构象，其中椅式和船式构象为两种极限构象，前者比后者更加稳定。一般说来，取代环己烷的取代基处于椅式构象的平伏键时较为稳定。因此多取代环己烷的最稳定的构象为平伏键取代基最多的构象。如果环上有不同取代基，较大的取代基在平伏键上的构象最稳定。

5. 环烷烃的化学性质

环丙烷和环丁烷的化学性质和烯烃相似，能开环进行加成反应。并且与氢卤酸加成符合马氏规则。但小环环烷烃对氧化剂稳定，不与高锰酸钾或臭氧作用。