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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。
第四章环烃（Chapter 4 Cyclohydrocarbons）4.0知识回顾（Review）脂环烃：（alicyclic hydrocarbon）* 环烃：碳链结成环状的烃类芳香烃：（aromatic hydrocarbon）*脂环烃：•组成之比相应的开链脂肪烃少两个氢原子；•性质与相应的开链脂肪烃相似。
环烷CnH2n，环单烯CnH2n-2，环单炔CnH2n-4（n≥3）。
*芳香烃：•通式：CnH2n-6（n≥6）；•结构特点：SP2杂化轨道。
苯环有σ键（C-H）和大п键（C-C），同系物有烃基侧链；•化学通性：苯环不与KMnO4溶液反应，侧链能被KMnO4溶液氧化，能与卤素、硝酸等起取代反应。
可跟氢气、氯气等起加成反应；可燃。
Ⅰ脂环烃（Alicyclic Hydrocarbon）4.1脂环烃的命名和异构（Nomeclature & Isomerism）1)命名：①简单环烃只需在相应脂肪烃的名称前加一“环”字；②对取代环烃的碳链编号时,应使所有取代基的位置号尽可能最小，且较优的基团给以较大的编号；③环上有不饱和键时，应使其位置号最小；④简单的环上连有较长的碳链时，可将环作取代基。
如:环丙基庚烷取代基位置异构2)异构：①碳链异构；②立体异构。
环结构异构* 小环：3~4C；普环：5~7C；中环：8~11C；大环：12C以上。
4.2环烷的结构（Structure of Cycloalkanes）* 环烷烃中C原子为SP3杂化,通常环烷中的C-C键角不等于杂化轨道间的夹角.因此C-C键间的电子云并未达到最大程度的重叠,因此环烷的稳定性比相应的直链烷烃低。
通常叫“分子内存在张力”，这种张力是因键角偏差引起故称“角张力”。
环烷中C原子数↘，键角偏差↗，角张力↗，稳定性↘。
这种带有角张力的结构常被形象的称为“弯曲的键”（banana bond 香蕉键）*三元以上的环，成环原子可不在同一平面内。
如这样可使C-C间杂化轨道渐趋正常，键角和最大程度重叠。
烷烃与环烷烃的结构与性质烷烃（Alkanes）是由碳（C）和氢（H）元素组成的最简单的有机化合物，由于不含双键或三键，因此其化学性质相对较为稳定。
而环烷烃（Cycloalkanes）则是烷烃中的一个特殊类别，其碳原子通过共享化学键形成环状结构。
本文将深入探讨烷烃和环烷烃的结构和性质。
一、烷烃的结构与性质烷烃的结构特点主要包括碳骨架的直线链状构型以及其化学键的特性。
烷烃中的碳原子都采用sp3杂化，形成四个σ键。
由于烷烃中只存在碳碳单键和碳氢键，因此分子间无极性键，电子云分布均匀，呈现出较小的极性。
这也是烷烃较为稳定且不易发生反应的原因。
烷烃的物理性质主要包括密度、沸点和熔点。
烷烃的密度较小，随着碳链长度的增加而增加。
由于烷烃之间的相互吸引作用较弱，分子间力为范德瓦尔斯力，因此密度较低。
沸点和熔点也随着碳链长度的增加而增加，但增幅逐渐减小。
烷烃的化学性质主要表现在其不活泼的化学反应中。
由于sp3杂化碳原子上的电子密度较小，碳原子与其他原子的相互作用较弱，因此烷烃不容易与其他物质发生反应。
但在适当条件下，烷烃可以通过氧化、还原、卤原子取代等反应来进行功能化。
此外，烷烃在氧气存在下会发生燃烧反应，生成二氧化碳和水。
二、环烷烃的结构与性质环烷烃是由碳原子通过共享化学键形成环状结构的一类化合物。
与烷烃相比，环烷烃具有更为复杂的分子结构和性质。
环烷烃的环状结构使得分子内部存在较大的张力，这种张力可以通过环的扭曲、马登环或突破环破坏而释放。
环烷烃的物理性质与烷烃相似，但由于分子内部的张力存在，环烷烃的沸点和熔点一般较烷烃高。
与烷烃相比，环烷烃的流动性较差，不易蒸发。
环烷烃的化学性质也相对复杂。
由于环状结构中的张力，环烷烃分子更容易发生裂环反应以释放内部的张力。
此外，环烷烃的稳定性也受到环的大小和分子的对称性等因素的影响。
较小的环烷烃由于较高的张力，更容易发生化学反应。
环烷烃中的环可以存在多个不同的构型，如环的位置、取代基的选择等，这些因素都会对环烷烃的性质产生影响。
2.2 环烷烃Cycloalkane2.2.1 环烷烃的分类、异构和命名Classification，Isomerism and Nomenclature of Cycloalkanes(1) 分类。
环烷烃按成环碳原子数目可分为小环（含3-4个碳原子）、普通环（含5-7个碳原子）、中环（含8-11个碳原子）和大环（含12个及以上碳原子），目前己知有三十碳环烷。
根据分子中碳环的数目还可分为单环、二环或多环脂环烃。
在二环化合物中，两个环共用一个碳原子的称为螺环烃(Spiro hydrocarbon ，a)；两个环共用两个或两个以上碳原子的称为桥环烃(Bridged hydrocarbon ，b)。
例如：(a) (b)(2) 异构现象 (Isomerism)。
单环烷烃通式为CnH2n，与碳原子数目相同的链单烯烃（见第三章）互为同分异构体。
例如，分子式为C4H8的环烷烃异构体为：环丁烷甲基环丙烷1－丁烯2-丁烯2-甲基丙烯此外，由于环烷烃分子中碳环上的碳-碳σ键不能自由旋转，当环上有两个或两个以上的取代基连在不同的碳原子上时，有可能还会产生顺反异构体(cis-trans isomer)。
较优基团在环平面同侧的为顺式(cis-form)构型，反之为反式(trans form)构型。
例如：CH3CH3HHCH3CH3HH顺-1，2-二甲基环丙烷反-1，2-二甲基环丙烷(3) 命名。
a. 单环烷烃的命名。
未取代的单环烷烃的命名与烷烃相似，只在烷烃名称前加上“环”字。
对有多个取代基的环烷烃，按照次序规则从连有最小基团的环碳原子开始，用阿拉伯数字给碳环编号，并使取代基的位次尽可能小。
例如：环己烷1，3-二甲基环己烷1-甲基-4-异丙基环己烷cyclohexane 1，3-dimethylcyclohexane 1-methyl-4-isopropylcyclohexane CH2CH2CCH2CH22CH2H2CCH2CHCH2CH2CHCH2CH2CH2CH CH2CH3CH3CH CH CH3CH2CCH3CH3123456561234如果分子内有大环与小环，命名时以大环作母体，小环作取代基；对于比较复杂的化合物，或环上带的支链不易命名时，则将环作为取代基来命名。
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。
