第四章 环烃.ppt
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第四章 环 烃
由碳、氢两种元素组成的环状化合物--环烃
Ⅰ.脂环烃
一、脂环烃的定义、分类和命名
1、定义--性质与脂环烃类似的烃
2、分类
⑴按成环碳原子的饱和程度分
⑵按分子中碳环的数目分
例如:
环戊烷 1-甲基-3-乙基环己烷
3-甲基环戊烯 5-甲基-1,3-环己二烯
二、脂环烃的通式及同分异构
1、脂环烃的通式
2、同分异构
三、环烷烃的结构与稳定性
1、环丙烷的结构
环丙烷的平面三角形结构(假设) 环丙烷分子中C?aC键原子
轨道重叠情况(形成弯曲键)
环丙烷分子中成环的三个C在同一平面上,则C-C-C键角应为60°(n边形内角=[n×180°-360°]÷n),由于成环C原子为sp3杂化,正常键角应为109°28′,两者间偏差(60°→109°28′)的结果使环丙烷分子中产生角张力,C-C间的电子云不可能在核间连线重叠,而形成了弯曲键(重叠程度不如σ键),环的稳定性很差(键角为105.5°)。
2、环丁烷的结构
与环丙烷相似, 环丁烷的环同样存在角张力,也形成弯曲键,环的稳定性也较差,但由于C-C键弯曲的程度没有环丙烷大(90°→109°28′)故其环稳定性较环丙烷大。
实际上,环丁烷的四个成环C并不在一平面上,碳环皱折成一种蝶式构象,使角张力有所降低,环稳定性比环丙烷高
环丁烷的构象
3、环戊烷的结构
环戊烷若排列在同一平面上形成正五角形的结构,键角几乎没有变形(108°→109°28′),但环上五组-CH2CH2-处于重叠的结构,张力能也较大,往往通过环内C-C键的旋转而形成非平面结构的半椅式或信封式构象从而使C-C键的弯曲程度很小,所以五元环较稳定。
信封式 半椅式
4、环已烷的结构
环已烷分子中,碳原子以sp3杂化轨道成键,六个碳不在同一平面上,C-C键的夹角保持正常的四面体角109°28′,因此环很稳定。
环稳定性顺序:环丙烷<环丁烷<环戊烷<环已烷
四、环已烷及其衍生物的两种构象
1、船式和椅式
环己烷存在两种典型的构象:船式构象和椅式构象。两者可互相转化,但椅式构象为稳定构象。
椅式构象 船式构象
2、椅式构象中的a键(直立键)和e键(平伏键)
在环己烷的椅式构象中,每个C上各有一个a键和e键,相邻两个C上的a键(或e键)一个向上,另一个向下;而相隔一个C的两个C上的a键(或e键)的方向一致(顺式);处于对位的两个C上的a键(或e键)的方向相反(反式)。
3、环已烷衍生物的优势构象
⑴一取代环已烷:e-取代环已烷为优势构象。例如
⑵多取代环已烷:e-取代基最多的构象;大取代基在e键上的构象。例如
ae型(顺式) ee型(反式),稳定构象
五、脂环烃的性质
(一)物理性质
m.p、b.p、ρ较同C脂肪烃高(对称性、刚性所致)。
(二)化学性质
1、取代反应--游离基取代(类似于烷烃)
2、加成反应--C5环以下的环烷易加成开环
⑴加氢
⑵加卤素
⑶加氢卤酸--马氏加成
3、不饱和键的反应-加成、氧化(环烯烃、环炔烃具有一般不饱和键的通性)
Ⅱ.芳香烃
【前言】
一、芳香烃的定义
芳香族化合物--从植物中提取出来的树脂或香精油等具有芳香气味的物质。
芳香烃--芳香族碳氢化合物的简称。大多含有苯环(也有不含苯环),为苯的同系物(通式为CnH2n-6)、稠合物和衍生物。
芳香性--指芳香烃所具有的,在反应中保持碳环结构不变的特殊的稳定性(不同于脂环烃,尽管其结构高度不饱和,但其碳环结构在化学反应中不被破坏而开环)。
二、芳烃的分类和命名
1、分类
一烃基苯:没有同分异构体;可以苯母体,烃基为取代基命名。
甲苯 乙苯 异丙苯 苯乙烯
三烃基苯:有三种异构体
当苯环上有不同的烷基时,烷基名称排列应从简单到复杂,编号应将最简单的烷基定为1-位,并以位号总和最小为原则命名。
1-乙基-2-丙基-3-丁基苯
结构复杂或支链上有官能团的化合物:以支链为母体,苯环为取代基命名。
3-苯基-2-戊烯
芳基:芳烃的苯环上去掉一个氢所剩下的基团,用-Ar表示,苯基用表示-ph。常见的芳基:
⑵多环芳烃
Ⅱ.1 单环芳烃
一、苯的结构
1.开库勒(Kekule)结构式
苯的分子式为C6H6, 1865年开库勒根据苯的一元取代物只有一种,说明苯分子中六个氢原子是等同的事实,提出了苯的环状结构式:
苯的开库勒式虽能说明苯分子的组成及原子间的次序,但对如下现象却无法解释:
⑴结构式中含有三个双键,但苯却不能起类似于烯烃的加成反应;
⑵根据结构式,苯的邻二取代物应有两种异构体,而实际并无异构体。
为解释以上的现象,开库勒曾用两个式子来表示苯的结构,并设想这两个式子之间的摆动来代表苯的真实结构
由于摆动得很快,难于分辨出单键和双键的区别。
2.分子轨道理论对苯分子的研究
现代物理方法(如X射线法、光谱法)证明:苯分子是一个平面正六边形的构型,键角都为120°C-C键的键长为139pm。
苯分子中六个C以SP2杂化轨道成键:
C―C SP2― SP2σ键; C―H SP2― Sσ键
六个C-Cσ键组成一个正六边形,所有σ键键角都为120°,所有C、H原子都在同一平面上。
每个C上还有一个垂直于σ键所在平面的P轨道,P轨道上各有一个P电子,六个P轨道就组成了六个分子轨道ψ1、ψ2、ψ3、ψ4、ψ5、ψ6:
六个π电子离域的结果:使它们的总能量和定域的能量相比低得多,从而使苯的结构很稳定;使π电子云完全平均化,因此苯分子中所有的C-C键完全等价,键长相同。
所以苯环中并没有一般的C-C单键和C=C双键,开库勒的结构式并不能满意的表示苯的结构。苯环的结构可用下式表示:
二、苯的物理性质
溶解性:不溶于水,溶于有机溶剂(苯、甲苯是很好的有机溶剂) ......
第四章 环 烃
由碳、氢两种元素组成的环状化合物--环烃
Ⅰ.脂环烃
一、脂环烃的定义、分类和命名
1、定义--性质与脂环烃类似的烃
2、分类
⑴按成环碳原子的饱和程度分
⑵按分子中碳环的数目分
例如:
环戊烷 1-甲基-3-乙基环己烷
3-甲基环戊烯 5-甲基-1,3-环己二烯
二、脂环烃的通式及同分异构
1、脂环烃的通式
2、同分异构
三、环烷烃的结构与稳定性
1、环丙烷的结构
环丙烷的平面三角形结构(假设) 环丙烷分子中C?aC键原子
轨道重叠情况(形成弯曲键)
环丙烷分子中成环的三个C在同一平面上,则C-C-C键角应为60°(n边形内角=[n×180°-360°]÷n),由于成环C原子为sp3杂化,正常键角应为109°28′,两者间偏差(60°→109°28′)的结果使环丙烷分子中产生角张力,C-C间的电子云不可能在核间连线重叠,而形成了弯曲键(重叠程度不如σ键),环的稳定性很差(键角为105.5°)。
2、环丁烷的结构
与环丙烷相似, 环丁烷的环同样存在角张力,也形成弯曲键,环的稳定性也较差,但由于C-C键弯曲的程度没有环丙烷大(90°→109°28′)故其环稳定性较环丙烷大。
实际上,环丁烷的四个成环C并不在一平面上,碳环皱折成一种蝶式构象,使角张力有所降低,环稳定性比环丙烷高
环丁烷的构象
3、环戊烷的结构
环戊烷若排列在同一平面上形成正五角形的结构,键角几乎没有变形(108°→109°28′),但环上五组-CH2CH2-处于重叠的结构,张力能也较大,往往通过环内C-C键的旋转而形成非平面结构的半椅式或信封式构象从而使C-C键的弯曲程度很小,所以五元环较稳定。
信封式 半椅式
4、环已烷的结构
环已烷分子中,碳原子以sp3杂化轨道成键,六个碳不在同一平面上,C-C键的夹角保持正常的四面体角109°28′,因此环很稳定。
环稳定性顺序:环丙烷<环丁烷<环戊烷<环已烷
四、环已烷及其衍生物的两种构象
1、船式和椅式
环己烷存在两种典型的构象:船式构象和椅式构象。两者可互相转化,但椅式构象为稳定构象。
椅式构象 船式构象
2、椅式构象中的a键(直立键)和e键(平伏键)
在环己烷的椅式构象中,每个C上各有一个a键和e键,相邻两个C上的a键(或e键)一个向上,另一个向下;而相隔一个C的两个C上的a键(或e键)的方向一致(顺式);处于对位的两个C上的a键(或e键)的方向相反(反式)。
3、环已烷衍生物的优势构象
⑴一取代环已烷:e-取代环已烷为优势构象。例如
⑵多取代环已烷:e-取代基最多的构象;大取代基在e键上的构象。例如
ae型(顺式) ee型(反式),稳定构象
五、脂环烃的性质
(一)物理性质
m.p、b.p、ρ较同C脂肪烃高(对称性、刚性所致)。
(二)化学性质
1、取代反应--游离基取代(类似于烷烃)
2、加成反应--C5环以下的环烷易加成开环
⑴加氢
⑵加卤素
⑶加氢卤酸--马氏加成
3、不饱和键的反应-加成、氧化(环烯烃、环炔烃具有一般不饱和键的通性)
Ⅱ.芳香烃
【前言】
一、芳香烃的定义
芳香族化合物--从植物中提取出来的树脂或香精油等具有芳香气味的物质。
芳香烃--芳香族碳氢化合物的简称。大多含有苯环(也有不含苯环),为苯的同系物(通式为CnH2n-6)、稠合物和衍生物。
芳香性--指芳香烃所具有的,在反应中保持碳环结构不变的特殊的稳定性(不同于脂环烃,尽管其结构高度不饱和,但其碳环结构在化学反应中不被破坏而开环)。
二、芳烃的分类和命名
1、分类
一烃基苯:没有同分异构体;可以苯母体,烃基为取代基命名。
甲苯 乙苯 异丙苯 苯乙烯
三烃基苯:有三种异构体
当苯环上有不同的烷基时,烷基名称排列应从简单到复杂,编号应将最简单的烷基定为1-位,并以位号总和最小为原则命名。
1-乙基-2-丙基-3-丁基苯
结构复杂或支链上有官能团的化合物:以支链为母体,苯环为取代基命名。
3-苯基-2-戊烯
芳基:芳烃的苯环上去掉一个氢所剩下的基团,用-Ar表示,苯基用表示-ph。常见的芳基:
⑵多环芳烃
Ⅱ.1 单环芳烃
一、苯的结构
1.开库勒(Kekule)结构式
苯的分子式为C6H6, 1865年开库勒根据苯的一元取代物只有一种,说明苯分子中六个氢原子是等同的事实,提出了苯的环状结构式:
苯的开库勒式虽能说明苯分子的组成及原子间的次序,但对如下现象却无法解释:
⑴结构式中含有三个双键,但苯却不能起类似于烯烃的加成反应;
⑵根据结构式,苯的邻二取代物应有两种异构体,而实际并无异构体。
为解释以上的现象,开库勒曾用两个式子来表示苯的结构,并设想这两个式子之间的摆动来代表苯的真实结构
由于摆动得很快,难于分辨出单键和双键的区别。
2.分子轨道理论对苯分子的研究
现代物理方法(如X射线法、光谱法)证明:苯分子是一个平面正六边形的构型,键角都为120°C-C键的键长为139pm。
苯分子中六个C以SP2杂化轨道成键:
C―C SP2― SP2σ键; C―H SP2― Sσ键
六个C-Cσ键组成一个正六边形,所有σ键键角都为120°,所有C、H原子都在同一平面上。
每个C上还有一个垂直于σ键所在平面的P轨道,P轨道上各有一个P电子,六个P轨道就组成了六个分子轨道ψ1、ψ2、ψ3、ψ4、ψ5、ψ6:
六个π电子离域的结果:使它们的总能量和定域的能量相比低得多,从而使苯的结构很稳定;使π电子云完全平均化,因此苯分子中所有的C-C键完全等价,键长相同。
所以苯环中并没有一般的C-C单键和C=C双键,开库勒的结构式并不能满意的表示苯的结构。苯环的结构可用下式表示:
二、苯的物理性质
溶解性:不溶于水,溶于有机溶剂(苯、甲苯是很好的有机溶剂) ......
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