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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) ......

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