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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)

    ρ<1

    b.p:随M↑而↑

    m.p:与M及分子结构有关(对称性高的熔点也高)

    三、化学性质

    芳烃由于具有芳香性,芳环具有特殊的稳定性,发生化学反应时主要表现在芳环上氢原子的取代反应。

    1、取代反应

    ⑴卤代

    B.烷基苯光照下支链烷基发生游离基取代反应

    A.更高温度或用发烟混酸作硝化剂才能引入第二个硝基(难反应;间位取代)

    C.若用过量氯磺酸(ClSO3H)作磺化剂,则得到苯磺酸氯――氯磺化反应

    C.活泼性较卤代苯差的芳环不发生副-克反应(即芳环上连接有吸电子基-NO2、-SO3H、-COR、-CN时)

    D.含有-NH2、-NHR、-NR2等碱性基团的芳环不起副-克反应(?)

    ⑸氯甲基化――无水ZnCl2催化下,芳烃与甲醛、氯化氢作用在苯环上引入-CHCl2

    A.芳环上有吸电子基时,反应难以进行

    B.可用三聚甲醛代替甲醛

    C.合成上,常利用氯甲基化在芳环上引入-CHCl2,再转化为-CH3、-CH2OH、-CH2CN、-CHO、-CH2COOH

    2、氧化反应

    ⑴侧链氧化成羧基

    芳环具有芳香性,很难受氧化,但当芳环上连有烃基时,侧链能被强氧化剂氧化成羧基,

    A.氧化发生在与苯环直接相连的α-C上的H原子,α-C上没有H原子,不发生氧化

    B.邻位二烷基苯氧化后的最终产物为酸酐

    3、加成反应

    ⑴加氢

    ⑵加氯

    六氯化苯(六、六、六)

    五、芳环上取代基的定位规律(定位效应)

    取代苯的苯环进行亲电取代反应时,苯环上原有

    的基团对新进入取代基的位置起到决定作用,例如

    (一)定位基的类型

    1、邻、对位定位基(第一类定位基P107)及结构特征

    结构特征:直接与苯环相连的原子不含双键或叁键;多数有未共用电子对或带负电荷;致活苯环(卤素除外),即亲电取代反应活性较苯大。

    2、间位定位基(第二类定位基)及结构特征

    结构特征:直接与苯环相连的原子一般都含双键、叁键或带正电荷;钝化苯环,即亲电取代反应活性较苯小。

    间位定位基致钝苯环的顺序:

    (二)定位规则的理论解释

    根据芳烃的亲电取代反应历程,生成σ-络合物(复杂正碳离子)中间体的一步为反应的决速步,因此讨论取代基对苯环起到活化作用还是钝化作用,实际上转化为讨论取代基对反应中间体――环状正碳离子稳定性的影响。

    定位基对苯环的影响(电子效应分析)及定位效应

    ⑴邻、对位定位基的影响

    ①甲基

    甲基对苯环的诱导效应及共轭效应都加大了苯环上电子云的密度,活化了苯环,尤其是使邻、对位的电子云密度增加较大。

    ②羟基

    诱导效应(+C)占优势,羟基使苯环上电子云密度增大,尤其是邻、对为的电子云密度增大较间位更大。

    ⑵间位定位基的影响

    诱导效应及共轭效应都降低苯环上电子云的密度,钝化苯环,间位上电荷密度降低比邻、对位较少一些,故亲电取代反应发生在间位。

    ⑶卤素的定位效应

    钝化苯环,但亲电取代反应方向由+C所决定,为邻、对位取代。

    (三)二取代苯的定位规律

    1、苯环上连有两个不同类定位基,第三个取代基进入的位置由邻、对位定位基决定。

    2、苯环上有两个同类定位基,第三个取代基进入的位置由定位效能强的定位基所决定。

    3、两个定位基的定位效能相同,第三个取代基进入的位置由定位规则决定(最适位置)。

    4、注意空间位阻的影响(有较大基团时)。

    例如:

    Ⅱ.2稠环芳烃

    萘蒽 菲

    一、萘的性质

    1、物理性质

    白色片状晶体,m.p80.5℃,b.p218℃,易升华;不溶于水,易溶于热乙醇等有机溶剂中;有特殊气味――可用作制防虫卫生球。

    2、化学性质――与苯类似

    ⑴取代反应――取代基主要进入α-位

    ⑵氧化反应

    ⑶加成――加氢

    部分加氢:

    1,4-二氢萘

    1,2,3,4-四氢萘

    完全加氢:

    十氢萘

    十氢萘有两种构象,顺式十氢萘和反式十氢萘,反式异构体较顺式稳定。

    二、蒽和菲

    1、存在与性状

    存在煤焦油中,白色片状带蓝色荧光的结晶,不溶于水,能溶于苯。

    蒽菲

    m.p 216℃ 100℃

    b.p340℃ 340℃

    2、性质――较萘活泼(菲较蒽稳定),易发生9,10位的加成和氧化

    三、休克尔(E.huckel)规则及非苯芳烃

    1、休克尔(E.huckel)规则

    单环芳烃和多环芳烃之所以具有芳香性,是由于分子中具有苯环的结构,苯的结构可看成是一个环状的共轭多烯,它具有芳香性,那么,其它的环状共轭多烯,是否也象苯一样具有芳香性?休克尔在1931年根据分子轨道理论处理,提出了判断芳香体系的规则――休克尔(E.huckel)规则。

    芳香性必须具备有一定的结构条件:⑴芳香性分子应该是环状的平面结构,在分子平面的上下有环状的离域π电子云;⑵π电子重总数必须符合4n+2(n=0,1,2,3......)――4n+2规则或休克尔规则。

    例如:

    π电子数10个14个

    2、非苯芳烃

    有些环状化合物尽管分子中不含苯环的结构,但环的结构同样符合休克尔规则的条件,环同样具有芳香性,例如:

    [10]轮烯

    π电子数10个 10个

    这类不含苯环而又具有芳香性的烃--非苯芳烃。......(后略) ......