山东理工大学教案第五章 脂环烃§5.1 脂环烃的定义和命名§5.1.1 脂环烃的定义在结构上具有环状碳骨架， 而性质上和脂肪烃相似的烃类，叫做脂环烃。
脂环烃的分类如下所示：饱和脂环烃， 环烷烃 如： 等脂环烃环烯烃 如： 等不饱和脂环烃环炔烃按环的大小又将脂环烃分为：小环（３～４元）脂环烃；普通环（５～７元）脂环烃；中环（８～１２元）脂环烃和大环（十二碳以上）脂环烃。
按环的多少可将脂环分为：单环化合物；多环（桥环、螺环）化合物。
§5.1.2脂环烃的命名（１）环烷烃的命名根据分之中成环碳原子数目，称为环某烷；把取代基的名称写在环烷烃的前面；取代基位次按“最低系列”原则列出，基团顺序按“次序规则”排序在后的优先列出。
例如：（２）环烯烃的命名根据分之中成环碳原子数目称为环某烯；以双键的位次和取代基的位置最小为原则。
CH 3CH 3CH CH 3CH 31，3-=甲基环戊烷异丙基环己烷1-甲基-3-异丙基 环己烷1，4-=甲基-4-乙基环己烷例如：（3） 多环化合物的命名1）螺环化合物：螺环化合物是两个环共用一个碳原子的环烷烃称为螺环烃。
螺环烃的编号原则：从较小环中与螺原子相邻的一个碳原子开始，经过小环到螺原子，再沿大环致所有环碳原子。
根据成环碳原子的总数命名为环某烷，在方括号中标出各碳环中除螺碳原子以外的碳原子数目（小的数目在前，大的在后），其它与烷烃的命名相同，例如：（2） 桥环化合物：在分之中含有两个或多个碳环的多环化合物中，把两个环共用两个或多个碳原子的化合物称为桥环化合物。
桥环化合物的编号原则：从桥头的一端开始，沿最长桥编到桥的另一端，再沿次长桥到始桥头，最短的桥最后编号。
命名时根据成环碳原子总数目称为环某烷，在环字后面的方括号中标出除桥头碳原子外的桥碳原子数（大的数目排在前，小的排在后），其它与环烷烃的命名相同。
例如：7，7-二甲基二环[2，2，1]庚烷CH 3CH 3CH 3环戊烯1-甲基环戊烯3，4-=甲基 环己烯1，3-环戊烯2-甲基-1，3-环己二烯2CH 32-甲基-5-异丙基二环[3，1，0]己烷2-乙基-6-氯二环[3，2，1]辛烷23螺碳原子1-溴-5-甲基螺[3，4]辛烷桥头碳§5.2 脂环烃的性质环烷烃的熔点、沸点、和比重都较含同数碳原子的开链烷烃高，但仍比水轻，原因是 环烷烃排列比开链烷烃紧密一些。
§5.2.1环烷烃的反应脂环烃的化学性质与相应的脂肪类似。
但由于具有环状结构，且环有大有小，故还有一些环状结构所具有的特性。
大环环烷烃和链状烷烃的化学性质很相像，对一般试剂表现得不活泼。
小环脂环烃比较容易发生开环，它与氢、卤素、卤化氢都可以发生开环作用，因此小环可以比作一个双键。
五元、六元环烷烃，即使在相当强烈的条件下也不开环。
（1）取代反应：在光和热的引发下，环烷烃可以发生卤代反应，（2）开环反应——加成反应：开环反应是小环烷烃的特性反应，小环烷烃可以与H 2 、 X 2 、 HX 等等等反应。
A ．催化加氢：由上可以看出，三元环和四元环是不太稳定的。
B. 加卤素或卤化氢CH 3Br 2Cl 2BrClCH 3HBrHClH 2N iCH 3CH 2CH 3H 2Ni CH 3CH 2CH 2CH 3H 2Pd >300℃CH 3CH 2CH 2CH 2CH 3加成反应与溴水的加成反应可以用来鉴定小环烷烃。
（3）氧化反应：在常温下，环烷烃与一般氧化剂都不起反应，但在加热时，可以与强氧化剂作用，或在催化剂的作用下，与空气氧化。
例如：用热硝酸氧化环已烷，则环被破坏，生成二元酸。
§5.2环烯烃和环二烯烃的反应（1）环烯烃的加成反应（2）氧化反应双键很容易被高猛酸钾、臭氧等氧化剂氧化。
例如：故可用高猛酸钾溶液来区别烯烃与环丙烷衍生物。
CH 3CH 3Br2/CCl 4H 2O/ZnCH 3-C-CH 2CH 2CH 2CHOO1mol Cl2500℃CH 3ClCl主次CH 3HClCH 3ClCH 3Cl 1，4-加成1，2-加成（主）Br 2/CCl 4CH 2-CH 2-CH 2Br BrCH CH Br 2/CCl 4C-CH-CH 2BrCH 3CH 3CH 3Br 2/CCl 4CH 2-CH 2-CH 2-CH 2BrBrBr 2/CCl 4溴褪色可用于鉴别环烷烃不起加成，而是取代反应HBrH 2SO 4C CH CH 3CH 3CH 3BrCH 3C CH CH 3CH 3CH 3OSO 3HCH 3C CH CH 3CH 3CH 3OHCH 3（3）双烯烃的双烯合成反应：+COOCH33+OOOOHHOOOHHOO+§5.3 环烷烃的张力和稳定性从环烷烃的化学反应的能力可以发现，稳定性与环的大小有关，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。
根据现代共价键概念.碳以sp3轨道成键，其夹角要求应是109.5°，碳原子之间的轴和轨道的轴无法在同一条线上，成环碳原子之间只得形成一个弯曲的键（香蕉键），使整个分子像拉紧弓一样，有张力，张力可分为角张力和扭张力两种形式。
（1）角张力：由于碳原子采取SP3杂化方式，当碳与其他原子连结时，任何两个键之间夹角都为四面体角(109.5°)，键角与109.5相差越大越不稳定。
环丙烷是三角形，夹角是60。
环中每个碳上的两C-C 键，不能是109°28’，必须压缩到60°，这样与正常的四面体键CH=CCH3CH3CH3CH3C=OCH3CH3Br2/CCl4Br3H O/ZnCH32CH2CH2CHOO1mol Cl2500℃CH3ClCl CH3主次角（109.5°）有了一定的偏差，引起了分子的张力，力图恢复正常键角，这种张力称做角张力，这样的环叫做＂张力环＂。
有张力的环是不稳定的，为了减小张力，有张力的环有生成更稳定的开链化合物的倾向，所以可以进行加成反应。
在环丁烷分子中，电子云的重叠不能沿着sp 3轨道轴对称重叠，只能偏离键轴一定的角度以弯曲键侧面重叠，形成弯曲键（香蕉键），其键角为 105.5°，因键角要从109.5°压缩到105.5°，故环丁烷也有一定的张力（角张力），所以环丁烷不稳定。
（2）扭张力：除了角张力以外，环丙烷分子中还存在着另一种张力（扭张力）。
由于环中三个碳位于同一平面，相邻的C-H 键互相处于重叠式构象，有旋转成交叉式的趋向，这样分子中也存在张力，这种张力称为扭转张力。
环丙烷的总张力能为114KJ/mol 。
从热化学实验测得：含碳原子数不同的环烷烃中，每个-CH 2-的燃烧热是不同的。
三元环：697；四元环：686；五元环：664；六元环：659（kJ/mol ），它的大小反映出分子内能的高低。
根据燃烧热数据可看出，从环丙烷到环己烷，每个CH 2的燃烧热量逐渐降低，说明环愈小内能愈大，愈不稳定。
六元环以上的中环和大环，每个CH 2的燃烧热差不多等于661KJ/mol ，说明大环是稳定的，即无张力。
近年来制备了很多大环化合物，它们都是稳定的。
经X －射线分析，分子是皱折形，碳原子不在同一平面内，碳原子之间的键角接近正常键角109。
5°。
§5.4 环烷烃的结构从环烷烃的化学性质可以看出，环丙烷最不稳定，环丁烷次之，环戊烷比较稳定，环己烷以上的大环都稳定，这反映了环的稳定性与环的结构有着密切的联系。
§5.4.1 环丙烷的结构现代物理方法测定，环丙烷分子中：键角 C-C-C = 105.5°; H-C-H =114°。
所以环丙烷分子中碳原子之间的sp 3杂化轨道是以弯曲键（香蕉键）的形式相互交盖的如下图所示：由以上分析可见，环丙烷分子中存在着较大的张力（角张力和扭张力），H H是一个张力很大的环，所以易开环，发生加成反应，环丙烷的结构图如下所示：§5.4.2环丁烷的结构与环丙烷相似，环丁烷分子中存在着张力，但比环丙烷的小，因在环丁烷分子中四个碳原子不在同一平面上，环丁烷是以折叠式构象存在的，这种非平面型结构可以减少C-H的重叠，使扭转力减小。
环丁烷分子中C-C-C键角为111.5°，角张力也比环丙烷的小，所以环丁烷比环丙烷要稳定些。
总张力能为108KJ/mol。
环丁烷的构象如下所示：§5.4.3环戊烷的结构环戊烷分子中，C-C-C夹角为108°，接近sp3杂化轨道间夹角109.5°，环张力甚微，是比较稳定的环。
现代结构分析表明，环戊烷是以折叠式构象存在的，为非平面结构，其中有四个碳原子在同一平面，另外一个碳原子在这个平面之外，这个结构很像信封，故将这种结构叫信封式构象。
这种构象的张力很小，总张力能25KJ/mol，扭转张力在2.5KJ/mol以下，§5.4.4环己烷的结构（1）椅式和船式构象环已烷也不是平面结构，在环己烷分子中，六个碳原子不在同一平面内，碳碳键之间的夹角可以保持109.5°因此环很稳定。
环已烷有两种构象：椅式和船式，两种构象之间可以转化，可以明显看出，椅式构象比式构象稳定得多。
椅式和船式构象如下所示：在椅式构象中，相邻碳原子上的碳氢键全部为交叉式，因此椅式构象更稳定。
在船式构象中，相邻碳原子上的碳氢键全部为重叠式，故船式构象不稳定。
（2）平伏键（e 键）与直立键（a 键）在椅式构象中C-H 键分为两类。
第一类六个C-H 键与分子的对称轴平行，叫做直立键或a 键（其中三个向环平面上方伸展，另外三个相换环平面下方伸展）；第二类六个C-H 键与直立键形成接近109.5°的夹角，平伏着向环外伸展，叫做平伏键或e 键。
如下图所示：在室温时，环己烷的椅式构象可通过C-C 键的转动，由一种椅式构象变为另一种椅式构象，在互相转变中，原来的a 键变成了e 键，而原来的e 键变成了a 键。
如下图所示：H 相邻碳上的C-H全部为重叠式H相邻碳上的C-H键全部为交叉式环己烷的直立键和平伏键平伏键直立键椅式船式无角张力 无C-H 键间的扭转张力 无张力 环 常温下 99%无角张力有C-H 键间的扭转张力有张力环109.5°当六个碳原子上连的都是氢时，两种构象是同一构象。
连有不同基团时，则构象不同。
（3）取代环己烷的构象 1）一元取代环己烷的构象一元取代环己烷中，取代基可占据a 键，也可占据e 键，由于a 键取代基结构中的原子间斥力比e 键取代基的大，所以占据e 键的构象更稳定。
例如：甲基占据e 键比甲基占据a 键的构象更稳定，内能小75.3kJ/mol 在平衡系统中占93%。