当前课程知识点：有机化学 > 5 脂环烃 > 5.3 脂环烃的结构与稳定性 > Video
同学们好
这节课我们来学习一下脂环烃的结构与稳定性
上一节课我们讲到
脂环烃能够发生开环加成反应
由此
我们可以得出一个很明显的结论就是
脂环烃从小环到大环
化学活性逐渐降低
环丙烷一般在室温下就能反应
而环丁烷则需要加热才能反应
五元及更大的环不发生反应
也就是说
小环到大环
脂环烃的稳定性增加
说到环的稳定性
我们在此引入了燃烧热的概念
所谓的燃烧热
是指将1mol脂环烃分子
燃烧所释放出来的热量
其目的就是用于比较烷烃的稳定性
从数据上可以看到
从乙烯 环丙烷 再到环丁烷
环戊烷和环己烷
燃烧热逐渐变小
而环己烷及更高级的烷烃
其燃烧热是一个恒定值
燃烧热越高代表分子本身带有的能量较高
我们前面讲过一个原则
就是“能量越高越不稳定”
因此脂环烃的稳定性
从左到右逐渐降低
为什么不同的脂环烃稳定性不同呢
化学家一直试图给这种现象提供一个合理的解释
1885年
德国化学家拜尔提出了张力学说
该学说认为
所有的环形化合物都具有平面结构
由此可以计算出脂环烃分子内部
碳碳碳之间的夹角
由图可以看到
环丁烷三个弹之间的夹角是60度
环丁烷则是90度
环戊烷经过计算是108度
而环己烷则是120度
由于碳原子是正四面体结构最稳定
当碳原子以正四面体成键时
碳碳碳之间的夹角是109.5度
如果碳碳碳的夹角
偏离了这个最稳定的角度
则需要较高的能量才能使碳碳碳的角度发生弯折
偏离的角度越多
则需要的能量较多
那么分子稳定性就降低
因为能量越高越不稳定
例如
环丙烷夹角是60度
偏离了正常的键角49.5度
需要很高的能量
环丁烷偏离了正常的键角19.5度
而环戊烷则只偏离了1.5度
也就是说
从环丙烷到环戊烷
偏离正常键角的角度逐渐减小
因此需要的能量越少
偏离正常键角的角度逐渐减小
因此需要的能量越少
环的稳定性逐渐增加
但是
如果按照这个理论
环己烷偏离了正常的键角10.5度
那么环己烷应该比环戊烷更不稳定才对
但是 我们刚讲到
环己烷非常稳定
这与实验事实不符合
为什么会这样呢
拜耳张力学说错误之处在于
其设想是建立在
环烷烃的碳都在一个平面上的基础上
而事实上
环烷烃的碳原子并不都是在一个平面上
而是有着空间立体结构
因此
化学家又提出了新的现代结构理论
来解释环的稳定性
我们前面刚学到过
烷烃化合物
碳碳键以sp3杂化的形式
头碰头成键
sp3杂化轨道是如左下这个图
成一大一小两个纺锤形
成键则是两个大的球
以直线的形式连在一起
但是当三个碳形成环丙烷时
由于三个碳在空间上只能形成一个平面三角形
因此成键时
sp3杂化轨道如右图所示
必须向一边弯曲才能正常的两两相连
由于sp3键被弯曲
需要较大的能量
因此环丙烷很不稳定
碳碳键很容易断裂
而环丁烷的四个碳成键时
为了尽可能保证sp3杂化轨道
以直线的形式成键
四个碳不在一个平面上
而是在空间上弯折成像一只蝴蝶一样
右边两个球棍模型
是环丁烷分子在不同角度上看到的空间结构
由于其已经在空间上尽可能展开
因此其偏离正常的成键角度很小
环的稳定性比环丙烷大大增加
环戊烷五个碳在空间上
则形成一个类似信封一样的形状
如图所示
其sp3杂化轨道成键时
已经基本与正常的成键角度一样
因此环戊烷的稳定性非常高
而环己烷六个碳
则在空间上形成椅子形状或船的形状
其成键角度与链状烷烃完全一样
因此非常稳定
其化学性质与链状烷烃基本相同
我们下节课将重点学习环己烷的结构
这节课就讲到这里 谢谢大家
-1.1 有机化合物与有机化学
--Video
-2.1 碳原子轨道的杂化
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-2.1 碳原子轨道的杂化--作业
-2.2 烷烃的同分异构
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-2.2 烷烃的同分异构--作业
-2.3 烷烃的构象
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-2.3 烷烃的构象--作业
-2.4 烷烃的系统命名
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-2.4 烷烃的系统命名--作业
-2.5 烷烃的卤化
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-2.5 烷烃的卤化--作业
-3.1 烯烃的结构（sp2杂化）
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-3.1 烯烃的结构（sp2杂化）--作业
-3.2 烯烃的异构与命名
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-3.2 烯烃的异构与命名--作业
-3.3 烯烃与溴的加成反应 （含机理）
--Video
-3.3 烯烃与溴的加成反应 （含机理）--作业
-3.4 烯烃与卤化氢的加成反应（含马氏与反马机理）
--Video
-3.4 烯烃与卤化氢的加成反应（含马氏与反马机理）--作业
-3.5 烯烃的氧化与还原
--Video
-3.5 烯烃的氧化与还原--作业
-4.1 炔烃的结构（sp杂化）
--Video
-4.2 炔烃的加成反应（亲电与亲核）
--Video
-4.3 炔烃的还原与氧化
--Video
-4.4 端基炔的化学反应
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-4.5 共轭二烯烃的特性
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-4.6 共轭效应
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-4.7 共振论及其应用
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-5.1 脂环烃的分类与命名
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-5.1 脂环烃的分类与命名--作业
-5.2 环烷烃的化学反应
--Video
-5.2 环烷烃的化学反应--作业
-5.3 脂环烃的结构与稳定性
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-5.3 脂环烃的结构与稳定性--作业
-5.4 环己烷的构象
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-5.4 环己烷的构象--作业
-5.5 取代环己烷的构象
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-5.5 取代环己烷的构象--作业
-6.1 苯的结构和芳烃命名
--Video
-6.1 苯的结构和芳烃命名--作业
-6.2 苯环上的亲电取代反应
--Video
-6.2 苯环上的亲电取代反应--作业
-6.3 苯环上亲电取代反应机理
--Video
-6.3 苯环上亲电取代反应机理--作业
-6.4 烷基苯侧链上的反应
--Video
-6.4 烷基苯侧链上的反应--作业
-6.5 取代基的定位效应
--Video
-6.5 取代基的定位效应--作业
-6.6 定位效应的解释
--Video
-6.6 定位效应的解释--作业
-6.7 定位效应的应用
--Video
-6.7 定位效应的应用--作业
-6.8 稠环芳烃的结构和化学反应
--Video
-6.8 稠环芳烃的结构和化学反应--作业
-6.9 休克尔规则和非苯芳香体系
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-7.1 同分异构体的分类
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-7.2 分子的对称因素与手性
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-7.3 旋光性与比旋光度
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-7.4 对映异构体的书写方法与构型标记
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-8.1 卤代烃的结构与化学性质
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-8.2 亲核取代反应机理（SN1和SN2）
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-8.3 影响亲核取代反应的因素
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-8.4 消去反应机理（E1和E2）
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-8.5 影响消去反应的因素
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-8.6 格氏试剂的制备与应用
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-9.1 醇的取代反应
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-9.1 醇的取代反应--作业
-9.2 醇的消去反应
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-9.2 醇的消去反应--作业
-9.3 醇的氧化反应
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-9.3 醇的氧化反应--作业
-9.4 酚的化学反应
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-9.4 酚的化学反应--作业
-9.5 醚的化学反应
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-9.5 醚的化学反应--作业
-10.1 HCN与醛酮的反应
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-10.1 HCN与醛酮的反应--作业
-10.2 半缩醛和缩醛
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-10.2 半缩醛和缩醛--作业
-10.3 氨的衍生物与醛酮的反应
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-10.3 氨的衍生物与醛酮的反应--作业
-10.4 NaHSO3与醛酮的反应
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-10.4 NaHSO3与醛酮的反应--作业
-10.5 Grignard与醛酮的反应
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-10.5 Grignard与醛酮的反应--作业
-10.6 羟醛缩合反应
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-10.6 羟醛缩合反应--作业
-10.7 碘仿反应
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-10.7 碘仿反应--作业
-10.8 醛酮的氧化与还原
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-10.8 醛酮的氧化与还原--作业
-11.1 羧酸的酸性（结构对酸性的影响）
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-11.1 羧酸的酸性（结构对酸性的影响）--作业
-11.2 羧酸衍生物的生成
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-11.2 羧酸衍生物的生成--作业
-11.3 羧酸的氧化与还原
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-11.3 羧酸的氧化与还原--作业
-11.4 脱羧反应
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-11.4 脱羧反应--作业
-11.5 Claisen酯缩合反应
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-11.5 Claisen酯缩合反应--作业
-11.6 酯的亲核加成消除反应 （酯的水解）
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-11.6 酯的亲核加成消除反应 （酯的水解）--作业
-11.7 丙二酸二乙酯的结构与性质
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-11.7 丙二酸二乙酯的结构与性质--作业
-12.1 羟基酸的脱水反应
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-12.1 羟基酸的脱水反应--作业
-12.2 a-羟基酸的分解反应
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-12.2 a-羟基酸的分解反应--作业
-12.3 羰基酸的脱羧反应
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-12.3 羰基酸的脱羧反应--作业
-12.4 β-二羰基化合物酮式和烯醇式的互变异构
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-12.4 β-二羰基化合物酮式和烯醇式的互变异构--作业
-12.5 β-二羰基化合物的烃化和酰化反应
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-12.5 β-二羰基化合物的烃化和酰化反应--作业
-13.1 胺的碱性
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-13.2 Hinsberg反应
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-13.3 胺与亚硝酸的反应
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-13.4 季铵碱的霍夫曼（Hoffmann）消除
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-13.5 重氮盐的合成与化学性质
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-13.6 芳基重氮盐的偶合反应
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-14.1 五元芳杂环化合物结构与化学性质
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-14.1 五元芳杂环化合物结构与化学性质--作业
-14.2 六元杂环化合物的结构与化学性质
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-14.2 六元杂环化合物的结构与化学性质--作业
-考试题--作业
