当前课程知识点:有机化学 > 第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃 > 2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象 > 2.3.3.1 环烷烃的稳定性
不同的环烷烃它的稳定性是不同的
首先向大家介绍一个实验事实
我们可以通过燃烧热的数值
来知道不同环烷烃的稳定性
为了保证这个数据的可比性
我们把它的燃烧热值平均到每个亚甲基上
那么根据这个数据我们可发现
五元环以及六元环它的燃烧热值比较小
也就是说这两个结构比较稳定
而三元环 四元环它的燃烧热值非常大
或者说比较大
也就是说这两种结构
我们称它为小环的结构
它是很不稳定的
这是我们发现的实验事实
而链稍微长一点它又趋于比较稳定
这个实验事实我们怎么来解释
最早在1885年的时候
拜耳提出一个张力学说
他试图利用他的张力学说来解释
为什么普通环 也就是五元环六元环
乃至于七元环比较稳定
而小环 也就是三元环 四元环
为什么不稳定
他有一个假设 他假设形成环的结构
他所有成环的碳原子都在一个平面上
而且是一个平面的正多边形
那么大家根据几何学知识就会知道
如果是一个三环元那么它是一个正三角形
它的夹角是60度角
如果是四元环 它是平面正四边形
就应该是个90度的角
五元环就是一个108度的角
而六元环就是120度角
七元环就是一个129度的角
而我们再看一下 形成环的这些碳原子
都是采取sp3杂化
对于sp3杂化结构来说
它的典型的键的夹角是109度28分
那么要利用这个键角
原来的正常键角是109度28分的
这种sp3杂化的一个轨道
来形成键角是60度的这么一个环状结构
势必要压缩它的键角
让它的键角发生一个压缩
在压缩的过程中我们说
发生了一个屈挠
也就是说这个压缩的程度越大
它的屈挠程度越大 它的体系越不稳定
那么根据拜耳这一个张力学说
他可以把这些最后压缩的程度
用一个压缩的角度来换算 来计算出来
如果是把109.5度
大约是等于109.5度的一个sp3杂化轨道
来压缩成60度 形成一个三元环的话
它一个键的屈挠会将近50度
这是键的很大的变形
而如果压缩到90度 形成一个四元环的话
它压缩角度将近是20度
而如果是五元环 那么不需要有太多压缩
如果是六元环
反而需要向外扩张
从109度扩张到120度
要扩张约10度的扩张
而七元环要扩张十几度
那么拜耳希望通过这个扩张角度
或者压缩角度来描述它的稳定性
从三元环 四元环来看
似乎这个理论有一定道理
也就是他压缩三元环也好 四元环也好
它压缩的角度比较大
所以它很不稳定
但是对于五元环和六元环不好解释
因为从这个角度解释来说
六元环是不如五元环所稳定的
从拜耳理论来说六元环不如五元环稳定
但是实际上实验事实
六元环是最稳定的
它比五圆环和七圆环都稳定
那么也就是说拜耳张力学说
它从某个角度试图解释不同环的稳定性
对于小环来说可以有一定程度的解释
但是对普通环它不能解释
所以我们在后面
再介绍各种环的稳定性的时候
就不再用拜耳张力学说来解释
但是拜耳张力学说中间引进了一个力
叫键屈挠
从109度28分 大概是109.5度
发生屈挠 变成一个小一点键的时候
这中间有一个键屈挠
那么产生一个张力
我们可以叫它叫做拜耳张力
这个拜耳张力我们会引用这个概念
用在后面进一步的结构
或者结构稳定性的分析
那我们现在看一下
通常在分析一个环体系是否稳定的时候
除了我前面讲的这个拜耳张力之外
还有扭转张力 包括范氏力
通常我们是通过这三个力来分析
一个环的结构到底是否稳定
我们先看一下最简单的环 三元环
也就是环丙烷
对于环丙烷来说它三个碳原子
的确是在一个平面上
它这个结构中间
键的几何夹角是60度
但是实际上它的sp3杂化轨道和
sp3杂化轨道不是典型的头对头的
σ键的一个重合
它是一个半侧面重叠
这个sp3轨道和这个sp3轨道
是一个半侧面的重叠
形成我们称之为香蕉键的结构
利用这种香蕉键它既满足了
形成三元环的一个环的需求
同时它还在一定程度上重叠以后
导致它的环具有一定的稳定性
但是我们可以看出来它是有一个压缩
从正常的sp3角度
sp3杂化109.5度
它需要压缩成105.5度
尽管没有很夸张地压缩到60度
但是还是被压缩到105.5度
那么它由109.5减去105.5
大约是等于四度的这么一个角的变形
我们叫它发生了屈挠
所以结构中间有四度的屈挠
我们叫它具有一个拜耳张力
或者叫做角张力
尽管它已经形成了一个弯曲键
已经存在一个委曲的过程
好 除此之外我们还看一下
对于三元环结构中间
还存在着扭转张力
也就是说如果我们画出三元环
它的一个纽曼投影式
我们从一号碳看向二号碳
画出它的纽曼投影式的时候我们会发现
它一号碳上的向上的碳氢键
和向下的碳氢键
和二号碳的向上碳氢键和向下碳氢键之间
是完全处于一个全重叠式
那么对于全重叠式的结构
它是很不稳定的
它倾向于扭转 错开
得到一个交叉式的结构
所以说我们说它结构中间有一个扭转张力
那么分析到这儿我们发现
对于三元环结构它的确是很不稳定的
它有大概四度角的一个键的变形
所以说它有角张力
它还是全重叠式
所以它还有很强的扭转张力
那么三元环的结构是很不稳定的
我们再看一下四元环
四元环 四个碳原子形成的环状结构
它不是平面形的
它是一个蝴蝶式结构
中间两个碳原子和
对角两个碳原子分别在不同的平面上
这两个碳原子在一个平面上
这两个碳原子在一个平面上
所以我们称之为非平面形的蝴蝶形的结构
在四元环中间也存在着
一个sp3杂化轨道
和sp3杂化轨道之间的一个弯曲键
也是一个半侧面重叠
但是这个弯曲键的键的夹角是111.5度
也就是说它的键是向外扩张的
111.5减去109.5
那么它发生一个大概是两度的变形
所以它有一个大约是两度的
键角变形的角张力
除此之外我们也可以画出来
这个结构中间的纽曼投影式
我们从一号碳画向二号碳
能画出它的一个纽曼投影式
我们可以发现一号碳上的两个碳氢键
和二号碳上两个碳氢键
是处于一个交叉式的结构
它不是重叠式
那么和三元环的全重叠式比起来看
它有一定的扭转张力
但是没有那么大
所以它有一个比较小的扭转张力
而它的角张力只有两度的键的屈挠
所以从这两点分析我们可以得出结论来
尽管四元环不是很稳定
但是它的稳定性是比三元环好很多
五元环的结构也不是平面形
它主要是在这种信封式的结构
和这个半椅式结构之间发生互变
之间互变的能量大概是2.5千焦每摩尔
它在两种构象之间发生变化
而对于六元环来讲
它有几个比较重要的构象
一个是我们所说的椅式构象
一个是船式构象
关于六元环的构象我们准备
在下一个教学模块中间重点讨论
对于更大的环来说
它的构象也都不是平面形的
如果环大到一定程度
我们可以理解成它基本上是
两根形成波浪形的线
或者说它整个环是一个碳原子
形成波浪的一个环
连成了一个环状的结构
这就是我们所说的多元环的构象
那么以上介绍的就是各类环烷烃
它的结构和它的稳定性
谢谢大家
-1.1 概论
--1.1.1 引言
-1.2 有机化学基本知识
-第一章 绪论--1.2 有机化学基本知识
-1.3 有机化合物命名的基本原则
-第一章 绪论--1.3 有机化合物命名的基本原则
-1.4 酸碱理论
-第一章 绪论--第一章章节测试题
-2.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.1 引言
-2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--HW-第二章章节测试题
-3.1 不饱和烃的概述
-3.2. 烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.2. 烯烃的化学反应
-3.3 炔烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.3 炔烃的化学反应
-3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--HW-第三章章节测试题
-4.1 芳烃概论
--4.1 芳烃概论
-4.2 芳烃的分类和命名
-4.3 苯的物理性质
-4.4 苯的结构
-4.5 单环芳烃的化学性质
--4.5.5.6 Friedel-Crafts 烷基化反应
--4.5.5.7 Friedel-Crafts 酰基化反应
-4.6 芳环上亲电取代反应的定位效应
-4.7 稠环芳烃
-4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--HW-第四章章节测试题
-5.1 手性和对称性
-第五章 对映异构--5.1 手性和对称性
-5.2 含一个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.2 含一个不对称碳的化合物
-5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-5.4 环状手性化合物
-第五章 对映异构--5.4 环状手性化合物
-5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--HW-第五章章节测试题
-6.1 卤代烃的概述
--题目要求
-6.2 亲核取代反应
-第六章 卤代烃--6.2 亲核取代反应
-6.3 消除反应
-第六章 卤代烃--6.3 消除反应
-6.4 与金属的反应
-6.5 不饱和卤代烃
-第六章 卤代烃--HW-第六章章节测试题
-7.1 本章引言
-7.2 核磁共振谱
--7.2.2 核磁共振氢谱——7.2.2.4 氢谱的基本解析
-7.3 质谱
-7.4 红外光谱
--7.4.2 红外光谱与分子结构——7.4.2.1 特征官能团的红外吸收
-7.5 有机波谱综合解析
-第七章 波谱分析在有机化学中的应用--HW-第七章章节测试题
-8.1 引言
--8.1引言
-8.2 醇
-第八章 醇酚醚--8.2 醇
-8.3 酚
-第八章 醇酚醚--8.3 酚
-8.4 醚
-第八章 醇酚醚--8.4 醚
-第八章 醇酚醚--HW-第八章章节测试题
-9.1 引言
--9.1 引言
-第九章 醛和酮--9.1 引言
-9.2 醛、酮的物理性质
-第九章 醛和酮--9.2 醛、酮的物理性质
-9.3.1 醛、酮的反应概述
-9.3.2 醛、酮的亲核加成
-第九章 醛和酮--9.3.2 醛、酮的亲核加成
-9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-第九章 醛和酮--9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-第九章 醛和酮--9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-第九章 醛和酮--9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-9.5 醛、酮的制备
-第九章 醛和酮--HW-第九章章节测试
-10.1 概论
--10.1 概论
-10.2 羧酸的结构、分类和命名
-10.3 羧酸的物理性质和波谱特征
-10.4 羧酸的化学性质
-10.5 羧酸衍生物的结构与命名
-10.6 羧酸衍生物的物理性质和波谱特征
-10.7 羧酸衍生物的化学性质
-10.8 羟基酸的分类和命名
-10.9 羟基酸的化学性质
-10.10 β-二羰基化合物
-10.11 α-卤代酸及其衍生物
-10.12 羧酸的制备
-10.13 专题:油脂 蜡 磷脂
-11.1 绪论
--本章引言
-11.2 胺
--11.2.1
--11.2.2
--11.2.3.1
--11.2.3.2
--11.2.3.3
--11.2.3.4
-11.3 硝基化合物
-11.4 腈
-11.5 异腈
-11.6 重氮化合物
-11.7 偶氮化合物
-11.8 本章小结
-12.1 杂环化合物概述
--12.1概述
-12.2 吡咯、呋喃、噻吩
-12.3 吲哚 (苯并吡咯)
-12.4 吡啶
-12.5 喹啉、异喹啉 (苯并吡啶)
-12.6 含氧六元杂环
-12.7 多杂原子五元环、六元环介绍
-第十二章 杂环化合物--HW-第十二章章节测试题
-13.1 有机合成基础-part 1
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 1
-13.1 有机合成基础-part 2
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 2
-13.2 重排反应在实际有机合成中的应用
-13.3 碳水化合物-part 1
-13.3. 碳水化合物-part 2
--13.3.3.4 单糖的反应——醛糖的递升与递降反应及酮糖的特殊反应
-13.3. 碳水化合物-part 3
-13.3 碳水化合物-part 4
-13.4 氨基酸与多肽
-期中考试--二、 选择题
-期中考试--一、判断题
-期末考试--期末考试试题