[科普中国]-脂环化合物-

脂环化合物是有机化学分类通过碳骨架排列不同所得到的一类有机化合物。其分子中含有由3个或者3个以上碳原子连接成的碳环，环内两个相邻碳原子之间可以是单键、双键或三键，环的数目可以是一个或多个，环的结构以及数目的不同使得脂环化合物具有不同的化学性质；环上的碳原子也可与化学官能团相连，如：氨基、羧基、羟基、碳碳双键、碳碳三键等，接上不同官能团具有不同的化学性质。此类化合物包括脂环烃及其衍生物。脂环化合物化学性质应具体参考其结构和官能团而定。物理性质与碳原子数目相同的开链化合物相比熔点、沸点和密度均要高一些。 1

简介有机化合物通过碳骨架排列不同所得到的开链化合物和环形化合物，而环形化合物根据碳环内是否含有非碳原子（如：O、N、S、P等）分为碳环化合物和杂环化合物，后又根据是否具有芳香性进行分类，脂环族化合物便是碳环化合物中的一种，指分子中含有碳环且无芳香性。如图所示。1

脂环化合物分子中将含有两个以上碳环的称为多环化合物，包括螺环烃、稠环烃、桥环烃及它们的衍生物；脂环烃的性质与开链烃大致相似，衍生物的性质则根据其立体结构和官能团种类而定。脂环化合物包括：脂环烃及其衍生物两大类，脂环烃分为饱和脂环烃和不饱和脂环烃，前者为环烷烃，后者为环烯烃和环炔烃；脂环烃衍生物则根据所含官能团进行分类，如：环己醇、环己酮等。1

碳环化合物分子中含有由碳原子组成的环状结构，故称碳环化合物。它又可分为两类：脂环族化合物：是一类性质和脂肪族化合物相似的碳环化合物。芳香族化合物：是分子中含有苯环或稠苯体系的化合物。1

物理性质环烷烃与开链烃相比，由于结构上的差异环烷烃的沸点、熔点、比重都比开链烷烃要高。这是因为开链烷烃分子可以自由“摇动”，分子间“拉”的不紧，容易挥发，所以沸点较低；由于这种摇动，它比较难以在晶格中做有次序的排列，所以熔点也比较低；环烷烃排列的比开链烷烃更紧密，所以密度也高一些，但它们的密度仍比水小，其物理常数如表所示。5

相关反应加成反应环烷烃的加成反应

环丙烷、环丁烷可以开环发生加成反应，环戊烷以上的环烷烃开环比较困难。因环丙烷和环丁烷在加成反应时开环，所以此反应在对应环烷烃加成后开环又称作开环反应5。开环反应的反应活性：三元环>四元环>五、六、七元环。1

(1)加氢

环戊烷以下的环烷烃在催化剂的存在下可以与氢加成生成相应的烷烃。环的大小不同，要求的反应条件也不同，环丙烷较易开环，在较低温度下就可以与氢加成；环戊烷就较难开环，必须在较高温度下用铂催化剂才能与氢加成。当脂环化合物中含有双键等不饱和官能团时反生加氢反应不开环，只在双键处发生加成反应。5

(2)加卤素和卤化氢

环丙烷在室温下即可与卤素或卤化氢加成。环丁烷在室温下加成比较图难。环戊烷以上的环烷烃一般不与卤素或卤化氢发生加成反应。环丙烷与氢卤酸发生加成反应时，环的破裂发生在取代基最少和取代基最多的碳原子之间，并遵循马尔柯夫尼可夫规则（马氏规则），即环破裂后氢原子加在含氢较多的碳原子上。5

环烯烃的加成反应

环烯烃可以与卤素、卤化氢、硫酸等发生加成反应，加成反应发生在碳碳双键的位置。当双键上含有取代基的环烯烃与极性试剂发生加成时遵守马尔科夫尼科夫规则。5

取代反应环戊烷以上的环烷烃不易开环发生加成反应，它们与烷烃相似在高温或光照条件下可以发生取代反应，如：5

氧化反应环烷烃的氧化

环烷烃与烷烃相似，在常温下与一般的氧化剂不发生化学反应；即使是最不稳定的环丙烷在常温下也不使高锰酸钾溶液褪色，因此可以利用高锰酸钾稀释溶液鉴别环烷烃和不饱和烃。在加热、使用催化剂或强氧化剂条件下，环烷烃可以被氧化成含氧化合物。例如环己烷可以被热硝酸或者高锰酸钾氧化成己二酸。己二酸是合成尼龙-66的单体。此外环烷烃的燃烧也属于氧化反应。5

环烯烃的氧化

环烯烃可以被高锰酸钾、臭氧等氧化剂氧化生成开键的含氧化合物。氧化条件不同生成的产物也不同，例如环己烯可按如下氧化还原方式转化为己二醛。5

热裂反应无氧存在时，烷烃在高温（800°C左右）发生碳碳键断裂，大分子化合物变为小分子化合物，这个反应称为热裂（pyrolysis）。1石油加工后除得汽油外，还有煤油、柴油等相对分子质量较大的烷烃；通过热裂反应，可以变成汽油、甲烷、乙烷、乙烯及丙烯等小分子的化合物，其过程很复杂，产物也复杂；碳碳键、碳氢键均可断裂，断裂可以在分子中间，也可以在分子一侧发生；分子愈大，愈易断裂，热裂后的分子还可以再进行热裂。热裂反应的反应机制是热作用下的自由基反应，所用的原料是混合物，现用环已烷为例说明如下：1

合成反应在有机合成中环状化合物的合成方式有很多，如：分子内成环，重排反应成环等，最为常见的便是双烯合成（Diels-Alder反应）。具有双键的环烯烃与共轭二烯烃的性质相似，可以发生双烯合成反应，如果是两分子的环戊烷即使是常温下也可以发生双烯合成反应，生成二聚环戊二烯。5

主要来源脂环化合物广泛存在于自然界中，如植物香精油中含有不饱和脂环烃及其含氧衍生物；石油中含有环己烷、甲基环己烷等饱和脂环烃及其衍生物。6

本词条内容贡献者为:

包申旭 - 教授 - 武汉理工大学