《脂肪烃和脂环烃》PPT课件.ppt

1 第2章脂肪烃和脂环烃 天然气 甲烷 主要成分 乙烷 少量 丙烷 少量 2 碳氢化合物hydrocarbon 开链烃 烃 环烃 脂环烃aliphaticcyclicHydrocarbon 脂肪烃aliphatichydrocarbons 芳香烃aromatichydrocarbon 烷烃 alkane 烯烃 alkene 炔烃 alkyne 3 2 1同系列和异构现象 烷烃通式 CnH2n 2 名称分子式结构简式甲烷CH4CH4乙烷C2H6CH3CH3丙烷C3H8CH3CH2CH3 饱和烃 saturatedhydrocarbons 4 烯烃通式 CnH2nCnH2n 2 不饱和度 unsaturateddegree 名称分子式结构简式乙烯C2H4CH2 CH2丙烯C3H6CH3CH CH21 丁烯C4H8CH3CH2CH CH21 3 戊二烯C4H6CH2 CH CH CH CH32 4 己二烯C6H10CH3CH CH CH CH CH3 5 炔烃通式 CnH2n 2 名称分子式结构简式乙炔C2H2HC CH丙炔C3H4CH3C CH1 丁炔C4H6CH3CH2C CH 同系列 analog 含有不同碳原子数的烃同系物 analogous 同系列中的每个成员 6 正丁烷异丁烷b p 0 5 m p 138 3 b p 11 7 m p 159 4 分子式相同而结构不同的化合物则称为同分异构体 分子中各原子的连接方式和顺序称为构造 由于分子中各原子的连接方式和顺序不同产生的异构称为构造异构 constitutionalisomerism 烷烃中的构造异构都是由于碳的连接顺序不同而产生的 这样的异构体又称骨架异构 carbonskeletonisomerism 7 8 正戊烷异戊烷新戊烷b p36 1 b p29 9 b p9 4 m p 129 8 m p 159 8 m p 16 8 9 10 烷烃的可能构造异构体数目 11 12 官能团位置异构 positionisomerism 13 官能团异构 functionalgroupisomerism 14 2 2命名 普通命名法 对于十个碳以内的脂肪烃 碳数用天干 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸表示 十一个碳及多于十一个碳的用数字表示 饱和烷以 烷 字结尾 相应的碳数放在 烷 字之前 正 n 表示直链 异 iso 表示具有 CH3 2CH 结构的异构体 新 neo 表示具有 CH3 3CCH2 结构的异构体 15 正烷烃的名称构造式中文名英文名CH4甲烷methaneCH3CH3乙烷ethaneCH3CH2CH3丙烷propaneCH3 CH2 2CH3 正 丁烷n butaneCH3 CH2 3CH3 正 戊烷n pentaneCH3 CH2 4CH3 正 己烷n hexaneCH3 CH2 5CH3 正 庚烷n heptaneCH3 CH2 6CH3 正 辛烷n octaneCH3 CH2 7CH3 正 壬烷n nonaneCH3 CH2 8CH3 正 癸烷n decaneCH3 CH2 9CH3 正 十一烷n undecaneCH3 CH2 10CH3 正 十二烷n dodecaneCH3 CH2 11CH3 正 十三烷n tridecaneCH3 CH2 12CH3 正 十四烷n tetradecaneCH3 CH2 13CH3 正 十五烷n pentadecaneCH3 CH2 14CH3 正 十六烷n hexadecaneCH3 CH2 15CH3 正 十七烷n heptadecane 正 n 表示直链烷烃 可以省略 16 构造式中文名英文名CH3 CH2 16CH3 正 十八烷n octadecaneCH3 CH2 17CH3 正 十九烷n nonadecaneCH3 CH2 18CH3 正 二十烷n icosaneCH3 CH2 19CH3 正 二十一烷n henicosaneCH3 CH2 20CH3 正 二十二烷n docosaneCH3 CH2 28CH3 正 三十烷n triacontaneCH3 CH2 29CH3 正 三十一烷n hentriacontaneCH3 CH2 30CH3 正 三十二烷n dotriacontaneCH3 CH2 38CH3 正 四十烷n tetracontaneCH3 CH2 48CH3 正 五十烷n pentacontaneCH3 CH2 58CH3 正 六十烷n hexacontaneCH3 CH2 68CH3 正 七十烷n heptacontaneCH3 CH2 78CH3 正 八十烷n octacontaneCH3 CH2 88CH3 正 九十烷n nonacontaneCH3 CH2 98CH3 正 一百烷n hectaneCH3 CH2 132CH3 正 一百三十四烷n tetratriacontanehectane 17 1oH2oH3oH1oC2oC3oC4oC 伯 仲 叔 季 支链烷烃的命名 伯 一级 碳 primarycarbon仲 二级 碳 secondarycarbon叔 三级 碳 tertiarycarbon季 四级 碳 quaternarycarbon 18 primarysecondarytertiary 19 碳原子和氢原子的类型 烷烃分子中的碳原子 按照它们所连的碳原子数目的不同 可分为四类只连一个碳原子的称为伯碳原子 通常用 表示连有两个碳原子的称为仲碳原子 常用 表示连有三个碳原子的称为叔碳原子 常用 表示连有四个碳原子的称为季碳原子 常用 4 表示 20 取代基的命名 取代基 取代基是取代有机化合物中氢原子的基团 21 22 系统命名法与IUPAC命名法 选择一条含碳数最多的碳链为主链 称 某烷 并以此作为母体 主链碳原子的编号从靠取代基或支链最近的一端开始 依次用阿拉伯数字标出 命名时 将取代基放在母体前称 某基某烷 如果主链带有几个相同的取代基 则可以将它们合并 在基团名称前用 一 二 三 四 数字表明取代基的数目 取代基的位次用阿拉伯数字表示 数字之间用逗号 隔开 阿拉伯数字和汉字之间用短线 隔开 烷烃的名法 InternationalUnionofPureandAppliedChemistry 23 注意 相同位次的相同取代基也要标出取代基的位次 有多少个取代基就有多少个阿拉伯数字表明位次 如果取代基不同 则按 次序规则 排列顺序 较优基团放在后面 IUPAC命名法中取代基按首位字母顺序排列 书写的时候 4 乙基辛烷2 7 二甲基 3 6 二乙基辛烷4 methyloctane3 6 diethyl 2 7 dimethyloctane 异丙基 在IUPAC命名中使用 支链多 支链少 24 次序规则SequenceRule 1 将各取代基的原子按原子序数大小排列 大者为较优基团 有机化合物中常见的元素其顺序由大到小排列如下 I Br Cl S P F O N C D H 2 如果两个基团的第一个原子相同 则比较与它相连的其它原子 比较时 按原子序数排列 先比较最大的 若仍相同 再依次比较第二 第三个原子 如 CH2Cl与 CHF2 第一个均为碳原子 再按顺序比较与碳相连的其它原子 在 CH2Cl中为 C Cl H H 在 CHF2中为 C F F H Cl F 故 CH2Cl CHF2 根据这一规则 一些常见烷基的优先次序为 甲基 乙基 丙基 丁基 戊基 异戊基 异丁基 新戊基 异丙基 仲丁基 叔丁基 3 含有双键或叁键的基团 可认为连有两个或三个相同的原子 25 在英文名称中 一 二 三 四 数字相应用词头 mono di tri tetra 表示 取代基列出的顺序按取代基名称第一个字母的字母排列顺序先后列出 简单的取代基英文数字词头不参加字母顺序排列 这是我国系统命名法与IUPAC命名法的不同之处 读者在阅读外文文献时应注意 2 3 5 三甲基己烷2 7 8 三甲基癸烷2 3 5 trimethylhexane2 7 8 trimethyldecane 26 如果主链上连有不同的取代基且距碳链两端的距离都相同时 则按 次序规则 排列出基团的顺序 编号时使较大 或较优 基团号数为大 编号的时候 3 甲基 5 乙基庚烷4 乙基 6 异丙基壬烷 27 如支链上还有取代基时 则从与主链直接相连的碳开始 选择支链中最长的碳链依次进行编号 按系统命名法将支链命名并用括号括起来 将这个取代基的位次及名称放在母体之前 28 烯烃和炔烃的命名 选择含有不饱和键的最长碳链为主链 从不饱和键距碳端最近的一端开始编号 使不饱和键的位次为最小 在满足不饱和键位次最低的前提下 使取代基的位次尽可能小 29 命名时 根据碳原子的数目 称 某烃 如果是烯烃 结尾是 某烯 如果是炔烃 结尾是 某炔 将不饱和键编号小的碳原子位次标在母体之前 取代基的位次和名称写在最前面 表示方法与烷烃相同 4 乙基 3 丙基 1 己炔3 甲基 2 乙基己烯4 ethyl 3 propyl 1 hexyne2 ethyl 3 methyl 1 hexene 30 如果不饱和键的位置在1位 在不引起误会的情况下 阿拉伯数字 1 可以省略 3 甲基丁烯3 甲基 1 丁烯 31 对于含有多个不饱和键的化合物 应选择含有不饱和键最多的最长碳链为主链 如果含有两个双键 称 某二烯 如果含有三个双键 称 某三烯 如果是两个叁键 称 某二炔 命名时每个不饱和键的位次都用阿拉伯数字表示 并放在名称之前 3 丁基 1 5 己二烯5 甲基 1 3 6 庚三烯3 butyl 1 5 hexadiene5 methyl 1 3 6 heptatriene 2 5 庚二炔2 5 heptadiyne 32 如果分子内同时含有双键和叁键 命名为烯炔 碳原子数目在 烯 字前表示 编号时从距不饱和键最近的一端开始 如果双键和三键距两端的距离都相同 则使双键的位次为小 2 辛烯 6 炔oct 2 en 6 yne 3 戊烯 1 炔6 甲基 1 庚烯 4 炔pent 3 en 1 yne6 methyl hept 1 en 4 yne 使双键的位次为小 33 non 1 en 8 yne 1 壬烯 8 炔 E deca 4 9 dien 1 yne E 4 9 癸二烯 1 炔 如果双键和三键距两端的距离都相同 则使双键的位次为小 含有一个双键和一个三键 E 1 6 癸二烯 9 炔 p 23 其他情况下均服从最低系列 一组编号 原则 34 烯烃的顺反异构 顺反异构体 cis transisomers 两个相同基团处于双键同侧两个相同集团处于双键的两侧顺 2 丁烯 cis 2 butene 反 2 丁烯 trans 2 butene 35 A 顺反命名法 顺 3 己烯反 3 己烯cis 3 hexenetrans 3 hexene 顺 顺 2 4 己二烯顺 反 2 5 辛二烯cis cis 2 4 hexadienecis trans 2 5 octadiene 36 B Z E命名法 注意 如何比较 Me Et Pr Bu 37 38 Z E命名法 Z 2 氯 2 丁烯 Z 2 chloro 2 butene顺反命名法 反 2 氯 2 丁烯trans 2 chloro 2 butene 39 Nomenclatureofalkeneandalkyne 40 1 确定主链 链的长短 长的优先 侧链数目 多的优先 侧链位次大小 小的优先 各侧链碳原子数 多的优先 侧分支的多少 少的优先 2 编号 按最低系列原则编号 最低系列原则 使取代基的位置号码尽可能小 若有多个取代基 逐个比较 直至比出高底为止 3 按名称基本格式写出全名 小结与复习 命名原则和命名步骤 41 那个是不正确的编号 42 问题1 43 1确定主链 最长链为主链 2编号 第一行取代基编号为2 4 5 第二行取代基编号为2 3 5 根据最低系列原则 用第二行编号 3 命名 中文名称 2 3 5 三甲基己烷英文名称 2 3 5 trimethylhexane 44 问题2 45 1确定主链 有两个等长的最长链 比侧链数 一长链有四个侧链 另一长链有两个侧链 多的优先 2编号 第二行取代基编号2 3 4 5 第一行取代基编号4 5 6 7 根据最低系列原则 选第二行编号3命名 中文名称 2 3 5 三甲基 4 丙基辛烷英文名称 2 3 5 trimethyl 4 n propyloctane 46 问题3 47 1确定主链 有两根等长的主链 侧链数均为三个 一长链侧链位次为2 4 5 而另一长链侧链位次为2 4 6 小的优先2编号 黑色编号侧链位次2 4 5 蓝色编号侧链位次3 4 6 按最底系列原则选黑色编号 3命名 中文命名 2 5 二甲基 4 异丁基庚烷2 5 二甲基 4 2 甲丙基 庚烷英文命名 4 isobutyl 2 5 dimethylheptane2 5 dimethyl 4 2 methylpropyl heptane 48 问题4 49 1确定主链 有两根等长的最长链 侧链数均为5 侧链的位次均为3 5 7 9 11侧链碳原子数由小到大依次为 1 1 1 2 81 1 1 1 9多的优先2编号 第二行编号和第一行编号取代基位次等同 均为3 5 7 9 11 此时用最低系列原则无法确定选哪一种编号 则用下面方法确定编号 中文编号 让顺序规则中顺序较小的基团位次尽可能小 所以 取第二行字编号 英文编号 按英文字母顺序 让字母排在前面的基团位次尽可能小 所以取第一行编号 3命名 中文命名3 5 9 三甲基 11 乙基 7 2 4 二甲基己基 十三烷英文命名7 2 4 dimethylhexyl 3 ethyl 5 9 11 trimethyltridecane 50 问题5 51 1确定主链 有两根等长的长链 两根长链均有两个侧链 位次均为4 5 碳原子数均为3 7 黑字长链4位侧链无侧分支 5位侧链有侧分支 绿字长链4 5位侧链均有侧分支 侧分支少者优先 2编号 黑字编号 取代基位置4 5 蓝字编号取代基位置7 8 取黑字编号3命名 中文命名4 丙基 5 1 异丙基丁基 十一烷英文命名5 1 isopropylbutyl 4 propylundecane 52 脂环烃的命名 单环 螺环 桥环 53 环上没有取代基的环烷烃命名时只需在相应的烷烃前加环 英文名称只需在相应的英文名称前加cyclo 54 环上有取代基的单环烷烃命名分两种情况 环上的取代基比较复杂时 应将链作为母体 将环作为取代基 按链烷烃的命名原则和命名方法来命名 而当环上的取代基比较简单时 通常将环作为母体来命名 乙基环己烷ethylcyclohexane 2 甲基 4 环己基己烷4 cyclohexyl 2 methylhexane 55 当环上有两个或多个取代基时 一般用环作为母体来命名比较方便 对母体环进行编号时 编号仍遵守最低系列原则 例如 1 4 二甲基 2 乙基环己烷 2 ethyl 1 4 dimethylcyclohexane 56 但由于环没有端基 有时会出现有几种编号方式都符号最低系列原则的情况 例如 上面列出了同一个化合物的三种编号方式 它们都符合最低系列原则 也即应用最低系列原则无法确定哪一种编号优先 57 1 3 二甲基 5 乙基环己烷 1 ethyl 3 5 dimethylcyclohexane 用最低系列原则无法确定选哪一种编号时 则用下面方法确定编号 中文 让顺序规则中顺序较小的基团位次尽可能小 英文 按英文字母顺序 让字母排在前面的基团位次尽可能小 区别 58 顺反异构 构型 Configuration 反 1 4 二甲基环己烷顺 1 4 二甲基环己烷trans 1 4 dimethylcyclohexanecis 1 4 dimethylcyclohexane 59 当链烃结构比较复杂时 命名时可将环看成是取代基 2 甲基 3 环己基丁烷 4 环丙基 2 戊烯2 methyl 3 cyclohexylbutane4 cyclopropyl 2 pentene 60 螺环化合物 spirocompounds 的命名 螺原子的编号是从小环临近螺原子的碳开始 由小环编到螺原子再到大环 命名时 根据组成环上碳原子的数目称 某烃 加上词头 螺 将两个环去掉螺原子后碳原子的数目 由小到大用阿拉伯数字写在 螺 和 某烷 中间的方括号内 数字之间用圆点隔开 一类多环化合物 分子中至少有两个环共享一个碳原子 在少数化合物中也可是其他原子 如硅 磷 砷等 61 编号是从小环开始的 所以 表示小环碳原子数的数字写在方括号的前面 表示大环碳原子数的数字写在方括号的后面 62 1R 3S 4S 6S 7R 1 3 7 三甲基 1 乙基二螺 3 1 5 2 十三烷 1R 3S 4S 6S 7R 1 ethyl 1 3 7 trimethyldispiro 3 1 5 2 tridecane 螺数 带数字的方括号 母体烃的名称 注意连接 63 桥环化合物的命名 从第一个桥头碳开始编号 先编最长桥 然后到第二个桥头碳 再沿次长桥回到第一个桥头碳 最后是最短桥 根据组成环的碳原子数称 某烷 加上词头 二环 将每条桥去掉桥头碳之后碳原子的数目 用阿拉伯数字由大到小的顺序写到 二环 和 某烷 之间的方括号内 数字之间用圆点隔开 桥环化合物是指化合物中的任意两个环共用两不直接相连的碳原子的环烃 根据组成环的数目分为二环烃 三环烃 四环烃等 两个环或多个环用的碳原子为桥头碳原子 连接桥头碳原子的键称做桥 注意连接 64 如果有取代基 在遵循桥环编号的原则下 尽可能使取代基的位次为小 并将取代基的位次和名称写在最前面 65 对于一些结构复杂的桥环烷烃 常用俗名 66 扩展阅读 金刚烷一种脂环烃 分子式C10H16 分子中碳原子的排列方式相当于金刚石晶格中的部分碳原子排列 存在于石油中 含量约为百万分之四 无色晶体 它的结构高度对称 分子接近球形 在晶格中能紧密堆积 熔点268 封管 是烷烃中最高的 相对密度1 07 容易结晶 它的桥头碳原子 即1 3 5 7 上的氢易发生取代反应 例如金刚烷与过量溴作用 生成1 溴金刚烷 与二氧化氮在175 下反应 生成1 硝基金刚烷 用三氧化铬和乙酸氧化 生成1 金刚醇 金刚烷也可由四氢二聚环戊二烯在无水氯化铝存在下异构化制得 它的衍生物可以用作药物 例如1 氨基金刚烷盐酸盐和1 金刚烷基乙胺盐酸盐能防治由A2病毒引起的流行性感冒 67 2 2烷烃 烯烃和炔烃的结构 C H键长0 11nm HCH为109 28 四个氢原子位于以碳为中心的正四面体的四个顶点 楔形式 球棍模型 斯陶特比例模型 甲烷分子模型 68 C H键平均键长为0 11C C键平均键长0 154nm CCC在111 113o之间 69 70 71 1 3 丁二烯的结构及共轭体系 孤立二烯烃 isolateddiene 累积二烯烃 cumulativediene 共轭二烯烃 conjugativediene 丙二烯 propa 1 2 diene 1 3 丁二烯 buta 1 3 diene 72 通常为154pm 共轭效应 conjugatedeffect 共轭 sp2 共轭效应 conjugatedeffect 不饱和的化合物中 有三个或三个以上互相平行的p轨道形成大 键 这种体系称为共轭体系 共轭体系中 电子云扩展到整个体系的现象称为电子离域或离域键 73 共轭体系 p 共轭体系 74 超共轭效应 hyperconjugationeffect 超共轭 p超共轭 超共轭 烷基上C原子与极小的氢原子结合 由于电子云的屏蔽效力很小 所以这些电子比较容易与邻近的 电子 或p电子 发生电子的离域作用 这种涉及到 轨道的离域作用的效应叫超共轭效应 75 WHY 氢化热 1mol不饱和化合物加氢时放出的热量 76 电子效应 诱导效应 I Inductiveeffect 共轭效应 C Conjugatedeffect 超共轭效应 Hyperconjugationeffect 吸电子诱导效应 I 给电子诱导效应 I 吸电子共轭效应 C 给电子诱导效应 C 77 吸电子共轭效应 C 给电子诱导效应 C 常以氢原子为标准 吸引电子能力 电负性较大 比氢原子强的原子或原子团 如 X NO2 CN等 有吸电子的诱导效应 负的诱导效应 I 整个分子的电子云偏向取代基 吸引电子的能力比氢原子弱的原子或原子团具有给电子的诱导效应 OCH3 正的诱导效应 I 用整个分子的电子云偏离取代基 78 2 3构象 Conformation 乙烷的构象 重叠式结构交叉式结构 构象 因单键旋转而使分子中原子或基团在空间产生的不同排列形式 异构体 79 构象的表示方式 透视式楔形式纽缦式 Newmanprojection 透视式楔形式纽缦式 80 81 82 氢原子的范德华半径为0 12nm 此距离小于两个氢原子的范德华半径之和 0 24nm 两个氢相互排斥作用最大 因此这种构象的位能最高 稳定性最差 原子的范德华半径是指在分子晶体中 分子间以范德华力结合 如稀有气体相邻两原子核间距的一半 83 Diagram Theconformationanalysisofethane 84 乙烷各种构象的能量曲线图 扭转角 各种构象的位能与扭转角的大小有关 交叉式构象的位能 85 从交叉式构象通过碳碳单键旋转到另一个交叉式构象 分子必须克服12 1kJ mol的能量 C C单键旋转也不是 自由 的 在常温下 这个能量完全可以由分子热运动的能量提供 因此 常温下分子可以通过C C旋转 从一种交叉式构象变为另一种交叉式构象 温度越高 旋转速度越快 如果温度降低 旋转速度也降低 大部分时间乙烷分子以能量低的交叉式构象存在 86 丁烷的构象 I0o全重叠II60o顺交叉式III120o部分重叠式顺叠sp顺错sc反错ac IV180o反交叉式V240o部分重叠式VI300o顺交叉式反叠ap反错ac顺错sc 87 丁烷构象能量曲线图 88 Whataboutbutane 89 环己烷的构象 90 球棍模型透视式纽缦投影式 椅式构象 直立键或a键 axial的字首 平伏键或e键 equatorial的字首 交叉 91 两种椅式构象翻转所需的能量为46kJ mol 在常温下 分子的热运动就可以提供这一能量 因此 常温下 两种椅式构象可以迅速转换 温度降低 翻转速度降低 当达到 100 时 两种椅式构象再不能互相转换了 92 Let sseethering flipofcyclohexane chair chair Payattentiontoaxial vertical equatorial bond parallel 93 船式构象 小于范德华半径之和0 24nm 根据计算 船式比椅式构象能量高30kJ mol 因此 室温下环己烷绝大多数以椅式构象存在 99 9 以上 重叠 94 95 式5 式95 99 99 0 01 96 优势构象 97 Payattentiontocis andtrans concept describingtherelativelypositionofthesubstitutedgroups Youmustremember theplanerelatesringprojection 98 其它环烷烃的构象 部分重叠形成弯曲键 实验测得 环丙烷C H键长为0 109nm C C键长为0 151nm HCH为115o CCC为104o 比正常键角小些 由于弯曲键不牢固 环又有角张力 彼此重叠的氢原子又有排斥作用 所以环丙烷具有较高的能量 稳定性差 易发生开环反应 角张力 anglestrain 或拜尔张力 因为轨道杂化之后形成化学键使得最理想的结合方式遭到破坏而无形中增加了能量 99 环戊烷 信封式 构象 环丁烷 蝴蝶式 构象 100 Total 6 5566 Total 11 4206 101 环的大小 稳定性与能量 total 0 0393 Total 1 3188 ChemBiooffice 102 十氢萘 二环 4 4 0 癸烷萘 反十氢萘顺十氢萘 黑点表示氢在纸面前面 103 2 4脂肪烃的物理性质及其与结构的关系 104 105 沸点 boilingpoint bp 化合物的沸点与分子间作用力有关 色散力 范德华吸引力 分子的极性氢键 分子由液相变为气相时的温度 液相时分子通过分子间的吸引力 内聚力 聚集在一起 气相时则彼此分开 提供一定的热量 加速分子的若运动 可使其克服内聚力 从而脱离液相而进入气相 内聚力越大 沸点越高 106 分子间作用力 概念 将气体分子凝聚成相应的固体或液体的作用 3 类型 常见的分子间作用力 范德华力和氢键 2 实质 分子间作用力是一种静电作用 但比化学键弱得多 107 强度比较 共价键 氢键 范德华力约100 10 1 化学键 分子间作用力 范德华力 又称分子作用力 产生于分子或原子之间的静电相互作用 取向力 色散力 诱导力 108 分子间作用力的几种形式 取向力色散力诱导力 色散力 分子的瞬时偶极间的作用力 诱导力 极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响 取向力 当两个极性