第二章烷烃(1)

1、第二章 烷烃和环烷烃烃：由烃：由C、H两种元素组成的有机化合物。两种元素组成的有机化合物。烃（hydrocarbon）烷烃(alkane): 饱和烃（saturated hydrocarbon）烯烃 (alkene)炔烃 (alkyne)芳香烃 (aromatic hydrocarbon)环烷烃(cycloalkane)开链烷烃 （chain alkane）脂肪烃（aliphatic hydrocarbon）第一节第一节 烷烃与同分异构现象烷烃与同分异构现象一、烷烃的通式和同系列一、烷烃的通式和同系列开链烷烃 （chain alkane）直链烷烃（straight-chain alkane）支

2、链烷烃 （branched-chain alkane）通式: CnH2n+2（n为碳原子数）HCHHHHCHHCHHHHCHHCHHCHHHHCHHCHHCHHCHHH甲烷 乙烷 丙烷 丁烷HCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHHCnH2n同系物（homologue）同系列n二、烷烃的同分异构现象二、烷烃的同分异构现象CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3(正)丁烷 异丁烷CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3(正)戊烷 异戊烷 新戊烷1. 同分异构现象 （isomerism）2. 同分异构体(isomer)构造异构体(cons

3、titutional isomer)立体异构体(steric isomer)3. 开链烷烃的异构现象：一般是碳架异构体或碳链异构体或碳胳异构体。随着碳原子数的增加，烷烃碳架异构体的数目迅速增加。随着碳原子数的增加，烷烃碳架异构体的数目迅速增加。 第二节第二节 烷烃的命名烷烃的命名俗名法普通命名方法：又称习惯命名法IUPAC命名法(International Union of Pure and Applied Chemistry)中文系统命名法有机物命名法中文系统命名法：中文系统命名法：结合结合IUPAC的命名原则和我国文字特点制定的，的命名原则和我国文字特点制定的，在在1960年修订了年修订了

4、有机化学物质的系统命名原则有机化学物质的系统命名原则，又在，又在1980年加以补充，出版了年加以补充，出版了有机化学命名有机化学命名增订本。其中不仅介绍中增订本。其中不仅介绍中文命名，也对英文命名做了简单地介绍。文命名，也对英文命名做了简单地介绍。一、系统命名法一、系统命名法选择最长的、含支链最多的链选择最长的、含支链最多的链为主链，根据主链碳原子数称为为主链，根据主链碳原子数称为“某某”烷。烷。用于确定取代基（支链）的用于确定取代基（支链）的 位置位置 。依次写出取代基的位次、个数、依次写出取代基的位次、个数、名称于某烷之前，大基团后列出。名称于某烷之前，大基团后列出。1. 基本规则基本规则

5、2、系统命名法的四个要点、系统命名法的四个要点CH3CH2CHCH2CH2CHCHCH3CH2CH3CH3CH387654123(2) 取代基的位次与命名取代基的位次与命名 选择碳原子数目最多、选择碳原子数目最多、支链最多的碳链为主链支链最多的碳链为主链,根据主链所含的碳原子根据主链所含的碳原子数称为数称为“某烷某烷”。(1) 主碳链的选择与母体烃的确定主碳链的选择与母体烃的确定（1 1）烷基：）烷基：烷烃分子去掉一个或几个氢原子之后剩烷烃分子去掉一个或几个氢原子之后剩余的部分（原子团）称为烷基，通常用余的部分（原子团）称为烷基，通常用R表示表示。 CH3CH4HC2H5C2H6H甲基甲基 M

6、e- 乙基乙基 Et-CH2CH亚甲基亚甲基次甲基次甲基（2）常见的烷基）常见的烷基烷烷 基基仲氢仲氢CH3CH2CH3CH3CH2CH2CH3CHCH3伯氢伯氢正丙基正丙基 n-Pr-异丙基异丙基 i-Pr-CH3CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH3CHCH2CH3仲氢仲氢伯氢伯氢正丁基正丁基 n-Bu-仲丁基仲丁基 s-Bu-CH2CHCH3CH3CHCH3CH3CH3CH3CH3CH3C叔氢叔氢伯氢伯氢异丁基异丁基 i-Bu-叔丁基叔丁基 t-Bu-H3CCCH3CHCCCCH3CH3CH2CH3HHHHH12345671234567CH3(3) 主链碳原子的编号主链碳原子的

7、编号(4) 书写化合物的名称书写化合物的名称a. 取代基与母体的关系 b. 取代基与取代基的关系 c. 位次与取代基的关系 d. 位次与位次的关系 2,3,6-三甲基-4-乙基庚烷取代基的位次相同取代基的个数主链名称(母体名称)取代基的名称逗点连字符取代基的位次连字符从距取代基最近的从距取代基最近的一端开始编号；若一端开始编号；若主链有两种以上不主链有两种以上不同的编号时，采用同的编号时，采用“最低系列原则最低系列原则”来编号。来编号。CCH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH3CH3CH12 6个碳原子,4个支链6个碳原子，个碳原子，2个支链个支链选择红色为主链选择红色为主链例例12,2

8、,5-三甲基三甲基-3-乙基乙基己烷己烷CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH324351C1234566 绿色编号正确3,3,4-三甲基三甲基己烷己烷例例2若有多个取代基，则若有多个取代基，则应使其编号之和最小应使其编号之和最小CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH123456CH2 3-甲基甲基-4-乙基乙基己烷己烷例例3若有相同编号，若有相同编号，则小基团先编号则小基团先编号注意事项注意事项 1) 相同取代基数目用汉文数字二、三相同取代基数目用汉文数字二、三 . 表示；表示； 2）取代基的位次用阿拉伯数字表示；）取代基的位次用阿拉伯数字表示； 3）阿拉伯数字与汉字之间必须用短

9、横线分开；）阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开； 4）阿拉伯数字之间必须用逗号分开。）阿拉伯数字之间必须用逗号分开。取代基位次相同取代基的个数取代基名称母体取代基位次相同取代基的个数取代基名称母体系统命名与写结构练习系统命名与写结构练习CH3CH3CHCH2CH2CH32-2-甲基戊烷甲基戊烷 CH3CH2CHCHCH3 CH3 CH32,3-2,3-二甲基戊烷二甲基戊烷和：和： 从距取代基最近一端开始编号。从距取代基最近一端开始编号。 CH3CH2CHCH2CH3 CHCH3CH3 CH3CHCHCHCH2CH2CH3CH3CH3CH2CHCH3CH32,3,6-2,3,6-三甲基三甲基4

10、-4-丙基庚烷丙基庚烷2-2-甲基甲基-3-3-乙基戊烷乙基戊烷和：有相同长度的链时，选取代基最多的链为主链。和：有相同长度的链时，选取代基最多的链为主链。 CH3CHCH2CHCH3CH3CH3CH3CH3 每个取代基的位置均用数字标明。每个取代基的位置均用数字标明。 写结构：写结构：2,6-二甲基二甲基-3-乙基庚烷乙基庚烷写法：先写主链（注意碳数），再写支链。写法：先写主链（注意碳数），再写支链。CH3CHCHCH2CH2CHCH3CH3CH3CH2CH32,2,4,4-2,2,4,4-四甲基戊烷四甲基戊烷答案：答案：2,6 -二甲基二甲基 3,6 - 二乙基辛烷二乙基辛烷CH3CH2C

11、HCH2CH2CCH2CH3CH3CH2CH3CHCH3CH34-丙基-5-(1-异丙基丁基)十一烷4-丙基-5-1-异丙基丁基十一烷二、碳原子类型和次序规则二、碳原子类型和次序规则 1C原子：与一个原子：与一个C相连的相连的C原子，也称伯原子；原子，也称伯原子； 与其相连的与其相连的H 叫伯氢叫伯氢 (1H) 2C原子：与两个原子：与两个C相连的相连的C原子，原子，也称仲也称仲C原子原子； 与其相连的与其相连的H 叫仲氢叫仲氢 (2H) 3C原子：与三个原子：与三个C相连的相连的C原子，原子，也称叔也称叔C原子；原子； 与其相连的与其相连的H 叫叔氢叫叔氢 (3H) 4季季C原子：与四个原子

12、：与四个C相连的相连的C原子原子; 无季无季H。 1. 烷烃分子中烷烃分子中 C 原子、原子、H 原子类型原子类型 伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢CH3CH3CH3CH3 CH2 CH C CH3 伯碳伯碳伯氢伯氢仲碳仲碳仲氢仲氢叔碳叔碳叔氢叔氢季季碳碳CCHHCHCH3CCH3HHCH3CH3H102030401010101010102030401010102优先次序规则优先次序规则 （1）单原子取代基：）单原子取代基：按原子序数由大到小的次序排序，原子按原子序数由大到小的次序排序，原子序数大者为序数大者为“较优较优”基团；同位素中质量高者为基团；同位素中质量高

13、者为“较优较优”基团。基团。 I Br Cl S P F O N C D H（2）多原子取代基：若取代基的第一个原子相同，则采用外）多原子取代基：若取代基的第一个原子相同，则采用外推法依次比较两个取代基上具有等价位次的原子的优先次推法依次比较两个取代基上具有等价位次的原子的优先次序。等价位次上原子较优的基团为序。等价位次上原子较优的基团为“较优较优”基团。基团。 CHHHCH HCHHH( CH3 )（ CH2CH3 ）例：例：OH NH2 CH3原子序数：原子序数：OC前者为较优基团前者为较优基团例：例： 比较基团大小比较基团大小 CH2OH ， CH2CH3（3）当取代基含有重键时，）当取

14、代基含有重键时，把与双键或叁键相连的原子看把与双键或叁键相连的原子看作是以单键与两个或三个原子相连。作是以单键与两个或三个原子相连。 H3CH2CNCH3HCH3CH2 CH3 H 假想原子（4）若参与比较的原子的价键数少于）若参与比较的原子的价键数少于4，则可以补充适量的，则可以补充适量的原子序数为零的假想原子，并将假想原子的排序放在最后。原子序数为零的假想原子，并将假想原子的排序放在最后。 答案：bca EI E E 张力能张力能从现在的角度看，三元环的张力能是由以下几种因素造成的：从现在的角度看，三元环的张力能是由以下几种因素造成的： 1. 由于二个氢原子之间的距离小于范德华半径之和，所

15、以产生由于二个氢原子之间的距离小于范德华半径之和，所以产生 非键连作用，造成内能升高；非键连作用，造成内能升高； 2. 轨道没有按轴向重迭，导致键长缩短，电子云重叠减少，造轨道没有按轴向重迭，导致键长缩短，电子云重叠减少，造 成内能升高；成内能升高； 3. E 是由于偏转角引起的张力（即角张力）能。是由于偏转角引起的张力（即角张力）能。 4. E 是由是由全重叠构象引起的。全重叠构象引起的。图 2.4 环丙烷sp3杂化轨道交叉重叠形成的弯曲键弯曲键（bent bond） HHHHHH151.0 pm114108.9 pm图 2.8 环丙烷的几何结构3. 环丙烃的构象环丙烃的构象平面式平面式从环

16、丁烷开始，组成环的碳原子均不在同一平面上。从环丁烷开始，组成环的碳原子均不在同一平面上。4. 环丁烷的构象环丁烷的构象折叠式折叠式HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH图 2.9 环丁烷构象翻转互变的能态变化势能v环丁烷环丁烷成键原子成键原子轨道重叠轨道重叠程度比环程度比环丙烷大，丙烷大，角张力小，角张力小，分子较环分子较环丙烷稳定，丙烷稳定，较难发生较难发生开环反应。开环反应。5. 环戊烷的构象环戊烷的构象-信封式或半椅式信封式或半椅式 HHHHHHHHHHHHHHHHHHHH信封型半椅式v环戊烷分子中成键轨道几乎在其对称轴方向上重环戊烷分子中成键轨道几乎在其对称轴方向上重叠，叠，

17、C-C-C键角为键角为108o。角张力很小，分子较稳定，。角张力很小，分子较稳定，难于发生开环反应。难于发生开环反应。 环己烷、环庚烷及大环化合物的分子中已不存在环己烷、环庚烷及大环化合物的分子中已不存在弯曲键，弯曲键，C-C-C键角为键角为10928 ，无环张力，分子很稳，无环张力，分子很稳定。性质类似于开链烷烃。自然界中以六元环化合物定。性质类似于开链烷烃。自然界中以六元环化合物存在的居多，其次是五元环。存在的居多，其次是五元环。 5.3 环烷烃的立体结构环烷烃的立体结构 5.3.1 顺反异构顺反异构 环的存在限制了环的存在限制了 键的自由旋转，当环上有两个键的自由旋转，当环上有两个或两个

18、以上碳原子各连接不同的原子或基团时，与烯或两个以上碳原子各连接不同的原子或基团时，与烯烃相似，也产生顺反异构。烃相似，也产生顺反异构。H3CCH3HHHH3CHCH3反反-1, 3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷 顺顺-1, 3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷 H3CCH3HHHH3CHCH3顺顺-1, 3-二甲基环丁烷二甲基环丁烷 反反-1, 3-二甲基环丁烷二甲基环丁烷 5.3.2 环己烷及其衍生物的构象异构环己烷及其衍生物的构象异构 与直链烷烃相比，环的存在限制了相邻与直链烷烃相比，环的存在限制了相邻C-C单键的相对旋转，但在环不开裂的范围内，单键的相对旋转，但在环不开裂的范围内，只要成环的所有碳原

19、子不在同一平面上只要成环的所有碳原子不在同一平面上,彼此彼此间仍可扭转，也存在构象异构。间仍可扭转，也存在构象异构。 环己烷是无张力环，六个碳原子不共平环己烷是无张力环，六个碳原子不共平面，通过键的旋转和键角的扭动，可以得到面，通过键的旋转和键角的扭动，可以得到椅式和船式两种不同的极限构象椅式和船式两种不同的极限构象(1918年莫尔年莫尔)。 椅式构象椅式构象 船式构象船式构象透视式透视式1、环己烷的构象、环己烷的构象(1) 椅式构象椅式构象投影投影方向方向纽曼投影式纽曼投影式HHHHHHHHHHHHHH H H H H H H H HHHHHHHHHHH146523123456 椅式构象是环

20、己烷最稳定的构象。椅式构象是环己烷最稳定的构象。 原因：所有的键都处于交叉式原因：所有的键都处于交叉式 CH键键直立键直立键 or a 键键 （6个）个）平伏键平伏键 or e 键键 （6个）个）室温下，由于分子热运动，椅式构象可以翻转。室温下，由于分子热运动，椅式构象可以翻转。 结果：原来结果：原来a 键变为键变为e 键，而键，而e 键变为键变为a 键。键。HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH123456 1234 56（2）船式构象）船式构象投影投影方向方向透视式透视式纽曼投影式纽曼投影式123456 在在船式构象船式构象中，中，C1 与与C4 上相上相对的两个对的两个H 靠得

21、很近，靠得很近，C2 与与C3 、C5 与与C6 上的上的CH键处在重叠式键处在重叠式位置，位置，船式结构中，非键斥力船式结构中，非键斥力大，能量高，大，能量高，不稳定不稳定。HHHHHHHHHHHH4HHHHHHHHHHHH23561123456练习写环己烷的椅式构象练习写环己烷的椅式构象2、环己烷衍生物的构象、环己烷衍生物的构象CH3CH3（A） (5%) （B） (95%)稳定性稳定性 (A) (B) 例如：室温例如：室温下下 一元取代的环己烷，取代基在一元取代的环己烷，取代基在e 键上的构象稳定；键上的构象稳定； 对于多元取代环己烷，对于多元取代环己烷，e 键取代基（尤其是大基团）键取

22、代基（尤其是大基团）越多，其椅式构象越稳定。越多，其椅式构象越稳定。练习：练习：1. 1-甲基甲基-1-异丙基环己烷的优势构象异丙基环己烷的优势构象CH3CHH3CH3C 2. 顺顺-1-1-甲基甲基-2-2-乙基环己烷的优势构象乙基环己烷的优势构象CH3CH3CH2CH3CH3CH2CH3CH3CH2CH3CH3CH23. 反反-1-1-甲基甲基-2-2-乙基环己烷的优势构象乙基环己烷的优势构象思考：思考：1,3-二甲基环己烷二甲基环己烷 、1,4-二甲基环己烷优势二甲基环己烷优势构象是顺式还是反式？构象是顺式还是反式？CH3CH3顺式顺式CH3CH3反式反式CH3CH3CH21、开环反应、开环反应