饱和烃烷烃和环烷烃有机化学

饱和烃烷烃和环烷烃有机化学第1页/共96页第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.1

烷烃和环烷烃的通式和构造异构2.2烷烃和环烷烃的命名2.3

烷烃和环烷烃的结构2.4

烷烃和环烷烃的构象2.5

烷烃和环烷烃的物理性质2.6

烷烃和环烷烃的化学性质2.7

烷烃和环烷烃的主要来源和制法第二章目录第2页/共96页烃：“火”代表碳，“

”代表氢，所以“烃”的含义就是碳和氢。烃——分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物。烷烃——碳原子完全被氢原子所饱和的烃。烃是有机化合物的母体。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第3页/共96页2.1烷烃和环烷烃的通式和构造异构

烷烃的通式为CnH2n+2

。2.1.1烷烃和环烷烃的通式

第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第4页/共96页环烷烃的通式为CnH2n

通式----表示某一类化合物分子式的式子。

同系列----结构相似，而在组成上相差－CH2－的整数倍的一系列化合物。同系物----同系列中的各个化合物叫做同系物。同系物化学性质相似，物理性质随分子量增加而有规律地变化。举例：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷…均属烷烃系列。环丙烷、环丁烷、环戊烷…均属环烷烃系列。乙酸、丙酸、月桂酸、硬脂酸…均属脂肪酸系列。烷烃和环烷烃的通式和构造异构第5页/共96页2.1.2烷烃和环烷烃的构造异构

这两种不同的丁烷,具有相同的分子式和不同的结构式，互为同分异构体。

同分异构体——分子式相同，结构式不同的化合物。

同分异构现象——分子式相同，结构式不同的现象。

丙烷中的一个氢原子被甲基取代，可得到两种不同的丁烷：

第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第6页/共96页

烷烃和环烷烃分子中，随着碳原子数增加，同分异构体迅速增加。举例(同分异构体的写法)：C6H14：烷烃和环烷烃的构造异构第7页/共96页C7H16有9个同分异构体：C10H22可写出75个异构体；C20H42可写出366319个异构体。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第8页/共96页C5H10(环烷烃)有5个异构体：C6H12(环烷烃)有12个异构体!同分异构现象是造成有机化合物数量庞大的重要原因之一。烷烃和环烷烃的构造异构第9页/共96页2.2烷烃和环烷烃的命名

2.2.1伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢2.2.2烷基和环烷基2.2.3烷烃的命名2.2.4环烷烃的命名第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第10页/共96页2.2烷烃的命名

与三个氢原子相连的碳原子,叫伯碳原子(第一碳原子、一级碳原子),用1°表示与二个氢原子相连的碳原子,叫仲碳原子(第二碳原子、二级碳原子),用2°表示与一个氢原子相连的碳原子,叫叔碳原子(第三碳原子、三级碳原子),用3°表示与四个碳原子相连的碳原子,叫季碳原子(第四碳原子、四级碳原子),用4°表示烷烃和环烷烃的命名

2.2.1伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢第11页/共96页连在伯碳上氢原子叫伯氢原子(一级氢，1°H)连在仲碳上氢原子叫仲氢原子(二级氢，2°H)连在叔碳上氢原子叫叔氢原子(三级氢，3°H)第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第12页/共96页2.2.2烷基和环烷基烷基(alkylgroups):从烷烃中去掉一个H原子,剩余的结构部分

一些烷基的名称与表示异丙基(iso-propyl)i-Pr－第13页/共96页名称缩写第14页/共96页2.2.3烷烃的命名

(1)普通命名法普通命名法亦称为习惯命名法，适用于简单化合物。对直链烷烃，叫正某(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二)烷。例：烷烃和环烷烃的命名第15页/共96页对有支链的烷烃：有结构片断者叫异某烷；有结构片断者叫新某烷。例：第16页/共96页(2)衍生物命名法

衍生物命名法适用于简单化合物。衍生物命名法是以甲烷为母体，选择取代基最多的碳为母体碳原子。例如:第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第17页/共96页(3)系统命名法（重点）烷烃的命名直链烷烃：

与普通命名法相似,省略“正”字。如:系统命名是由三部分构成：Chemistry，InternationalUnionofPureandApplied缩写作IUPAC母体取代基的位次与名称化合物的名称碳原子的个数第18页/共96页

选取最长的碳链作为主链。

对于相等长的碳链，选取含支链最多的碳链。

根据主链的碳原子数，称“某”烷。(a)选择主链，确定母体支链烷烃的命名，按以下步骤进行：庚烷第19页/共96页(b)为主链上的碳原子编号

从靠近支链一端依次用阿拉伯数字编号。当编号有几种可能时，要使支链的位次号较小(符合“最低系列”规则)。(I)(II)3,6,73,4,7第20页/共96页(c)确定化合物的名称

将取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代基名称的前面，加上它的位次号，并用半字线“–”将两者连接。

当含有几个不同的取代基时，按照“次序规则”，将“优先”的基团列在后面，各取代基之间用半字线“–”连接。

当含有几个相同的取代基时，用“一、二、三、四……”表示其个数，逐个标明其位次号，并用逗号分开。第21页/共96页5–丙基–4–异丙基壬烷1234567893,7–二甲基–4–乙基壬烷1234第22页/共96页系统命名法总结:简化成四个

“最”:最长,最多,最小,最简单

☆

最长:而不是最直

☆最多:若有2个或2个等长的最长链,选择取代基最多的一条做主链

☆最小:

(最低系列原则:取代基的位次和最小)

☆最简单:书写时先写简单的取代基(依据次序规则)第23页/共96页2.2.4环烷烃的命名

(1)单环环烷烃

烷烃和环烷烃的命名123456124531–甲基–3–乙基环己烷1,1–二甲基–3–异丙基环戊烷第24页/共96页(2)二环环烷烃

分子中含有两个碳环的是双环化合物。

两环共用一个碳原子双环化合物的叫做螺环化合物；两环共用两个或更多个碳原子的叫做桥环化合物。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第25页/共96页(a)桥环烷烃的命名先找桥头碳（两环共用的碳原子），从桥头碳开始编号。沿大环编到另一个桥头碳，再从该桥头碳沿着次大环继续编号。分子中含有双键或取代基时，用阿拉伯数字表示其位次：烷烃和环烷烃的命名固定格式：双环[a.b.c]某烷(a≥b≥c)第26页/共96页(b)螺环烷烃的命名

先找螺原子，编号从与螺原子相连的碳开始，沿小环编到大环。例：第二章饱和烃:烷烃和环烷烃

固定格式：螺[a.b]某烷(a≤b)

第27页/共96页2.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性2.3.2环烷烃的结构与环的稳定性饱和烃的结构第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第28页/共96页2.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性第二章饱和烃:烷烃和环烷烃C:1s22s22px12py12pz0第29页/共96页对实验事实的解释：①sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。②4个sp3杂化轨道间取最大的空间距离为正四面体构型，键角为109.5°(动画，sp3杂化碳)。构型——原子在空间的排列方式。③四个轨道完全相同。杂化的结果：σ键的形成及其特性第30页/共96页

sp3杂化的碳原子几何构型：四面体第31页/共96页∵CH4中的4个杂化轨道为四面体构型(sp3杂化)∴H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠(因为顶点方向电子云密度最大),形成4个σsp3-s键。σ键——电子云围绕两核间连线呈圆柱体的轴对称,可自由旋转。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第32页/共96页sp3–1sσ键4个C－Hσ键图2.4甲烷的结构第33页/共96页

由于sp3杂化碳的轨道夹角是109.5°，所以烷烃中的碳链是锯齿形的而不是直线。乙烷、丙烷、丁烷中的碳原子也都采取sp3杂化：丁烷σ键的形成及其特性第34页/共96页1个C－Ｃσ键6个C－Hσ键sp3–sp3

σ键sp3–1s

σ键第35页/共96页图2.7乙烷的球棒模型第36页/共96页σ键的特点：①σ键电子云重叠程度大，键能大，不易断裂；②σ键可自由旋转(成键原子绕键轴的相对旋转不改变电子云的形状)；③两核间不能有两个或两个以上的σ键。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第37页/共96页成键方式:轨道在轴线(两核连线）之外头碰头、斜侧式重迭,重迭程度较小,形成的键比通常的σ-键弱，比π-键强，称香蕉键。

1、环丙烷2.3.2环烷烃的结构与环的稳定性第38页/共96页斜侧式重叠头碰头重叠

角张力:键角105.5°偏差40，具有角张力。扭转张力:相邻碳上的H均为重叠式构象，具有扭转张力第39页/共96页环丁烷的构象（球棒模型）2、环丁烷成键方式:轨道也为斜侧式重叠,但斜侧程度小.形成的键也是香蕉键。斜侧式重叠第40页/共96页角张力:键角111.50偏差20，有角张力。扭转张力:相邻碳上的氢均为交叉式构象无扭转张力。环丁烷的构象——翼式第41页/共96页3、环戊烷成键方式:轨道正常重叠，基本保持了109028‘

的正常键角环戊烷的构象—信封式第42页/共96页2.4烷烃和环烷烃的构象

2.4.1乙烷的构象2.4.2丁烷的构象

2.4.3环己烷的构象饱和烃的构象第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第43页/共96页2.4.1乙烷的构象

构象——由于围绕C-C单键旋转而产生的分子中各原子或原子团在空间的排列方式。

第二章饱和烃:烷烃常用Newman投影式表示烷烃的构象。第44页/共96页Newman投影式的写法：

(1)从C-C单键的延线上观察：

前碳后碳(2)固定“前”碳，将“后”碳沿键轴旋转，得到乙烷的各种构象。最典型的有两种：重叠式和交叉式。

乙烷的构象第45页/共96页交叉式构象重叠式构象锯架式Newman投影式楔型式乙烷的构象交叉式构象交叉式构象重叠式构象重叠式构象第46页/共96页重叠式:

注意：

室温下不能将乙烷的两种构象分离，因单键旋转能垒很低(～12.6KJ/mol)

交叉式:能量高，不稳定(因非键张力大)，一般含0.5%非键张力小，能量低，稳定。一般含99.5%第二章饱和烃:烷烃第47页/共96页2.4.1乙烷的构象

2.4烷烃和环烷烃的构象

第二章饱和烃:烷烃和环烷烃

由于σ键呈圆柱状对称，C－Ｃ单键能够发生旋转，由此而导致的分子中的其它原子或基团在空间的排布方式不同，分子的这种立体形象——构象(conformation)。由此产生的异构体——构象异构体

(conformers)第48页/共96页

以能量为纵坐标，以单键的旋转角度为横坐标作图，乙烷的能量变换曲线如下：乙烷的构象第49页/共96页2.4.2丁烷的构象

丁烷有下列四种典型构象：注意：常温下，丁烷主要是以对位交叉式存在，全重叠式实际上不存在。第二章饱和烃:烷烃第50页/共96页丁烷的能量图如下：丁烷的构象第51页/共96页2.4.3环己烷的构象环己烷分子中的六个碳不共平面，且六元环是无张力环，键角为109.5°。环己烷有两种典型构象(船式与椅式的翻转)：第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第52页/共96页第53页/共96页第54页/共96页2.椅式环己烷的分子中的a键和e键：从环己烷分子的椅式构象模型中可以看出：C1、C3和C5处在同一个平面内，C2、C4和C6处在另外一个平面。第55页/共96页每个碳上与氢原子相连的两个键都是一个垂直于平面，这个键叫直立键，以a表示；另一个键则大致与平面平行，叫做平伏键，以e表示。六个a键六个e键；画法：3左3右，3上3下。

第56页/共96页第57页/共96页第58页/共96页2.4.4取代环己烷的构象

一取代的环己烷，取代基可以处在a键上，也可以处在e键上：取代基越大，它处于e

键的构象越稳定第59页/共96页二取代环己烷1、1,2-二取代环己烷顺-1,2-二甲基环己烷反-1,2-二甲基环己烷构造式构型式第60页/共96页反-1,2-二甲基环己烷顺-1,2-二甲基环己烷第61页/共96页2、1,3-二取代环己烷顺-1,3-二甲基环己烷反-1,3-二甲基环己烷第62页/共96页3、有两个不同取代基时反-1-甲基-3-异丙基环己烷顺-1-甲基-4-叔丁基环己烷第63页/共96页1.具有一个取代基的环己烷,取代基在e键上时为稳定构象.2.具有多个相同取代基的环己烷,取代基在e键上越多,构象越稳定.3.环上有不同取代基时,大基团在e键上的构象是稳定构象.规律:第64页/共96页2.5烷烃的物理性质

2.5.1沸点2.5.2熔点

2.5.3相对密度

2.5.4溶解度

2.5.5折射率烷烃的物理性质第二章饱和烃:烷烃第65页/共96页2.5烷烃的物理性质

2.5.1沸点沸点——化合物的蒸汽压等于外压(0.1Mpa)时的温度。

烷烃的b.p随分子量的↑而有规律地↑第二章饱和烃:烷烃第66页/共96页

正构者b.p高。支链越多，沸点越低。Why？例：n-C5H12(b.p36°C)正戊烷

i-C5H12(b.p28°C)异戊烷新-C5H12:(b.p9.5°C)新戊烷

烷烃的物理性质2.5.2熔点

烷烃的m.p亦随分子量的增加而有规律地增加：①

总趋势是分子量↑，m.p↑。分子越对称，m.p↑

第67页/共96页2.5.3相对密度随分子量↑，烷烃的相对密度↑，最后接近于0.8(d≤0.8)2.5.4溶解度烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂如CCl4、(C2H5)2O、C2H5OH等。第二章饱和烃:烷烃第68页/共96页第二章饱和烃:烷烃第69页/共96页2.6烷烃的化学性质

2.6.1自由基取代反应2.6.2氧化反应2.6.3异构反应2.6.4裂化反应烷烃的化学性质第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.6.5小环环烷烃的加成反应第70页/共96页(1)卤化反应(2)卤化反应的机理(4)反应活性与选择性(3)卤化反应的取向与自由基的稳定性（重点）2.6.1自由基取代反应烷烃的化学性质第71页/共96页2.6烷烃的化学性质

烷烃C-C、C-H都是σ键，极性小，键能大，因而烷烃的化学性质稳定。室温下，烷烃不与强酸、强碱、强还原剂(Zn+HCl、Na+C2H5OH)、强氧化剂(KMnO4、K2Cr2O7)起反应或反应很慢。

但高温、高压、光照或有催化剂存在时烷烃可发生一些化学反应。这些反应在石油化工占有重要的地位。

第二章饱和烃:烷烃第72页/共96页2.6.1取代反应

(1)卤化反应在光、热或催化剂的作用下，烷烃分子中的氢原子被卤原子取代，生成烃的卤素衍生物和卤化氢。例：烷烃的自由基取代反应第73页/共96页高碳烷烃的氯代反应在工业上有重要的应用。例如：

第二章饱和烃:烷烃第74页/共96页根据反应事实，对反应做出的详细描述和理论解释叫做反应机理。研究反应机理的目的是认清反应的本质，掌握反应的规律，从而达到控制和利用反应的目的。

(2)卤化反应的机理

烷烃的自由基取代反应第75页/共96页以甲烷氯代反应为例：

①加热或光照下进行，一经开始便可自动进行；②产物中有少量乙烷；以上实验事实，说明该反应是一自由基反应!

自由基反应大多可被光照、高温、过氧化物所催化，一般在气相或非极性溶剂中进行。烷烃的氧化和裂化都是自由基反应。

实验事实第二章饱和烃:烷烃第76页/共96页甲烷氯代反应历程如下：

链引发的特点是只产生自由基不消耗自由基。

……链增长的特点是：消耗一个自由基的同时产生另一个自由基。

烷烃的自由基取代反应第77页/共96页第二章饱和烃:烷烃链终止的特点是只消耗自由基而不再产生自由基。第78页/共96页(3)卤化反应的取向与自由基的稳定性（课本51页)丙烷的氯代反应如下：丙烷中，伯氢∶仲氢=6∶2，那么正丙基氯应为异丙基氯的三倍，其实不然!!显然仲氢比伯氢活泼。

……烷烃的自由基取代反应第79页/共96页设伯氢的活泼性是1，仲氢的活泼性x，则有：即仲氢的氯代反应活性是伯氢的4倍。第二章饱和烃:烷烃第80页/共96页即叔氢原子的氯代反应活泼性是伯氢原子的5倍。

异丁烷的氯代反应如下：所以，烷烃中氢原子的活泼性顺序是：

叔氢＞仲氢＞伯氢！

烷烃的自由基取代反应第81页/共96页第二章饱和烃:烷烃反应的取向与自由基的稳定性反应取向:反应有生成两种或两种以上产物的可能性时,主要生成哪一种产物。卤代反应的活性:

30H

>20H

>

10H

>

CH4

卤代反应是通过自由基活性中间体进行的,反应的活性取决于相应的烷基自由基是否容易生成。第82页/共96页

伯、仲、叔氢的活性不同，与C-H键的解离能有关。键的解离能越小，其均裂时吸收的能量越少，因此也就容易被取代。有关键的解离能如下：

上述解离能数据说明：形成自由基所需能量：CH3·＞1＞2＞3自由基自由基的稳定性顺序：3＞2＞1