第二章饱和烃

1、第二章 饱和烃,2.1 烷烃和环烷烃的通式和构造异构,甲烷 (CH4) CH4 乙烷 (C2H6) CH3CH3 丙烷 (C3H8) CH3CH2CH3,烷烃的通式：CnH2n+2,同系列：具有同一个分子结构通式，结构相似，化学性质也相似，物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物系列，叫同系列。同系列中的化合物互称为同系物。,2.1.1 烷烃和环烷烃的通式,2020/6/30,3,环烷烃的通式,CnH2n,2020/6/30,4,同分异构现象：分子式相同而结构相异，因而其性质也各异的不同化合物，称为同分异构体。,构造异构,构性异构,碳架异构,官能团位置异构,官能团异构,顺反异构,旋光异

2、构,异构的生成(C4H10),2.1.2 烷烃和环烷烃的构造异构,异构的生成(C5H10),C5H10,2020/6/30,8,随着烷烃分子中的碳原子数目的增多，烷烃的构造异构体数目将急剧增加。,2020/6/30,9,脂环烃的定义和命名,可简写为,环丙烷,2020/6/30,10,含四个碳原子的环烷烃,即,2020/6/30,11,写出分子式C5H10的环烷烃的异构体构造式。（提示；包括五环、四环和三环。）,碳原子的分类,2020/6/30,13,烷基命名规则,1.去掉直链烷烃末端氢原子所得的基团为正烷基；,2.去掉直链烷烃中一个仲氢原子所得的基团为仲烷基；,型的基团为异烷基；,3.CH3C

3、H(CH2)n,CH3,4.去掉一个叔氢原子所得的基团为叔烷基；,2.2.2 烷基和环烷基,2020/6/30,14,CH3CH2CH2CH2,CH3CHCH2CH2,CH3,正丁基,CH3CH2CHCH3,仲丁基,异戊基,CH3C,CH3,叔戊基,CH3C,CH3,CH3,CH2CH3,叔丁基,2020/6/30,15,常见烷 基 的 命 名(R ),烷(烯，炔)烃去掉一个氢原子后所剩余的部分，称为某基。,甲基、乙基、丙基、丁基、苯基、芳基等可分别用英文缩写式Me，Et，Pr，Bu，Ph，Ar表示。“正”用n-表示；“仲”用s-”表示；“异”用“i-”表示；“叔”用“t”表示。,2020/6

4、/30,16,烷基的系统命名法,简单的烷基通常用普通的命名法来命名。 比较复杂的烷基采用系统命名法命名。,2020/6/30,17,烷烃的习惯命名法,1.用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 、十一、十二表示烷烃中碳原子的 数目；,2.直链烷烃冠以“正”字；,3.端头为（CH3)2CH,其余部分为直链的 烷烃，为异烷烃；,3.端头为（CH3)3C,其余部分为直链的 烷烃，为新烷烃.,正戊烷,异戊烷,新戊烷,烷烃的衍生物命名法 (以甲烷为衍生物的母体),异丁烷 三甲基甲烷,异戊烷 二甲基乙基甲烷,新戊烷 四甲基甲烷,2020/6/30,20,取代基的次序规则,与主链相连的相对原子质量(原子序

5、数)越大，顺序越优先；如果与主链相连的第一个相对原子质量相同，则采用外推法逐个进行比较；在命名中优先基团后列出。,一CH3，一CH2CH3 ,一CH2CH2CH3， 一CH2(CH2)2CH3 ,CH2(CH2)3CH3，CH2(CH2)4CH3， CH2CH2CH(CH3)2，一CH2C(CH3)2，一CH2C6H5， 一CH(CH3)2,2020/6/30,21,系统命名法,1.选主链；,选择最长的 碳链为主链，当具有相同长度的 碳链可作为主链时，应选择支链最多的碳链；,CH3-CH2-CH-CH-CH2-CH3,CH3CH,H3C,CH3CH,CHCH3,CH3,1,2,3,4,5,6,

6、2，5二甲基3，4二乙基己烷,2020/6/30,22,2.编号；,从离取代基最近一端开始对主链碳原子进行编号，当主长度和支链数目相同时，应遵循最低系列原则，即逐个比较两种编号法中表示取代基位置的字，最先遇到取代基位置较小者，定为最低系列。,CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH-CH-CH3,H3C,CH3,CH3,CH2CH3,1 2 3 4 5 6 7 8 9,9 8 7 6 5 4 3 2 1,2，3，8三甲基6乙基壬烷,（不是2，7，8 三甲基4乙基壬烷）,2020/6/30,23,3.命名。,A.用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 、十一、十二表示烷烃中主链碳原子的

7、 数目；,B.取代基名称放在主链名称的前面，用连字符（）连结；取代基在主链上的位置用阿拉伯数字表示，阿拉伯数字与取代基名称用连字符连结。,C.如果在一个主链上同时连有多个取代基，按次序规则，优先基团后列出。如果在主链上有多个相同取代基，可合并书写，其表示位置的数字应分别用阿拉伯数字表明，合并的取代基个数用中文数字标明,中文数字放在取代基名称前面。,2020/6/30,24,CH3-CH-CH2-CH-CH-CH3,CH3,H3C,CH3,(CH3)2-CH-CH2-CH-(CH3) -CH- (CH3)2,2,3,5-三甲基己烷,CH3-CH-CH2-CH-C2H5,CH3CH2,CH2CH3

8、,3甲基5乙基庚烷,CH3-CH2-CH-CH-C-CH2-CH2-CH3,CH3CH2,CH3,CH3,CH-CH3,CH3,4,5-二甲基3乙基5异丙基辛烷,30页习题2.5,2020/6/30,25,2.2.4 环烷烃的命名,以碳环为母体，侧链为取代基 母体的名称同直链烷烃，不同在于前加一“环” 取代基的位置用阿拉伯数字表示 编号以取代基的位置最小为原则,2020/6/30,26,（1）单环环烷烃的命名,1，2二甲基环戊烷,1甲基3乙基环己烷,31页习题2.6,2020/6/30,27,顺反异构,当环上有两个碳原子各连有不同的原子和基团，相同基团位于环平面同侧的为顺式，在环两边的为反式。

9、,2020/6/30,28,或,或,顺1，4二甲基环己烷,反1，4二甲基环己烷,33页习题2.7,2020/6/30,29,集合环烷烃,环戊基环己烷 cyclopentylcyclohexane,1,1- 联环丙基（烷） 1,1-Bicyclopropyl 1,1-Bicyclopropane,定义：两个或两个以上的环系各以一个碳原子用单键或 双键直接相连而成的化合物称为集合环烷烃。,2020/6/30,30,螺环化合物共用一个碳原子,螺2.4庚烷,（,）,2020/6/30,31,螺环化合物的命名,组成环的碳原子总数称为某烷 加上词头“螺” 两个环的碳原子数，按由小到大的次序写在“螺”和“某

10、烷”之间的方括号里，数字用圆点分开。,2020/6/30,32,例子,即,螺3.4辛烷,2020/6/30,33,桥环化合物共用两个及以上碳原子,桥头碳,双环2.2.1庚烷,2020/6/30,34,双环化合物的命名,组成环的碳原子总数称为某烷 加上词头“双环” 各“桥”的碳原子数，按由大到小的次序写在“双环”和“某烷”之间的方括号里，数字用圆点分开。,2020/6/30,35,螺环和桥环化合物的编号规则,螺环: 从连接在螺原子上的一个碳原子开始,先编较小的环,然后经过螺原子再编第二个环. 桥环: 从一个桥头碳开始,先编最长的桥至第二个桥头,再编较长的桥,依次编号. 取代基的位置号码之和较小为

11、原则。,2020/6/30,36,5甲基螺2.4庚烷,1,7-二甲基双环3.2.2壬烷,2020/6/30,37,8,8二甲基双环3.2.1辛烷,双环2.2.22,5,7-辛三烯,33页习题2.7,2.3 烷烃和环烷烃的结构,用物理方法测得甲烷分子为一正四面体结构，碳原子居于正四面体的中心，和碳原子相连的四个氢原子，居于四面体的四个角，四个碳氢键键长都为0.110nm，所有HCH的键角都是1095,甲烷的结构,2020/6/30,39,sp3杂化的碳原子,几何构型：四面体,2020/6/30,40,甲烷的结构,2020/6/30,41,甲烷的球棍模型,2020/6/30,42,甲烷的比例模型,

12、2020/6/30,43,乙烷的结构,CH3CH3,C2H6,每个碳原子为正四面体结构 CH 键长 = 110 pm CC 键长 = 153 pm,2020/6/30,44,sp3 sp3 键,sp3 1s 键,1个C键,6个CH键,2020/6/30,45,2020/6/30,46,乙烷的球棒模型,2020/6/30,47,乙烷的比例模型,2020/6/30,48,乙烷的棍棒模型,2020/6/30,49,正丁烷的球棒模型,正丁烷的比例模型,2020/6/30,50,2.3.2 环烷烃的结构与稳定性,环烷烃随着环的大小不同，其稳定性不尽相同。,燃烧热：,1 mol 化合物,完全燃烧,生成CO

13、2 + H2O,放出的热量,通过测定分子燃烧热可以确定环烷烃内能的大小 烷烃分子中，每个亚甲基的燃烧热平均658.6KJ/mol,2020/6/30,51,2020/6/30,52,2020/6/30,53,环的张力越小，相应的环烷烃越稳定。 环己烷 环戊烷 环丁烷 环丙烷,37页习题2.8,2020/6/30,54,2.4 烷烃和环烷烃的构象,37页 构造 构型 构象,44页习题2.10,2020/6/30,55,由于键呈圆柱状对称，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)。,2.4.1 乙烷的构象,

14、由此产生的异构体构象异构体 (conformers),2020/6/30,56,乙烷的构象棒球模型,交叉式,重叠式,2020/6/30,57,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,重叠式,交叉式,乙烷的透视式构象,2020/6/30,58,乙烷的newman投影式,H,H,H,H,H,H,重叠式,交叉式,2020/6/30,59,0 60 120 180 240 300 360,12 kJ/mol,2020/6/30,60,丁烷的构象及其能量,H,H,CH3,CH3,H,H,全重叠式,全交叉式,2020/6/30,61,H,H,CH3,H,H,CH3,部分重叠式,部分交叉式,2020

15、/6/30,62,0 60 120 180 240 300 360,3 kJ/mol,14 kJ/mol,2020/6/30,63,对多烷烃,最稳定的构象位邻碳的构象为全交叉式.,己烷,直链多烷烃,45页习题2.12,2020/6/30,64,环丙烷的结构,C-C-C键角:104 H-C-H:键角:115 C-H键长:0.1089nm,图形,2020/6/30,65,非平面结构,使得环的张力稍下降,但仍不稳定,环丁烷,2020/6/30,66,若为平面的构象,所有的C-H键都重叠,具有 较大的扭转张力.,环戊烷,2020/6/30,67,信封式,半椅式,信封式与半椅式稳定性相似,可以相互转换.

16、,环戊烷的非平面的构象,2020/6/30,68,2.4.3 环己烷的构象,环己烷的碳骨架不是平面结构， C键角为109.5。通过旋转键 和键角的改变，可以得到两种构象：,椅型,船型,图 2.14 环己烷的椅式和船式构象,2020/6/30,69,碳原子的键角近四面体 但船头的氢原子存在较大的van der Waals (范德华)力.,180 pm,环己烷的船式构象,动画,2020/6/30,70,碳原子的空间构象接近于正四面体.,环己烷的椅式构象,2020/6/30,71,环己烷椅型和船型构象的模型,2020/6/30,72,图2.16 环己烷的构象翻转,2020/6/30,73,环己烷的1

17、2个键可划分为两组,2.4.4 取代环己烷的构象,2020/6/30,74,直立键(axial)-a键,2020/6/30,75,平伏键( equatorial)-e键,2020/6/30,76,椅式构象的转换 快速的过程 (活化能 = 45 kJ/mol) a键与e键互相转换,构象的转换,2020/6/30,77,5%,95%,甲基环己烷,CH3,CH3,2020/6/30,78,5%,95%,处于直立键的甲基与氢产生 van der Waals 张力,甲基环己烷,2020/6/30,79,40%,60%,氟原子的体积较甲基小,因此产生的van der Waals 张力也小.,氟代环己烷,F

18、,F,2020/6/30,80, 99.99%,叔丁基的体积较甲基大,因此产生的van der Waals 张力更大,tert-丁基环己烷,C(CH3)3,C(CH3)3,2020/6/30,81,van der Waals 张力更大,叔丁基环己烷,2020/6/30,82,结论,环己烷及其衍生物常温下主要以椅式构象存在； 一取代环己烷衍生物，取代基占据e键的构象比a键稳定； 多取代环己烷衍生物，取代基占据e键越多，构象越稳定； 环上取代基不同时，大的取代基占据e键的构象稳定,45页习题2.13,烷烃的物理性质,2020/6/30,84,bp -160C,bp -89C,bp -42C,n-丁

19、烷 CH3CH2CH2CH3 异丁烷 (CH3)3CH,Bp -0.5C Mp: -138.3C,Bp 11.7 C Mp: -159.4 C,2020/6/30,86,沸点,随烷烃相对分子质量增加而增大；,分子支链愈多，沸点愈低。,2020/6/30,87,熔点,基本上随烷烃相对分子质量增加而增大，构成两条熔点曲线奇数碳原子烷烃和偶数碳原子烷烃；,分子对称性越高，熔点越高。,2020/6/30,88,相对密度,随烷烃相对分子质量增加而有所增大，最后接近于0.78左右；,直链烷烃的密度大于支链烷烃。,2020/6/30,89,溶 解 度,不溶于水，易溶于有机溶剂,48页习题2.14，2.15，

20、2.16，2.17,2.6 烷烃的化学性质,2.6.1 氧化反应,2.6.2 异构化,该反应的用途在于炼油工业上提高汽油的质量.,2.6.3 裂化反应,裂化反应在石油工业上应用很广: 1.热裂化: 50atm, 500600 提高汽油的得量,对质量不理想 2.催化裂化: 催化剂,450500 得到80%的汽油 3.裂解,得到低级烯烃,在高温下使烷烃分子发生裂解的过程称为裂化。,*2.6.4 烷烃的取代反应,1.甲烷的氯代反应,烷烃被不同卤素取代的活性顺序为F2Cl2Br2,2.其它烷烃的氯代反应伯.仲.叔氢的反应活性,氢原子反应活性的计算方法: 设伯氢的活性为1,仲氢的相对反应活性为x,由氯代产物的数量比来求得x的值:,43,=,2x,6,57,X=,57*6,2*43,=4,仲氢的反应活性比伯氢高,异丁烷的氯代反应,氢原子反应活性的比较: 设伯氢的反应活性为1,叔氢的反应活性为x,64,=,x,9,36,X=,5.06,叔氢的反应活性比仲氢高,氢原子的反应活性: 叔氢仲氢伯氢,2.7 甲烷氯代反应历程,55页习题2.18,202