大学有机化学第二章 烷 烃和环烷 烃.ppt

1、第二章 烷 烃和环烷 烃,第一节 烷烃 alkanes 一. 概 念 二.结 构 三. 命 名 四. 性 质 五. 自然界的烷烃,第二节 环烷烃 Cyclic hydrides 概念 命名 结构 环己烷的构象 性质,一 概念,1.烃：只由C、H构成的化合物。 2.烃的分类 饱和(saturated)烷烃 开链烃 烃 不饱和烷烃 环烃(Cyclic hydrides) 脂环烃 芳香烃,3.烷烃：指分子中碳原子以单键相连，其余的价键与氢结合而成的化合物 4.烷烃的同系列：组成结构相似，组成 相差nCH2，满足同一通式CnH2n+2的系列化合物,同系列中的化合物彼此互称为同系物，固定差值CH2被称为

2、系差。,1 同分异构现象 分子式相同，而构造不同的异构体称为构造异构体。实质是由于碳干构造的不同而产生的，又称为碳链异构。低级烷烃的同分异构体数目和构造式，可以用碳干的不同推导出来，以己烷为例。,二 烷 烃 的 结 构,1）最长直碳链式 CCCCCC,2）,CCCCC C CCCCC C,2 原子轨道杂化理论（鲍林提出）,轨道杂化是由几个能量相近的原子轨道“混合和重组”重新组成能量相同的等数量的新轨道的过程。 烷烃中的碳原子是SP3杂化，烯烃中的双键碳原子是SP2杂化，炔烃中的三键碳原子是SP杂化。,2S,1S,2P,C原子的杂化方式有3种，sp3、sp2、sp,C原子的轨道排布式如右： 电子

3、排布式为1s22s22p2,2S,2PX,2PY,2PZ,2S,SP3,SP3杂化,SP3,SP3,SP3,激发,激发态,基态,A）SP3杂化,2PX,2PY,2PZ,杂化态,参与杂化的轨道：1个S轨道，3个P轨道 轨道组成1/4S轨道，3/4P轨道 形状：梨形 空间分布：正四面体,Y,X,Z,2S,2PX,2PY,2PZ,SP2,SP2,SP2,2PZ,SP2杂化,激发,激发态,基态,2S,2PX,2PY,2PZ,B）sp2杂化,SP2杂化： 参与杂化的轨道：1个S轨道，2个P轨道。 轨道组成1/3S轨道，2/3P轨道 形状：梨形 空间分布：平面三角形,2Pz,SP2,SP2,SP2,2S,

4、2PX,2PY,2PZ,SP杂化,激发,激发态,基态,2S,2PX,2PY,2PZ,C）SP杂化,2S,SP,2Py,2PZ,SP,SP杂化 参与杂化的轨道：1个S轨道，1个P轨道 轨道组成1/2S轨道，1/2P轨道 形状：梨形 空间分布：直线形,2Pz,2Py,SP,SP,sp3、sp2、sp三种杂化状态中，如果S所占成分较多，原子核对杂化轨道中的电子约束力较大，所以电负性sp sp2 sp3。,Kekule模型,Stuart模型,楔形式,3 烷烃的立体结构,1）结构的表示方法,实线表示在纸平面，粗线表示指向纸外，虚线表示指向纸内。,H 1S1,重叠,SP3S,109.50,代表 H,代表

5、C,2）甲烷和乙烷分子的形成,乙烷 SP3S CH SP3 SP3 CC H H HCCH H H,Stuart模型,SP3,SP3,3）丙烷及其以上的烷烃,4 烷烃的构象,1）概念：具有一定构型的分子由于单键的旋转而呈现的（一般可相互转变的）空间形象。 2）乙烷的构象,交叉式构象：两个碳原子上的氢原子彼此距离最远，处于相互交叉位置。 重叠式构象：两个碳原子上的氢原子彼此距离最近，处于相互重叠位置。,构象可用透视式（锯架式）、纽蔓投影式或楔型式来表示。 透视式：眼睛从C-C键轴斜450方向看,纽蔓投影式：眼睛从C-C键轴线上看,楔型式（伞形式）：是眼睛垂直于键轴方向看,重叠式构象,12.5,0

6、0,600,1200,能量 /KJ.mol-,重叠式,交叉式,交叉式,3）丁烷的构象,旋转600,全重叠式,邻位交叉式,对位交叉式,部分重叠式,部分重叠式,邻位交叉式,旋转600,旋转600,旋转600,转600,能量 / KJ.mol-,00,600,1200,3600,1800,2400,3000,14.2,18.4,3.4,1 C 、H原子的类型,伯C 10C 10H 伯H 仲C 20C 20H 仲H 叔C 30C 30H 叔H 季C 40C ,10,20,30,40,三 命名,2 烷基：烷烃分子中去掉一个氢原子而剩下的基团。 CnH2n+1 CH3- Methyl C2H5- Ethy

7、l CH3CH2CH2 Propyl 异丙基 Isopropyl CH3CH2CH2CH2 正丁基 Butyl 仲丁基 sec-Butyl,叔丁基 tert-Butyl,异丁基(Isobutyl),3 次序规则,支链烷基的名称及位置写在母体名称的前面，排列顺序按立体化学中的次序规则。 （1）将各取代基中与母体相连的原子按原子序数大小排列，原子序数大的，为较优(大）基团。,CH3-CH-CH2-CH-CH2CH3 2-甲基-4-乙基己烷 CH3 CH2CH3 CH3-CH-CH2 CH-CH2CH3 乙基为较优基团 H -C -H H- C- H H H- C - H H,（2）如各取代基中与母

8、体相连的第一个原子相同时，则比较与该 第一个原子相连的第二个原子，仍按序数排列，若第二个原子也相同，则比较第三个原子，依次类推。,C-C-C-CCC-C-C-C H-C-H H-C-C C C C 4-丙基-6-异丙基壬烷,（3）如果基团中含有双键或三键，则把它看作连有两个或三个相同原子或基团来进行比较,CCH2,H,CH2,CH=CH2,看成,CCH,看成,CCH,CH,CH,CCH,CH=CH2,C=O H,看成,CO,O,H,C=O H,CH2OH,4 命名 1） 普通命名法 正某烷 异某烷 碳链某一末端带有两个甲基的侧链的烷烃, (CH3)2CH- 新某烷 碳原子烷烃异构体中含季C的烷

9、烃, (CH3)3CCH2-,异或新只适用7个碳原子以下的烷烃。,2）系统命名（IUPAC）,A 直链：某正烷去“正” B 支链： 1 选主链 选择最长的链作为主链，主链C的数目命为某烷，把其他支链作为取代基。 2主链编号。一般由距离支链最近一端开始，若取代基不止一个，按照最低系列原则进行编号。（定基位）,最低系列：指的是当分别从主链两端开始编号而得到两种使取代其的位次具有不同号数的系列时，则逐次逐个比较各系列中的位次数字，最先遇到位次数字较小的系列就定为最低系列。例,2,2,4三甲基己烷,1 2 3 4 5 6,2,2,4,3,5,5,6 5 4 3 2 1,3书写： 排基名：列基顺序小为先

10、，基同合并，汉语数字表其数。 列名称；基前母后，汉字之间紧相连，中外字间一线牵。 支链烷基的名称及位置写在母体名称的前面，排列顺序按立体化学中的次序规则。,3-甲基-4-乙基己烷,1 2 3 4 5 6 CH3-CH-CH2-CH-CH2CH3 CH3 CH3 2，4二甲基己烷,具有相同长度的链作为主链时，则应选择支链数目多的为主链。 7 CH3 CH3 CH3-CH2-CH-CH-CH- CH-CH3 1 CH3 CH2 CH2-CH3 7 2，3，5三甲基4正丙基庚烷 2，3二甲基4仲丁基庚烷 ,2,5-二甲基-3，4-二乙基己烷,1 2 3 4 5 6 7 8 CH3CH2CH2CHCH

11、CH2CH2 CH3 CH2 CHCH3 CH2 CH3 CH3 4-正丙基-5-异丙基辛烷,两个不同的取代基，从主链任一端编号，位次均相同，则按“次序规则”给较小基团以较小编号。,四 性 质,1.物 理 物态： 甲丁烷 气体 ， 戊烷16烷 液体 ， 17烷以上 固体 熔 （mp）沸（bp） 点： C mp、bp 同分异构体中，直链烷的沸点最高，支链越多，沸点越低 相对密度：C d 0.8左右 溶解性：易溶于非极性溶剂,mp熔点0C,bp沸点0C,129.7,36.1,160,9.5,17,28,增大,降低,降低,色散力(分子间瞬时偶极作用力）的作用范围很小，只有分子间靠得很近的部分才起作用

12、。,mp熔点0C,bp沸点0C,69,63.3,60.3,58.0,49.7,94.0,118,154,129,98,2 有机反应的基本类型,1）共价键断裂的两种类型 C:Y C+Y C:- + Y+ C:Y C + :Y-,均裂,异裂,Cl :Cl Cl+Cl H=+2424KJ/MOL,均裂,2）自由基反应和离子型反应 自由基（游离基）反应:共价键均裂成自由基而引起的反应称为自由基反应。 离子型反应：共价键异裂成离子而引起的反应称为离子型反应。分为亲核反应和亲电反应。,给电体(亲核试剂）（ Nu- ) 进攻带部份正电子的碳原子而发生的反应叫亲核反应。 亲电体（亲电试剂如金属离子和H+ ）

13、进攻反应物带部份负电荷的位置而产生的反应叫亲电反应。,3、化学性质 一般很稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂作用。 烷烃的氧化 CnH2n+2+ 2 O2 nCO2+(n+1)H2O+Q热量,3n+1,燃烧,烃的卤代：分子中一个或某个原子或基团被另一原子或基团所代替的反应。 F2Cl2Br2I2,例 CH4+Cl2 CH3Cl+HCl,日光,或高温,日光,或高温,或高温,或高温,日光,日光,烃与氟难以控制（常温或黑暗），碘化很难发生， 一般指的是氯代或溴代。,4 烷烃卤代反应机理 a.链的引发 ClCl Cl+Cl 自由基的形成,光,b.链的增长 Cl + CH4HCl+CH3 CH3

14、+Cl2 CH3Cl+Cl,CH3Cl+Cl CH2Cl+HCl CH2Cl+Cl2CH2Cl2+Cl CH2Cl2 + Cl CHCl2+HCl CHCl2+Cl2CHCl3+Cl CHCl3+Cl CCl3+HCl CCl3+Cl2CCl4+Cl,c.链的终止 （不再有新的自由基） CH3 +CH3 C2H6 CH3 +Cl CH3Cl CH2Cl + CH2Cl ClCH2CH2Cl 反应最终产物是多种卤代烃及烷烃的混合物,5 烷基游离基相对稳定性,H =435KJ/mol,H =410KJ/mol,H =410KJ/mol,H =397KJ/mol,H =381KJ/mol,叔游离基

15、30,异丙基游离基 20,伯游离基 10,伯游离基 10,甲基游离基,同一类型的键发生均裂时，键的离解能愈小， 则游离基愈易生成，生成的游离基也较稳定。 自由基的相对稳定性 稳定次序：叔自由基仲自由基伯自由基CH3 取代速度不同 30H 20H 10H (游离基活性比较）,CH3 ,57%,43%,36%,64%,五自然界的烷烃,甲烷、沼气、瓦斯 瓦斯主要成分是烷烃，其中甲烷占大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。如遇明火，即可燃烧，发生“瓦 斯”爆炸。 瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下

16、产生的激烈氧化反应。 生物体中的烷烃,第二节 环烷烃 Cyclic alkanes,一、环烃：碳原子连接成环，性质与脂肪族类似的碳氢化合物。 二、分类,环烃,脂环烃 （单环）,环烷烃 CnH2n,环烯烃 CnH2n-2,环炔烃,小环 C3C4,普环 C5C7,中环 C8C11,大环 C12以上,芳香烃,单 环,多 环,稠 环,单环烃,CH3CHCH2CHCH2CH3,CH3,1,2,3,4,5,6,2甲基4环丙基己烷,三 单环环烷烃命名 如果环上有较复杂的取代基，则把碳环作为取代基进行命名。简单的单环烷烃以环为母体，环上侧链为取代基进行命名。,1,1二甲基3乙基环戊烷,1环丁基戊烷,1甲基2异

17、丙基环戊烷,1,1,2三甲基环戊烷,1甲基 2 乙基5异丙基环己烷,1正丙基 4异丙基环己烷,四、单环烷烃的结构,1、单环烷烃的结构 1）杂化方式 烷烃的碳sp3杂化，形成四个等同的sp3杂化轨道，轨道呈正四面体分布，夹角10928,杂化轨道形状,空间分布图,2） 环丙烷的成键情况,由于形成了弯键，表明中的CC键的P电子成分高， 键的极化度相应增大，使电子云分布在连接两个碳原子的 直线的外侧，提供了被亲电试剂进攻的位置，从而具 有一定烯烃的性质。,3） C3C6环的结构,成键轨道间夹角,105.5,107,108,10928,C3C6环，随着环增大，成键时电子云之间的夹角越接近正常夹角1092

18、8，扭转张力减弱，环趋于稳定，因而键的稳定性越好。 碳原子个数 总张力能（KJ/mol） 3 114 4 108 5 26 6 0,1）单环环烷烃构造异构,2 单环烷烃的同分异构,碳胳异构（碳链异构）,取代基位置异构,2）单环烷烃的立体异构 顺反异构（几何异构）,产生的条件： A.分子中有限制键旋转的因素，如环的存在或 CC存在，但CC不行。 B.环中两个或两个以上的碳原子（每个双键碳原子）必须和两个不同的原子或基团相联。,含义：两个异构体在原子或基团的连接顺序及官能团的位置上均无区别，区别在于基团的空间排序不同。 如：CH3CHCHCH3 相同的原子团在同侧称为顺式，异侧称为反式。 由于成环

19、碳原子（或两个双键碳原子）上所连接的不同原子或基团在空间排列不同而形成不同构型化合物的异构现象叫做顺反异构现象。,顺-1，2-二甲基环丙烷,反-1，2-二甲基环丙烷,顺-1，2-二甲基-1-乙基环丙烷,顺-1，3-二甲基环戊烷,CC,H,CH3,CH3,H,CC,CH3,CH3,H,H,顺-2-丁烯,反-2-丁烯,构型:分子中各原子或基团在空间的不同排列,相互之间的转化必须通过键的断裂和再形成.,CH2=CH2 CH2=CHCH3,CC,CH3,CH2CH3,CH3,CH3,顺-1，2-二氯-1-丁烯,环已烷中的六个碳原子不是在同一平面内的，碳原子之间的夹角是正常的键角10928，环较稳定。环已烷在空间有两种典型的排布方式：船式和椅式构象。 椅式： 船式：, 环己烷的构象异构 1）环己烷的椅式和船式构象,2）椅式构象中1，4号两碳原子分别位于由2，3，5，6号碳原子构成的平面上下侧。 船式构象中1，4号两个碳原子分别位于由2，3，5，6号碳原子构成的平面的同侧。,3）椅式稳定，船式不稳定,4）椅式构象中CH键 A）直立键（键）：该键与分子的中心对称轴平行，共六个，三上三下，相邻两个呈异侧分布。 B）平伏键（e键