饱和烃烷烃和环烷烃-有机化学

1、第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃,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,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,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

2、烃和环烷烃,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,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

3、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,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,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,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,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

4、 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,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,连在伯碳上氢原子叫伯氢原子(一级氢，1H) 连在仲碳上氢原子叫仲氢原子(二级氢，2H) 连在叔碳上氢原子叫叔氢原子(三级氢，3H),第二章 饱和烃:烷

5、烃和环烷烃,名称 缩写,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,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：,(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,(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:,母体,碳原子的个数,庚烷,( I ),( II ),3,6,7,

6、3,4,7,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。,5丙基4异丙基壬烷,3,7二甲基4乙基壬烷,1 2 3 4,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),2.2.4 环烷烃的命名,(1) 单环环烷烃,烷烃和环烷烃的命名,1甲基3乙基环己

7、烷,1,1二甲基3异丙基环戊烷,(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,(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 (abc),(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

8、 (ab),2.3 烷烃和环烷烃的结构,2.3.1 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,2.3 烷烃和环烷烃的结构,2.3.1 键的形成及其特性,第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃,C:1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0,对实验事实的解释：,sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。 4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。 四个轨道完全相同。,杂化的结果：,键的形成及其特性,sp3杂化的碳原子,几何构型：四面体, CH4中的4个杂化轨道为四面体

9、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sp3-s键。,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,sp3 1s 键,4个CH 键,图 2.4 甲烷的结构,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,键的形成及其特性,1个C键,6个CH键,sp3 sp3 键,sp3 1s 键,图 2.7 乙烷的球棒模型,键的特点：, 键电子云重叠程度大，键能大，不易断裂； 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

10、形状)； 两核间不能有两个或两个以上的 键。,第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃,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-键弱，比-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,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,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,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

11、翼式,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,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,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。,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,交叉

12、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,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,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)。,由此产生的异构体构象异构体 (

13、conformers),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,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,丁烷的能量图如下：,丁烷的构象,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,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、C 3和C5处在同一个平面内，C2、C 4和C 6处在另外一个平面。,

14、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。,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,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,反-1,2-二甲基环己烷,顺-1,2-二甲基环己烷,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,3、有两个不同取代基时,反-1-甲基-3-异丙基环己烷,顺-

15、1-甲基-4-叔丁基环己烷,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:,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,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,正构者b.p高。支链越多，沸点越低。 Why？ 例： n- C5

16、H12 (b.p 36C) 正戊烷 i- C5H12 (b.p 28C) 异戊烷 新- C5H12:( b.p 9.5C) 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： 总趋势是分子量，m.p。 分子越对称， m.p,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(d0.8) 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,第二章 饱和烃:烷烃,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

17、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,(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,2.6 烷烃的化学性质,烷烃C-C、C-H都是键 ，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,2.6.1 取代反

18、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,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,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,以甲烷氯代反应为例：,加热或光照下进行，一经开始便可自动进行； 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。

19、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,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。,(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 = 62 ，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,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,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。,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：