第二章-烷烃与环烷烃讲义

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1、1,2,主要内容,烃 分子中只有C、H两种元素的有机化合物。,3,Cn H2n+2,一、烷烃和环烷烃的通式,4,1、烷烃的通式,Cn H2n,2、环烷烃的通式,3、同系列,具有同一个通式，结构相似，化学性质相似，物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物，称为同系列。,4、同系物,同系列中的化合物互称为同系物。,5、系差,同系列中相邻两个化合物在组成上的差别。烷烃系差为CH2。,5,6,二、烷烃和环烷烃的构造异构,同分异构体： 分子式相同，结构不同。是不同的化合物。,构造异构体： 分子式相同，分子内原子间相互连接的顺序不同，即分子的构造不同。,碳架异构： 分子式相同，碳的骨架不同。,烷烃

2、和环烷烃同分异构体的推导 （逐步缩短碳链）： 写出最长链； 写出少一个碳原子的直链，把一个碳当支链，找出可能的异构体； 写出少二个碳原子的直链，把二个碳当两个支链，或一个支链，找出可能的异构体。,7,8,一、伯、仲、叔和季碳原子,1、伯碳原子,一级碳原子，1o，与一个碳原子（三个氢原子）相连的碳原子。,2、仲碳原子,二级碳原子，2o，与二个碳原子（二个氢原子）相连的碳原子。,9,3、叔碳原子,三级碳原子，3o，与三个碳原子（一个氢原子）相连的碳原子。,4、季碳原子,四级碳原子，4o，与四个碳原子相连的碳原子。,分别与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称为伯、仲、叔氢原子。,10,（1）某基：甲基 C

3、H3- Me- ；乙基 CH3CH2- Et- ； 丙基 CH3CH2CH2- n-Pr- ； 丁基 CH3CH2CH2CH2- n-Bu- （2）异某基: 异丙基 (CH3)2CH- i-Pr- ； 异丁基 (CH3)2CHCH2- i-Bu-,11,二、烷基和环烷基,烷烃和环烷烃分子中，去掉一个氢原子后剩余的基团。用R-表示。,1、烷基和环烷基,12,烷烃分子中，去掉两个氢原子后剩余的基团。,2、亚烷基,13,三、烷烃的命名,（1）根据分子中碳原子数目称为“某烷”， （2）碳原子数十个以内的依次用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示， （3）十以上的用汉字数字十一、十二表示碳原子数，

4、 （4）用正、异、新表示同分异构体。,1、普通命名法（习惯命名法）,14,系统命名法是中国化学学会根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）制定的有机化合物命名原则，再结合我国汉字的特点而制定的（1960年制定，1980年进行了修定）。,2、系统命名法,15,系统命名法规则：,（1）选择主连（定母体） 选择最长的碳链作为主链，根据主链碳原子数，定母体，称为“某烷”。,主碳链的选择当有两个以上的等长碳链可供选择时，其选择顺序为：,例1：选择支链最多的碳链为主碳链。,16,例2：选择支链位号较小的为主碳链。,17,例3：两个等长碳链上的支链数目、位次均相同，选择支链碳原子多的为主碳链。,18,例4

5、：选择侧分支少的链为主碳链。,19,20,（2）主链编号 近取代基端开始编号，并遵守“最低系列编号规则”。,取代基编号最小,编号正确,编号错误,21,小的取代基编号最小,编号正确,编号错误,22,（3）烷烃名称的写出 将支链（取代基）写在母体名称的前面 取代基按“次序规则”小的基团优先列出 烷基的大小次序：甲基乙基丙基丁基戊基己基异戊基异丁基异丙基。 相同基团合并写出，位置用2，3阿拉伯数字标出, 取代基数目用二,三中文数字标出。 阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开； 阿拉伯数字之间必须用逗号分开。,最长碳链，最小定位，同基合并，由简到繁。,第一条规则： 将各种取代基的连接原子，按原子序数的

6、大小排列，原子序数大的顺序在前。若为同位素，则质量数高的顺序在前。,不同原子按原子序数排列,同位素按质量数由高到低的顺序排列,23,第二条规则 若多原子基团的第一个连接原子相 同，则比较与它相连的其它原子， 先比较原子序数最大的原子，再比 较第二大的，依次类推。若第二层 次的原子仍相同，则沿取代链依次 相比，直至比出大小为至。,1 2 3 4,24,若支链中又带支链，用带撇的数字标明取代基在支链中的位次，或者把带有取代基的支链的全名放在括号中：,3甲基51，2二甲基丙基壬烷,25,3甲基5(1，2二甲基丙基)壬烷,26,2甲基51，1二甲基丙基癸烷,2甲基5(1，1二甲基丙基)癸烷,27,例1

7、：,2，4-二甲基己烷,28,例2：,3-甲基-6-乙基辛烷,29,例3：,2,8-二甲基-4-乙基壬烷,30,烷烃的衍生物命名法以甲烷为母体，其它部分则作为甲烷的取代基来命名。,3、衍生物命名法,二甲基乙基甲烷,二甲基乙基异丙基甲烷,甲基乙基异丁基叔丁基甲烷,31,四、环烷烃的命名,1、脂环烃的分类,32,(单)环烷烃,通式：CnH2n,桥环烃（稠环）,桥环烃,螺环烃,（与烯烃通式相同）,联环烷烃,两个环共用一个原子为螺环，共用一个以上原子为桥环。,33,2、单环烷烃的命名,命 名 步 骤 （1）确定母体: 没有取代基的环烷烃本身就是母体, 命名 时只须在相应的烷烃前加“环”(英文加cycl

8、o), 环上有 取代基的环烷烃以环为母体还是以链为母体视情况而定. （2）编号要符合最低系列原则 （3）按名称的基本格式要求写出全名,34,35,乙基环己烷 ethylcyclohexane,2-甲基-4-环己基己烷 4-cyclohexyl-2-methylhexane,侧链比较简单, 以环为母体, 链为取代基, 侧链比较复杂, 以链为母体, 环为取代基。,36,1,4-二甲基-2-乙基环己烷,2-ethyl -1,4-dimethylcyclohexane,37,但由于环没有端基，有时会出现有几种编号方式都符合最低系列原则的情况。例如：,上面列出了同一个化合物的三种编号方式，它们都符合最低

9、系列原则。也即应用最低系列原则无法确定哪一种编号优先。在这种情况下，中文命名时，应让顺序规则中较小的基团位次尽可能小。所以应取（i）的编号，化合物的名称是1,3二甲基5乙基环己烷。,38,3、桥环烷烃的命名,桥 头 碳：几个环共用的碳原子， 环的数目：断裂二根C-C键可成开链烷烃为二环；断裂三根C-C键可成开链烷烃为三环 桥环碳原子数：不包括桥头C，由多到少列出，中间使用“.”分隔 环的编号方法：从桥头开始，先长链后短链,39,二环 3.2.1 辛烷,2,7,7-三甲基二环2.2.1 庚烷,40,螺原子：两个碳环共用的碳原子,4、螺环烷烃的命名,6-甲基螺4. 5癸烷,碳原子采取sp3杂化，

10、s 轨道成分：1/4； p 轨道成分：3/4。,一、键的形成及其特性,41,42,烷烃分子形成时，碳原子的sp3轨道沿着对称轴的方向分别与碳的sp3轨道或氢的1s轨道相互重叠成键。,43,4个C-H 键，sp3-1s 键,甲烷的结构,44,键： 成键电子云沿键轴方向呈圆柱形对称重叠而形成的键。,键的特点: (1)电子云沿键轴呈圆柱形对称分布。 (2)可自由旋转而不影响电子云重叠的程度。 (3)结合的较牢固。,碳原子都是sp3杂化， C-C 键为sp3- sp3 键 C-H 键为sp3- 1s 键,烷烃分子中：,45,甲烷分子为正四面体构型 。甲烷分子中，碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子在四

11、面体的四个顶点上，四个C-H键长都为0.109nm，所有键角 H-C-H都是109.5，键可以绕轴旋转 。,球棒模型,斯陶特模型,46, 键呈圆柱形对称，键能较大，可极化性小，可沿键轴自由旋转。 由于 键是沿成键轨道方向交盖而成，C-C-C的键角保持接近109.5。因此直链烷烃的形状是曲折形，而不是直线形。,正丁烷的球棒模型 和比例模型,正十五烷,47,二、环烷烃的结构与环的稳定性,环烷烃通式为CnH2n, 即(CH2)n， 每个单元燃烧热应相同。,摩尔燃烧热： 1 mol化合物在氧气中完全燃烧所放出的热量 。,659 kJmol-1,48,一些环烷烃的燃烧热,49,环烷烃的稳定性,普通键,角

12、张力（angle strain）： 环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力,50,构 象 一个已知构型的分子，仅由于单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定排列形式称为构象。,构象异构体 单键旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体（或称旋转异构体）。,51,一、乙烷的构象,旋转,重叠式构象,交叉式构象,52,重叠式构象,交叉式构象,Newman投影式,锯架式,53,描述立体结构的几种方式,伞形式,锯架式,Newman投影式,54,纽曼(Newman)投影式写法,1、,2、,3、,55,两面角为0o时的构象为重叠式构象。 两面角为60o时的构象为交叉式构象。 两面角在0-60o之间

13、的构象称为扭曲式构象。,1、两面角,单键旋转时，相邻碳上的其他键会交叉成一定的角度（），称为两面角。,56,当二个氢原子的间距少于240pm（即二个氢原子的半径和）时，氢原子之间会产生排斥力，从而使分子内能增高，所以重叠式比交叉式内能高。,2、交叉式构象与重叠式构象的能量分析,57,3、乙烷构象势能关系图,58,稳定构象 位于势能曲线谷底的构象,非键连相互作用 不直接相连的原子间的排斥力。,转动能垒 分子由一个稳定的交叉式构象转为一个不稳定的重叠式构象所必须的最低能量。（25时转速达1011次/秒）,扭转张力 非稳定构象具有恢复成稳定构象的力量；,59,二、丁烷的构象,60,丁烷构象势能关系图

14、,61,三、环己烷的构象,环己烷的碳骨架不是平面结构，有两种典型构象：,椅型构象,船型构象,62,1、椅型构象,（1）椅型构象,63,特点：,相邻原子： 交叉式,非键合原子：交叉式,相邻碳原子的键,都处于邻位交叉式的位置,没有碳氢键或碳碳键的重叠。既没有角张力，也没有扭转张力，因此，椅型构象稳定,64,在椅式构象中C-H键分为两类。第一类六个C-H键与分子的对称轴平行，叫做直立键或a键（其中三个向环平面上方伸展，另外三个相反，向环平面下方伸展）； 第二类六个C-H键与直立键 形成接近109.5的夹角，平 伏着相环外伸展，叫做平伏 键或e键。,（2）平伏键（e键）与直立键（a键）,65,（3）两

15、种椅型构象的转变,66,（4）椅型构象稳定的原因,C-C键的键长和夹角均与正常的C-C键键长和C的SP3杂化的键角相符。,三组氢之间的距离均大于两个氢原子的半径和。,67,2、船型构象,（1）船型构象,68,（2）特点,相邻原子： 重叠式 非键合原子：重叠式,相邻碳原子的键处于重叠式，斥力大，非键合原子张力也较大,故船型构象不稳定。,69,四、取代环己烷的构象,1、一取代环己烷,70,在a键上的甲基氢原子与非键合氢原子的距离为0.23nm； 在e键上的甲基氢原子与非键合氢原子的距离为0.26 nm，斥力较小； 因此，甲基在e键上的取代环己烷构象稳定。,a键,e键,71,取代基越大e键型构象为主

16、的趋势越明显。,72,2、多取代环己烷,Hassel规则,带有相同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那么在两个构象异构体之间，总是有较多取代基取e键向位的构象为优势构象。,Barton规则,带有不同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那么其优势构象总是趋向于使作用最强的和较强的基团尽可能多地取e键的向位。,73,外 观： 状态、颜色、气味 物理常数： 沸点、熔点、密度、折光率、 旋光度、溶解度、偶极矩、光谱特征,74,一、沸点,沸点大小取决于分子间的作用力,烷烃沸点的特点： （1）沸点一般很低。 （2）随相对分子质量增大而增大。 （3）相对分子质量相同、叉链多、沸点低。,75,二、熔点,烷烃熔点的特点 ： （1） 随相对分子质量增大而增大。 （2） 偶数碳烷烃比