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1、第二章 烷烃和环烷烃,由碳和氢两种元素组成的化合物叫做碳氢化合物，简称为烃。一切有机化合物都可以看作是烃的衍生物，所以烃是有机化合物的“母体”。 根据碳链的骨架以及碳原子之间化学键的不同，可以将烃作如下分类：,第一节 烷 烃,一、烷烃的结构,烷烃具有通式CnH2n+2。 烷烃的碳原子都是sp3杂化，杂化轨道间的夹角是10928。 烷烃分子中的 CH 键和 CC 键均为键。,头碰头重叠 形成CH键,109.5o,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),头碰头重叠形成 CC键,键: 旋转不影响轨道重叠程度, 即键可沿键轴“自由”转动; 重叠程
2、度大, 稳定性高; 键的极化度小.,乙烷 (CH3CH3),(二) 通式和同系列,凡具有同一个通式，结构相近，在组成上相差一个或几个-CH2- 的许多化合物组成的一个系列 同系列， -CH2-为系列差。,同系物具有相似的化学性质，但反应速率往往有较大的差异；物理性质一般随碳原子数的增加而呈现规律性变化。同系列中的第一个化合物往往具有明显的特性。,(三) 碳原子的类型,伯碳(1)：只与1个其他碳原子直接相连, 一级碳原子,1,1,1,1,1,2,2,3,4,仲碳(2)：只与2个其他碳原子直接相连, 二级碳原子,叔碳(3)：只与3个其他碳原子直接相连, 三级碳原子,季碳(4)：只与4个其他碳原子直
3、接相连, 四级碳原子,伯氢(1H)：伯碳上的H 仲氢(2H)：仲碳上的H 叔氢(3H)：叔碳上的H,不同类型的氢反应活性不一样,1,1,1,1,1,2,2,3,同分异构(isomerism)：分子式相同，但分子中各原子的排列次序、结合方式或空间位置不同,构造异构：,分子中原子间的排列顺序、结合方式,立体异构：,顺反异构,构型异构,旋光异构,构象异构,构造相同，原子在空间排布方式不同,二、烷烃的构造异构和命名,碳链异构 (carbon-chain isomerism): 碳原子之间的连接次序和方式不同,又如 C6H14（5种）,如 C5H12（3种）,烷烃的异构体数目,将直链烷烃叫做正某烷，按天
4、干顺序甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸10个字分别表示10个以内碳原子的数目，10个以上的碳原子就用十一、十二、十三等数字表示。 含支链的烷烃用异、 新等字来区别。如：,(一) 普通命名法(习惯命名法) 。,这种命名方法只适用于碳原子数较少的烷烃。,一个化合物从形式上消除一个单价的原子或基团构成一价基。,烃基及其命名,烃基的名称根据相应母体的名称命名。,脂肪烃基：脂肪烃去掉1个H所剩下的部分。“R-” 芳香烃基：芳香烃去掉1个H后剩下的部分。“Ar-”,（二）系统命名法,Methyl (Me),Ethyl (Et),Propyl (Pr),Isopropyl (i-Pr),甲基 乙基丙基
5、,异丙基,丁基 仲丁基 异丁基 叔丁基,Isobutyl (i-Bu),sec-Butyl (s-butyl,s-Bu),tert-Butyl (t-butyl,t-Bu),Butyl (Bu),次甲基 次乙基,烷烃同一碳上去掉2个H或3个H后,分别称为亚基、次基。,亚甲基 亚乙基,(a) 按原子序数大小排列, 大者 “较优”,同位素中原子量大者“较优” 。,(b) 当两个基团的第一个原子完全一样时, 就比较其次连接的原子,依次类推,直到比较出优先顺序为止。,次序规则（p21）,(c) 当基团为不饱和基团时，可看作是连接两个或三个相同的原子,根据顺序规则，一些常见原子和基团的优先顺序如下：I、
6、Br、Cl、SH、F、OCOR、OR、OH、NO2、NR2、NHCOR、NHR、NH2、COOR、COOH、CONH2、COR、CHO、CR2OH、CH2OH、CN、C6H5、CHR2(RCH3)、CHCH2、CH2R、CH3、D、H、孤对电子。,比较CH2Cl和COOH的大小?,(二) 系统命名法 烷、烯、炔,1) 选择最长的碳链(有官能团时必须包含之)作为主链，把其它支链作为取代基,2) 若有相等最长碳链可作为主链时，应选择取代基最多的链作主链,3) 从主链靠近官能团(没有官能团时靠近取代基)的一端将主链编号。,在不饱和烃中则首先考虑不饱和键具有最低位次，其次考虑取代基具有最低位次。 取代
7、基位次与取代基名称之间用半字线隔开。 不饱和烃中，必须注明不饱和键的位次，其位次以不饱和键所在碳原子的编号中较低的一个表示，把它写在母体名称之前并用半字线隔开。,4-甲基-1-戊烯(不叫2-甲基-4-戊烯),3-甲基己烷(不叫4-甲基己烷),4) “最低系列”原则 碳链从不同的方向编号时，得到两种不同编号系列，则顺次逐项比较两系列的不同位次，最先遇到的位数最小者，定为“最低系列”。,2,3,4-三甲基己烷 (不叫3,4,5-三甲基己烷) 首先比较这两种编号的第一个数字，前者为2后者为3，故选择前者。如果第一个数字相同，我们就比较第二个数字，顺次逐项比较。 2,2,4-三甲基戊烷(不叫2,4,4
8、-三甲基戊烷),5) 最低系列有选择时，应使优先顺序小的编号低 在两种不同编号中，两个不同的取代基位于相同的位次时，应使优先顺序小的基团具有最低编号。,3-甲基-5-乙基庚烷,6) 按优先顺序规则从小到大顺次列 出取代基,4-甲基-3-乙基-6-丙基壬烷 (不叫3-乙基-4-甲基-6-丙基壬烷),合并相同取代基 把相同的取代基合并起来，取代基的数目用二、三、四等汉字表示，写在取代基的前面，位次必须逐个注明，位次的数字之间要用“,”隔开。,6,6,7-三甲基-3-丙基-1-辛烯,Note: 碳数超过10，且有官能团时，要在碳数和母体名称间加“碳”字，以免误会（p69）。,2，4 十二碳二烯,总结
9、上述命名原则，我们可以概括出“含、长、多、低”四个字。即选择含有官能团的最长碳链为主链，使主链上连有尽可能多的取代基，编号时应使官能团具有最低位次，其次是取代基具有最低位次，并遵循“最低系列原则”(基团处于不同位次时) 和“优先顺序规则”(基团处于相同位次时) 。 名称书写应正确使用阿拉伯数字、汉字、天干、逗号和半字线等，随意乱用或使用不规范化都是不允许的。 总的原则: 判断母体 确认主链 两大原则 规范书写,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),三、烷烃的构象异构 (conformational isomerism),1. 乙烷的构象,因单键旋转而使分子中原子或基团在空间产生不
10、同的排列形象称为构象。每一种空间排列形象就是一种构象, 因构象不同而产生的异构现象称构象异构。,乙烷的两种典型构象,构象的表示方法：锯架式 和 纽曼投影式,交叉式,重叠式,锯架式,交叉式(Staggered),重叠式(Eclipsed),Newman投影式,乙烷是处于交叉、重叠以及介于两者之间的无数构象的动态平衡混合体系，但各种构象体存在的比率不同。,乙烷的重叠式内能最高，最不稳定，交叉式内能最低，最为稳定，所占比率最高，这种构象称为优势构象。,2. 丁烷的构象,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),完全重叠式,对位交叉式,邻位交叉式,部分重叠式,优势构象,丁烷各种构象的能差不大
11、，室温下可迅速转化，正丁烷实际上是各种构象异构体的混合物，但对位交叉式为优势构象，约占68%，邻位交叉式约占32%，其它构象所占比例极小。,当正烷烃碳原子数增加时，尽管构象也随之更复杂，但仍然主要以对位交叉式构象状态存在。所以直链烷烃绝大多数是锯齿形的。如正戊烷主要以第 1 种构象形式存在，第 3 种为全重叠构象，最不稳定。,正戊烷在液态和气态碳架运动的几种形式,高级直链烷烃的优势构象: 相邻碳的结构均为对位交叉,癸烷 C10H22,二十烷 C20H42,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),四、烷烃的物理性质 (熔点、沸点、比重、溶解性等),碳原子数,第二章 烷烃和环烷烃 第一
12、节 烷烃(四、物理性质),C1C4为气体 C5C16为液体 C17 固体,直链烷烃的熔沸点随碳原子数的增多而升高,在同分异构体中, 分支程度越高, 沸点越低。,bp() 36.1 27.9 9.5,支链烷烃的熔点也比相应的直链烷烃低，但高度对称的支链烷烃其熔点却异乎寻常的高，这是因为分子的对称性越高，在晶体中排列越紧密。,mp() -129.8 -159.9 -16.8,烷烃分子中只有牢固的 CC 键和CH 键，极化度小，所以烷烃具有高度的化学稳定性。室温下烷烃与强酸、强碱、强氧化剂或强还原剂一般都不发生反应。,五、烷烃的化学性质,(一) 氧化反应,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学
13、性质),有机化合物分子中的氢原子（或其它原子、基团）被另一原子或基团取代的反应称为取代反应。被卤原子取代叫卤代 (halogenation)。,(二) 卤代反应,氯甲烷(Methyl chloride),1. 甲烷的氯代反应,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),生成的一氯甲烷还会继续被氯代, 生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳四种产物的混合物。 工业上把这种混合物作为溶剂使用。,CH3-Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl 二氯甲烷,CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl 四氯化碳,CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl 三氯甲烷,第二章 烷烃和环烷烃 第一
14、节 烷烃(五、化学性质),2. 甲烷的氯代反应机制,烷烃卤代反应是游离基的链反应(free-radical chain reaction), 其历程分 3步进行：, 链引发(chain-initiating step)：形成自由基。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质), 链增长(chain-propagating step)：延续自由基，形成产物.,在链增长阶段, 当一氯甲烷达到一定浓度时, 氯原子除了同甲烷作用外，也可与一氯甲烷作用，结果生成二氯甲烷。以同样方式，可生成氯仿及四氯化碳。,Cl + CH3Cl CH2Cl + HCl CH2Cl + Cl2 CH2Cl2 + C
15、l,Cl + CH2Cl2 CHCl2 + HCl CHCl2 + Cl2 CHCl3 + Cl,Cl + CHCl3 CCl3 + HCl CCl3 + Cl2 CCl4 + Cl,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),Cl + Cl Cl:Cl CH3 + Cl CH3Cl CH3 + CH3 CH3CH3, 链终止(chain-terminating step)：消除自由基,加入少量能抑制自由基生成或降低自由基活性的抑制剂可减慢反应速度或终止反应。,甲烷的溴代及其它烷烃的卤代反应机制与氯代相似。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),3. 烷烃卤代反应的取向,
16、含有不同类型H的烷烃氯代时, 可得到不同的氯代烃。,55%,45%,伯氢与仲氢的活性比：,仲氢比伯氢活泼,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),伯氢与叔氢的活性比：,实验结果表明：室温下3、2、1氢原子对氯代反应的相对活性之比约为5:4:1, 并与烷烃的结构基本无关。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),99% 痕量,卤代反应活性：叔氢仲氢伯氢; F2 Cl2 Br2 I2,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),溴代比氯代反应的选择性更强。 室温下3。:2。:1。氢原子的相对活性为1600:82:1,4. 烷烃自由基的构型与稳定性,甲基、异丙基、叔丁基自由基的结构 中心碳原子为sp2杂化,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性
