有机化学二章饱和烃烷烃和环烷烃课件

1、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2.2.1 伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、 叔氢原子2.2.2 烷基和环烷基2.2.3 烷烃的命名 (1)普通命名法 (2) 衍生命名法 (3)系统命名法2.2.4 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 2.4.1 乙烷的构象 2.4.2 丁烷的构象 2.4.3 环己烷的构象 2.4.4 取代环己烷的构象2.5 烷烃和环烷烃的物理性质 沸点、熔点、密度、溶解度、折射率 2.6 烷烃和环烷烃的化学性质2.6.1 自由基取代反应 卤化反应及机理(2) 卤化反应的取向与自由基的稳定性

2、 (3) 反应活性与选择性2.6.2 氧化反应2.6.3 异构化反应2.6.4 裂化反应2.6.5 小环环烷烃的加成反应 加氢、加溴、 加溴化氢 2.7 烷烃和环烷烃的来源和制法烃(hydrocarbons)： 只含有C、H 两种元素的化合物 碳氢化合物碳氢烃含有碳碳双键或叁键的碳氢化合物。烯烃、炔烃等。分子中C原子的结合方式烃饱和烃： 不饱和烃:(unsaturatedhydrocarbons)(saturatedhydrocarbons) 环丙烷 环己烷仅含有CC单键的碳氢化合物。 烷烃(alkanes)：甲烷、乙烷 环烷烃(cycloalkanes):烃脂肪烃脂环烃 碳骨架 的类型开 链

3、：环状： 丙烯、丁烷 烷烃的通式 ： (CH2)n+2 = CnH2n+2 甲烷methane丙烷propane丁烷butane乙烷ethane2.1.1 烷烃和环烷烃的通式 2.1 烷烃和环烷烃的通式和构造异构CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3环丙烷环丁烷 环戊 烷环己烷 环烷烃的通式： (CH2)n=CnH2n 2.1.2 烷烃和环烷烃的构造异构C4H10：正丁烷 异丁烷 同分异构体(isomers)： 分子式相同，结构不同的化合物 构造异构体(constitutional isomers) ：碳骨架异构直链烷烃 支链烷烃 正戊烷 异戊 烷新戊烷分子式相同，

4、分子中原子键合次序不同的化合物 2.2 烷烃和环烷烃的命名 (nomenclature of alkanes and cycloalkanes)2.2.1 伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子2o碳原子1o碳原子3o碳原子4o碳原子2o氢原子1o氢原子3o氢原子2.2.2 烷基和环烷基烷基 (alkyl groups): 烷烃中去掉一个H原子剩余的部分 表2.1 一些烷基的名称与表示异丙基(iso-propyl)i-Pr名称 缩写 2.2.3 烷烃的命名 (1) 普通命名法 分别用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳原子数在10个以下的碳的数目；C原子数 大于10的用十一、十二等数字

5、表示。 用“正”、“异”、“新”分别表示直链、一端 具有异丙基或叔丁基的构造异构体。正戊烷(pentane)异戊烷(isopentane)新戊烷(neopentane)直链烷烃的命名与普通命名法相似，去掉 “正”。(2) 系统命名法 International Union of Pure and AppliedChemistry，缩写作IUPAC支链烷烃的命名分三步： 选主链、定编号、正名称。遵循： 从简就低大让小 名构对应别出格 选取最长的碳链作为主链。 有多条碳链可选，选取含支链最多的。 根据主链的碳原子数，称“某”烷。(a) 选择主链，确定母体支链烷烃的命名，按以下步骤进行：庚烷(b)

6、为主链上的碳原子编号 从最靠近支链一端依次用阿拉伯数字编号。 当编号有几种可能时，要使支链的位次 号较小(符合“最低系列”规则)。( I )( II )(c) 确定化合物的名称 将取代基的位次号和名称写在烷烃名称的前面。 当含有不同的取代基时，按照“次序 规则”， 将“优先”的基团列在后面。 当含有几个相同的取代基时，用“一、二、 三”表示其个数，逐个标明其位次号 。 所有表明位次号的阿拉伯数字之间用逗号分开， 数字与汉字之间半字线“” 隔开。1234567893,7-二甲基-4-乙基壬烷2,2,5-三甲基己烷、4,4-二甲基-1-环戊基戊烷8-甲基-7-乙基-2-甲氧基-3-氯-4-溴壬烷2

7、,2,8-三甲基-7,7-二乙基-3-异丙基壬烷IUPAC nomenclature of alkanes :直链烷烃(unbranched alkanes)methaneethanepropanebutanepentanehexaneheptaneoctanenonanedecane12345678910undecanedodecanetridecanetetradecane1112131415Penta19Nonaeicosane5-丙基-4 -异丙基壬烷4-(1-methylethyl)-5-propylnonane支链烷烃(branched chain alkanes) 取代基的位次按

8、照取代基第一个字母排列：与中文命名不同的是：5-丙基-4-(1-甲基乙基)壬烷 当多个的相同取代基出现时，使用 前缀di-, tri-, tetra-等：2,2,4-trimethylpentane(2,2,4三甲基戊烷)isooctane(异辛烷)2.2.4 环烷烃的命名 环烷烃的命名与烷烃相似，称“环某烷”。 环上的支链作为取代基。当有多个取代基时，使所有的取代基位号尽可能小。123456124531甲基3乙基环己烷1,1二甲基3异丙基环戊烷两个环共用一个原子为螺环，共用一个以上原子为桥环。螺环编号：从靠近螺原子开始，先小后大。桥环编号：从桥头碳原子开始，先长后短。1,6-二甲基螺4.5癸

9、烷1-甲基螺3.5-5-壬烯10-甲基-2-氯二环3.3.2 癸烷2,6-二甲基-2-溴二环2.2.1 庚烷二环4.1.0庚烷 1,8-二甲基-2-乙基-6-氯二环3.2.1辛烷 三环3.3.1.13,7癸烷（金刚烷）Polycyclic HydrocarbonsNameStructurePrismane（棱烷）Cubane（立方烷）Housane（房烷）Basketane（篮烷）Adamentane（金刚烷）mp. 314Dodecahedrane（十二面烷）mp. 450四环2.2.0.02,6.03,5己烷 五环4.2.0.02,5.03,8.04,7辛烷 六环6.2.0.02,7.03

10、,6.04,100.5,9癸烷 十一环9.9.0.02,9.03,7.04,20.05,18.06,16.08,15.010,14.012.19.013,17二十烷2.3 烷烃和环烷烃的结构 2.3.1 键的形成及其特性 碳原子采取sp3杂化 s 轨道成分：1/4； p 轨道成分：3/4。图 2.2 sp3杂化轨道 图 2.3 sp3杂化的碳原子 几何构型：四面体 sp3 1s 键4个CH 键图 2.4 甲烷的结构 图 2.5 甲烷的球棍模型图 2.6 甲烷的比例模型键的特性： 键呈圆柱形对称，键能较大，可极化性小，可沿键轴自由旋转。乙烷的结构 由两个以上碳原子组成的烷烃，具有CH键和CC 键

11、。 后者是由两个碳原子的sp3杂化轨道沿对称轴方向交盖而成的。 如：乙烷分子的结构 由于键是沿成键轨道方向交盖而成，CCC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。sp3 sp3 键sp3 1s 键1个C键6个CH键图 2.7 乙烷的球棒模型图 2.8 乙烷的比例模型图 2.9 乙烷的棍棒模型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。图2.10 正丁烷的球棒模型图2.11 正丁烷的比例模型正十五烷曲折形燃烧热：1 mol 化合物完全燃烧生成CO2 + H2O放出的热量表 2.2 一些环烷烃的燃烧热分子燃烧热 /(kJmol-1)-CH

12、2-的平均燃烧热 / (kJmol-1)环丙烷 3 2091 697环丁烷 4 2744 686环戊烷 5 3320 664环己烷 6 3951 659环庚烷 7 4637 662环辛烷 8 5310 664环壬烷 9 5981 665环癸烷 10 6636 664环十五烷 15 9885 660开链烷烃 659 名称环大小与开链烷烃燃烧热的差/(kJmol-1)38275035651环烷烃的稳定性：环己烷 环戊烷 环丁烷 环丙烷环的张力越小，相应的环烷烃越稳定。图2.12 丙烷及环丙烷分子中碳碳键 原子轨道交盖情况 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

13、空间的排布方式不同，分子的这种立体形状构象(conformation)。2.4 烷烃和环烷烃的构象 2.4.1 乙烷的构象 由此产生的异构体构象异构体 (conformers)重叠式乙烷的构象 纽曼投影式透视式交叉式纽曼(Newman)投影式：能量 / (kJmol-1)060120旋转角度 / ( )12.6交叉式与重叠式是乙烷分子的极限构象120120对位交叉 部分重叠 邻位交叉 全重叠 图 2.13 正丁烷构象的模型2.4.2 丁烷的构象固定C2原子，反时针旋转C3原子，得到以下正丁烷的极限构象由C2C3 键旋转产生的构象：稳定性：对位交叉 邻位交叉 部分重叠 全重叠 2.4.3 环己烷

14、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 船型图 2.14 环己烷的椅式和船式构象环己烷椅型构象 环己烷船型构象 图 2.15 环己烷椅型和船型构象的模型 椅型构象和船型构象C键角为109.5。通过旋转键和键角的改变，两种构象可以相互转变：椅型构象稳定的原因：所有的键处于交叉式。在船型构象中，部分CH键处于重叠式。eaeaeaeeaaaeeeeeee 在椅型构象中，C1、C3、C5 原子在一个平面上；C2、C4、C6 原子在另一个平面上。 12个CH 键分为两类：6个CH 键处于 直立键(a键)，6个CH 键处于平伏键(e键)。aaaaaa 环己烷可以由一种椅型构象翻转成另一种

15、椅型构象，原来的a键变为e键，原来的e键变为a键：图2.16 环己烷的构象翻转2.4.4 取代环己烷的构象 取代基在e键稳定。主要原因：当取代基处在a 键时，它与3, 5位的H原子存在着非键张力。 次要原因：取代基处在a 键上时，取代基和环上碳原子处于邻位交叉式。 取代基越大，它处于e 键的构象越稳定：2.5 烷烃和环烷烃的物理性质 物理常数：单一纯净的有机化合物在一定的条件下其物理常数为固定值。据此可以分离和鉴定有机化合物t 有机化合物的物理性质：物态、熔点(mp)、沸点(bp)、相对密度(d)、折射率( )和溶解度(s)等。nD烷烃和环烷烃：大多为无色、有一定 气味的液体。2.5.1 沸点

16、 直链烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高。 沸点与分子间的作用力van der Waals 力相关。 相对分子质量大的分子，其表面积增大，分子间van der Waals 力色散力增大，其沸点随之升高。 当C原子数相同时，含支链越多的烷烃，相应的沸点越低。沸点/ 36.1 27. 9 9.52.5.2 熔点 烷烃熔点的变化基本上与沸点相似。 直链烷烃熔点随相对分子质量的增加而升高。 偶数碳原子烷烃与奇数原子烷烃相比，其熔点升高较多。图2.17 烷烃的熔点与分子中所含碳原子数的关系图图2.18 烷烃熔、沸点图 温度 / 碳原子数 C原子数相同烷烃的不同异构体，对称性较好的异构体具有较高的熔点。

17、熔点/ -130 -160 -17 当C数相同时，环烷烃的沸点、熔点均高于烷烃。因为后者具有较大的刚性和对称性。2.6 烷烃和环烷烃的化学性质2.6.1 自由基取代反应分子中的某个原子或基团被其他原子或基团所取代的反应取代反应。 通过自由基取代H原子的反应自由基取代反应。(1) 卤化反应(halogenation)：也叫卤代反应 在光、高温或催化剂作用下，烷烃、环烷烃(小环烷烃除外)，与卤素分子反应，生成卤代烷和卤化氢。烷烃 卤素 卤代烷 卤化氢在漫射光或热的作用下，甲烷发生氯代反应：甲烷的氯化较难停留在一氯化阶段： 产物为四种氯甲烷的混合物，氯气过量时主要得到四氯化碳，甲烷过量时主要得到一氯

18、甲烷。乙烷氯氯乙烷(78%)环戊烷 环戊基氯(93%)工业上洗涤剂原料的合成： 十二烷 氯代十二烷(2) 卤化的反应机理 烷烃的氯化是一个连锁反应，也叫链反应。一般说，链反应分为链引发、链增长和链终止三个阶段：链引发链终止链增长判断乙烷氯代反应结果化 学：能量与几率经济学：利益与机遇(3) 卤化反应的取向与自由基的稳定性丙烷 1氯丙烷(45%) 2氯丙烷(55%)异丁烷 异丁基氯(64%) 叔丁基氯(36%)叔氢伯氢=64 / 936 / 115氢被取代的反应活性比：反应的取向与自由基的稳定性相关。 自由基稳定性依次增大H原子被取代的次序： 叔氢 仲氢 伯氢氯代时反应活性比 5.0 3.5 1.0(4) 反应活性与选择性卤素的反应活性次序：F2 Cl2 Br2 I22甲基戊烷 2甲基2溴戊烷(76%)溴的反应性低，选择性高。根据键能分析下列反应的趋向 Data(kJ/mol)：2.6.2 氧化反应(oxidation)烷烃和环烷烃在空气中可以燃烧:工业上对烷烃或环烷烃氧化反应的利用：制造肥皂、增塑剂的原料2.6.3 异构化反应 适当条件下，直链或支链少的烷烃可以异构化为支链多的烷烃。可以提高汽油辛烷值。2.6.4 裂化反应烷烃