有机化学课件第二章烷烃环烷烃

第二章、烷烃、环烷烃第一节、烷烃第二节、环烷烃第一节、烷烃烷烃的相关概念。烃。烃的分类。烷烃。同系列。同分异构。烷烃的命名。烷基的定义。普通命名法。系统命名法。烷烃的结构。物理性质。举例化学性质。1.1烃只由碳、氢两种元素组成的有机化合物叫碳氢化合物，简称烃。常见的烃有：石油、天然气、沼气、煤矿坑道气等。1.2烃的分类

饱和烃：烷烃：CH4

开链烃烯烃：CH2

CH2

（脂肪烃）不饱和烃炔烃：CHCH烃脂环烃：环烃芳香烃：1.3烷烃在脂肪烃分子中，如果碳原子与碳原子之间都以单键相连接，其余碳价都与氢结合而完全饱和，则称为饱和烃，即烷烃。简单地说：分子中的C、H原子之间全部都以单键相连接而成的开链烃叫做烷烃。CH4CH3CH3CH3CH2CH3(CH4)(C2H6)(C3H8)CnH2n+2(烷的通式)1.4同系列结构上相似、组成上相差一个或多个—CH2—基团，且满足同一通式的一系列化合物。同系列中的化合物彼此互称为同系物，固定差值—CH2—被称为系差。研究同系列的好处：结构相似，物质的化学性质相似。组成递增，物理性质呈规律性递变。如：CH3CH3与CH3CH2CH31.5同分异构化合物的分子式完全相同，分子的结构和性质不同的现象。烷烃的同分异构仅由C链的结构不同而导致，属于碳链异构。例如：甲、乙、丙烷没有异构体。CH3CH2CH2CH3C4H10CH3—CH—CH3|CH3CH3CH2CH2CH2CH3CH3—CH—CH2CH3|C5H12

CH3CH3|CH3—C—CH3|CH31.5同分异构烷烃分子中碳、氢原子的类型：在化学反应中，不同类型的氢原子活性不同，一般而言，其活性顺序为：叔氢>仲氢>伯氢。伯C：1° 伯H

3个仲C：2° 仲H 2个叔C：3° 叔H 1个季C：4°对应

CH3|CH3—CH2—CH—C—CH3|

|CH3CH31°2°3°4°1°1°1°2.1烷基的定义烷烃分子中去掉一个H后所剩下的原子团叫做烷基，用R—表示，其通式为—CnH2n+1。从分子中去掉同一个碳原子上的两个氢原子后余下的部分称为亚烷基，用R表示。2.1烷基的定义CH3—甲基CH3CH2—乙基CH3CH2CH2—正丙基CH3CH—CH3异丙基CH3CH2CH2CH2—正丁基CH3CH—CH2—CH3异丁基CH3|CH3CH2CH—仲丁基CH3|CH3—C—|CH3叔丁基CH2亚甲基CHCH3亚乙基常见烷基的命名：2.2次序规则 立体化学中为了比较原子或基团在空间排列的次序而制定的规则。现在只介绍排列较优基团的方法。将各取代基中和母体相连的原子按原子序数的大小排列，原子序数大的为较优基团。

Cl>O>N>C>H如:－OH>－CHO如果取代基中与母体相连的第一个原子相同，则比较与该第一个原子相连的第二个原子的原子序数的大小，若第二个原子也相同，则比较第三个原子，依次类推。2.2次序规则

CH3|CH3CH2—>CH3—；CH3CH—>CH3CH2CH2—

C|CC看作：

C—CCHC—>CH2CH—>CH3CH2—

O|CO看作：

C—O

N|CN看作：

N—C—NO||—C—H>—CH2OH若被比较基团中含双键(AB)或三键(AB)，则相当于相同原子A与两个原子B相连。2.2次序规则例:比较(CH3)2CH－与－CH＝CH2谁是较优基团。－CH＝CH2较优2.2次序规则例:比较－CHO与－CH2Cl谁是较优基团。－CH2Cl较优2.3普通命名法根据分子中C原子的总数，命名为“某”烷。碳原子数少于11的用甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸表示；11及以上的用汉字十一、十二、十三···表示。没有支链的烷烃，在名称前加一个“正”字，即称为正“某”烷。在碳链首端第二个C原子上有一个甲基，其它C上无支链的，称为“异某”烷。在碳链首端第二个C原子上有二个甲基，其它C上无支链的称为“新某烷”。2.3普通命名法普通命名法举例：CH3CH2CH3

CH3|CH3CHCH3CH3CH2CH2CH3CH3—CH—(CH2)14—CH3|CH3

CH3|CH3—C—CH3|CH3正丙烷正丁烷异丁烷新戊烷异十八烷?2.4系统命名法（IUPAC）对于不含支链的直链烷烃，根据分子中C原子的总数命名为“某”烷，不能加“正”字。支链烷烃：选择分子中最长的碳链作为主链，根据主链所含的C总数称为“某”烷，将支链看作取代基。若最长碳链不止一条,则选取其中支链最多的一条为母体。编号：从距支链最近端开始，将主链上的C原子用阿拉伯数字编号，支链的位置用与之相连的主链C原子的编号标明。2.4系统命名法（IUPAC）最近端相同，遵循最低系列原则，即逐个比较两组编号法中表示取代基位置的数字，最先遇到较小位次的为最低系列。两组编号大小相同，选择较小基团编号小的一组。支链上还有取代基的，把支链部分另外编号。书写：支链写在母体前面，标注支链的编号写在支链名称前，数字与汉字间用“—”连接。相同的取代基要合并，其个数用汉字“二、三、四···”表示，写在名称前，其编号之间用逗号“，”连接。不同的取代基按“次序规则”排列,较优基团排在后面。同一个C原子上有两个相同取代基，其编号应重复写两次。2.4系统命名法（IUPAC）系统命名法举例：CH3CH—CH2—CH—CH2—C2H5||CH2CH—CH3||CH3CH2CH3CH3CH2—CH—CH—CH2CH3||CH3C2H5CH3—CH—CH3

|CH3—C—CH3|CH3—CH—CH33,6—二甲基—4—正丙基辛烷3—甲基—4—乙基已烷2,3,3,4—四甲基戊烷2.5练习判断以下命名是否正确：CH3—CH—CH2—CH3|CH2|CH32—乙基丁烷CH3—CH2—CH—CH—CH3||CH3CH33,4—2甲基戊烷CH3CHCH2—CH—CH2C(CH3)3||CH3CH32,4,6,6—四甲基庚烷

CH3|CH3—CH2—C—CH3|CH2CH32—甲基—2—乙基戍烷3—甲基戊烷2,3—二甲基戊烷2,2,4,6—四甲基庚烷3,3—二甲基戊烷3.1分子立体结构的表示法Kekule模型：即球棍模型。Stuart模型：更具有真实性。书写时用楔形式。实线表示在纸平面，粗线表示指向纸外，虚线表示指向纸内。CHHHHKekule模型Stuart模型楔形式3.2甲烷的结构甲烷分子呈四面体形，碳原子位于正四面体的中心，4个氢原子在四个顶点上，4个C—H键对称分布，完全等同，键角均为109°28′，均为σ键。结构式：CH43.2甲烷的结构碳原子的SP3杂化：

C：1S22S22P2杂化轨道组成：S，P杂化轨道形状:梨形空间分布:正四面体型代表物：烷烃碳原子。14342S2Phv2S2Px2Py2Pz杂化SP3SP3

SP3

SP3CHHHHHCHHH3.3乙烷和丁烷的结构烷烃分子中的C原子都是以sp3杂化的；C—C间和C—H都是σ键；C—Cσ键可绕键轴自由旋转而不破坏σ键。由于碳的价键呈四面体分布，且C—C键可自由旋转，因此nc>3的烷烃是锯齿型的，并非一条直线。3.3.2乙烷的构象乙烷分子中C—Cσ键的自由旋转使得分子中的六个H原子的相对位置随之而变化，因而形成了无数的构象。构象由于分子中的原子（基团）围绕C—C单键旋转而产生的原子（基团）在空间的不同排列形式。乙烷分子有无限多个构象，最典型的构象为重叠式和交叉式。3.3乙烷的构象12.5HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH能量/KJ·mol-1C—C旋转角度060120交叉式交叉式重叠式交叉式重叠式3.3乙烷的构象同一种分子的不同构象互称为构象异构体，构象异构现象属于立体异构的一种。构象异构体中内能最低稳定性最好的构象叫做优势构象。乙烷的交叉式构象是其优势构象。室温下单种构象异构体不能分离得到。3.3丁烷的构象固定C1和C4，只让C2—C3旋转，每旋转60°得一典型构象，共有四种典型构象。CH3CH3HHHHCH3HHHHCH3CH3CH3HHHHHCH3H3CHHHCH3HHHHCH3CH3HHHHCH3I、全重叠式II、邻位交叉式III、部分重叠式IV、对位交叉式II、邻位交叉式III、部分重叠式3.3丁烷的构象丁烷的构象:~143~21CH3H3CHHHHCH3HHHHCH3H3CCH3HHHHCH3HHHHH3CCH3CH3HHHHH3CCH3HHHHCH3CH3HHHH能量/KJ·mol-1C—C旋转角度0601203601802403003.3丁烷的构象丁烷的四种典型构象的内能排序：全重叠式＞部分重叠式＞邻位交叉式＞对位交叉式丁烷的优势构象是：对位交叉式由于碳的价键呈四面体分布，且C—C键可自由旋转，再加上交叉式构象能量最低，因此nc>3的直链烷烃是锯齿型的。3.4构象的表示法构象的表示法:纽曼投影式从C—C单键的延长线上观察，用表示靠前的C原子及其形成的三个键，用表示在后面的C原子及其上面的三个键。透视式120°120°CH3HHHHCH3CH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHHH四、物理性质比重ρ<1，比水轻，一般nc增大，ρ增大，趋近于0.8。物态常温常压下，C原子为1~4个的烷烃为气态；C原子为5~16个的为液态；C原子为17个以上的为固态。沸点nc增大，Tb上升；含相同C原子的烷烃，支链越多，Tb越低。例如Tb正丁烷(-0.5)>Tb异丁烷(-10.2)四、物理性质熔点:(与M，S表，对称性，晶格的排列等相关)随着C原子的增大，直链烷烃的熔点逐渐升高。含偶数C原子的烷比相邻的二奇数个C原子的烷烃熔点要高。溶解度相似相溶，不溶于水，易溶于有机溶剂。4.2物理性质例题戊烷（C5H12）有3个异构体，已烷（C6H14）有5个异构体，在它们各自的异构体中，推测哪一个沸点最高。哪个最低。戊烷中，CH3CH2CH2CH2CH3的沸点最高；

CH3|CH3—C—CH3的沸点最低。

|CH3已烷中，CH3CH2CH2CH2CH2CH3的沸点最高；

CH3|CH3—C—CH2CH3的沸点最低。

|CH34.2物理性质例题为什么异戊烷的熔点(-160℃)低于正戊烷(-129.7℃),而新戊烷的熔点(-17℃)却最高？对称性高的分子排列得比较紧且整齐，分子在晶格中排列得较紧密，因而熔点较高。5.1化学性质性质稳定,常温下不与强酸（H2SO4）、强碱（KOH）、强氧化剂（KMnO4）、K2Cr2O7[橙色]）、强还原剂等反应。酸性KMnO4溶液为紫红色，不与烷烃反应，常温下烷烃不能使其颜色褪去。卤代反应:

CH4+Cl2CH3Cl+HCl+99.7kj/mol光照5.2.2氯代反应氯代反应为自由基反应，需要日光或高温。该反应难以停留在一元取代阶段。CH2Cl2和CHCl3（氯仿）都是液体，是常用的有机溶剂。CH4+Cl2CH3Cl+HClCH2Cl2+HCl日光光Cl2CHCl3+HClCCl4+HCl光Cl2光Cl25.2.1有机反应的基本类型自由基反应和均裂：均裂指共价键地均匀裂解，也就是两个原子之间的共用电子对均匀分裂。键均裂的结果产生了具有不成对电子的原子或原子团，即自由基。有自由基参加的反应叫自由基反应。A:BA·+B·hv例如：Cl:Cl

Cl·+Cl·CH4+Cl·CH3·+HCl5.2.1有机反应的基本类型自由基的稳定性由可其离解能来判定，离解能越小，所生成的自由基越稳定。自由基的稳定性为:CH3CH2CH3CH3CH2CH2·+H·△H=410kJ/molCH4CH3·+H·△H=435kJ/molCH3CH2CH3CH3CH·CH3+H·△H=397kJ/molCH(CH3)3(CH3)3C·+H·△H=381kJ/mol3ºC>2ºC>1ºC>甲基自由基5.2.1有机反应的基本类型离子型反应和异裂：异裂指共价键的不均匀裂解，也就是在键断裂时，两原子间的共用电子对完全转移到其中一个原子上。异裂的结果产生了带正电或带负电的离子。由离子参加的反应称为离子型反应，离子型反应分为亲电反应和亲核反应。A:BA++B-

CH3

CH3||例如：CH3—C:ClCH3—C++Cl-:||CH3

CH35.2.2氯代反应烷烃的卤代反应为链锁反应,其历程分为三个阶段：链的引发：

Cl:Cl

Cl·+Cl·链的增长：

Cl·+CH4

HCl+CH3· CH3·+Cl2CH3Cl+Cl·

Cl·+CH3ClCH2Cl·+HCl链的终止：

Cl·+CH3·CH3Cl CH3·+CH2Cl·CH3CH2Cl光5.2.2氯代反应反应中的能量变化：甲烷氯代生成氯甲烷反应势能图Ea1Ea2Cl·+CH4Cl2CH3·+HCl[H3C···Cl···Cl][Cl···H···CH3]CH3Cl+Cl·反应进程势能5.2.2氯代反应在卤代反应中,决速步是:

X．+CH4CH3．+HX

该过程氯代,溴代,碘代都是吸热反应,热量分别为:4.1kj/mol；69kj/mol；138kj/mol；而氟代却放出热量

-129.7kj/mol。故卤素的反应活性为：

F2>Cl2>Br2>I25.2.2氯代反应CH3CH2CH3光Cl2

Cl

|CH3CH2CH2—Cl+CH3CHCH343%57%其他烷烃的一元氯代反应：CH3CHCH3|CH3光Cl2CH3CClCH3+|CH3CH3CHCH3Cl|CH336%64%5.2.2氯代反应丙烷取代产物接近1:1，而1ºH:2ºH=3:1;经计算可知若1ºH的反应活泼性为1,则2ºH的约为4,而3ºH的反应活性最强,约为5.所以不同H原子的活泼性顺序为：3ºH>2ºH>1ºH>甲烷氢5.2.2氯代反应该顺序也可由键的离解能的不同来解释:CH3CH2CH3CH3CH2CH2·+H·△H=410kJ/molCH4CH3·+H·△H=435kJ/molCH3CH2CH3CH3CH·CH3+H·△H=397kJ/molCH(CH3)3(CH3)3C·+H·△H=381kJ/mol5.2.2氯代反应

CH3|CH3—C—CH3

|CH3光Cl2

CH3|CH3—C—CH2Cl|

CH3CH3CH—CH2CH3

|CH3光Cl2

CH2CHCH2CH3+CH3CH—CHCH3 || ||

ClCH3CH3Cl共4种

ClCH3Cl ||| CH3—C—CH2CH3+CH3CHCH2CH2 | CH3一元氯代烷同分异构体的确定:5.3氧化反应R—R’+O2R—OH+R’—OH醛酸O2O2O2CnH2n+2+O2CO2+H2O+Q点燃CH3COOH+NaOHCH4+Na2CO3CaO/△代表物甲烷的制法：第二节、脂环烃脂环烃性质与脂肪烃相似，可看作是由相应的脂肪烃闭合成环的。分类及通式。命名。环烷烃的结构。环烷烃的立体异构。环已烷及其衍生物的构象。环烷烃的性质。一、分类及通式环烷烃 CnH2n环烯烃 CnH2n-2环炔烃 CnH2n-4脂环烃小环nC数: 3~4普通环 5~7中环 8~12大环 12以上据成环碳原子数CH3|CHH2CCH2||H2CCH2CH2结构式结构简式分类及通式：二、命名以环为母体，根据构成环的碳原子数的多少命名为“环某烷”；把环上的支链作为取代基，称为“某基环某烷”。若环上连有多个取代基，编号时应从连有较小的取代基的碳原子开始。遵循最低序列原则。—C2H5CH3|H3C—C2H5环丙烷乙基环已烷1,2—二甲基—4—乙基环已烷环戊烷二、命名在简单环上连有较长碳链时，可将环当作取代基来命名。CH2CH2CH2CH2CH3

CH3|CH3CH2CHCH2CHCH3|环丁基戊烷2—甲基—4—环丙基已烷二、命名螺环烃（两个碳环共有一个碳原子）命名时，据成环碳原子总数称为“螺某烷”，在“螺”字后面的括号中标出两个环中除去共有碳原子以外的碳原子数目，较小的数字排在前面，数字之间用圆点隔开。CH2—H2CCH2|C|CH2—H2CCH2螺[2·4]庚烷1234567CH2—H2CCH2|CCH2CH2—H2CCH2螺[3·4]辛烷二、命名环上有不饱和键和取代基时，不饱和键的编号最小。—CH33—甲基环已烯1，3—环戊二烯三、环烷烃的结构环烷烃碳原子的杂化方式。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109°28′杂化轨道形状空间分布图三、环烷烃的结构环丙烷的成键情况。CCCHHHHHH60°105.5°弯曲的键环丙烷：分子为平面正三角形，键角为105.5°，碳碳键不能自由旋转。三、环烷烃的结构成键轨道间夹角105.5°107°108°109°28′从上而下，碳原子数目增大，成键时电子云之间的夹角越接近正常夹角109°28′，因而键的稳定性越好。六、环烷烃的性质小环（不稳定，似烯，但不如烯烃活泼）加氢：加溴：Ni200℃+H2CH3CH2CH2CH3+H2CH3CH2CH3Ni80℃+Br2Br—CH2CH2CH2—Br室温△+Br2Br—CH2CH2CH2CH2—Br六、环烷烃的性质常用试剂:Br2-H2OBr2-CCl4与溴加成的现象：所用试剂褪色

Br（主）BrRBrR—+Br2||||R—CHCH2CH2—Br+CH2—CH—CH2环不对称时,断键位置总是在取代基最多和最少的两碳原子间六、环烷烃的性质卤化氢:(符合马氏规则)加浓硫酸:

注:环丁烷与环丙烷相似.也会加成、不会氧化。

BrR—+HBr|R—CHCH2CH2—H

OSO3HR—+H2SO4|R—CHCH2CH2—H六、环烷烃的性质氧化：普通环：（似烷，易取代、不氧化、不加成）+KMnO4×（不反应，不褪色）H++Br2—Br+HBr光+Cl2—Cl+HCl光+K2Cr2O7

（不反应，不褪色）H+四、环烷烃的立体异构环烷烃中，成环会限制环上Ｃ－Ｃ键的自由旋转。若环碳分别连有二不同基团则会出现空间两种不同的排列。由于分子中的C原子不能相对自由地绕轴旋转，使得它们上面所连的原子（原子团）在空间排列方式不同，从而产生了