饱和烃烷烃和环烷烃

12三月2024饱和烃烷烃和环烷烃烃(hydrocarbons)：

只含有C、H两种元素的化合物

——碳氢化合物含有碳碳重键的烃类化合物。烯烃、炔烃等。分子中C原子的结合方式环丙烷环己烷碳原子之间均以C－C单键相连，其余的价键均为H原子所饱和。

烷烃(alkanes)：甲烷、乙烷等；

环烷烃(cycloalkanes):烃饱和烃：不饱和烃:(unsaturatedhydrocarbons)(saturatedhydrocarbons)烃脂肪烃脂环烃碳骨架的类型开链：环状：乙烷、丁烷烷烃的通式：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环丙烷环丁烷环戊烷环己烷环烷烃的通式：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，原子的排列方式不同的化合物构造异构体(constitutionalisomers)：分子式相同，分子构造不同的化合物碳骨架异构直链烷烃支链烷烃正戊烷异戊烷新戊烷顺反异构：取代基在同一侧，顺式；取代基在不同侧，反式。：顺-1,4-二甲基环己烷反-1,4-二甲基环己烷2.2烷烃和环烷烃的命名

(nomenclatureofalkanesandcycloalkanes)2.2.1伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子伯、仲、叔、季碳原子伯、仲、叔氢原子2.2.2烷基和环烷基烷基(alkylgroups):从烷烃中去掉一个H原子,剩余的结构部分表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)(2)衍生命名法以甲烷为母体，把其它的烷烃都看作是甲烷的烷基衍生物。选择连接烷基最多的C原子作为母体甲烷按照次序规则，将“优先”的基团后列出二甲基乙基甲烷二甲基乙基异丙基甲烷母体取代基的位次与名称化合物的名称碳原子的个数直链烷烃的命名与普通命名法相同。(3)系统命名法系统命名是由三部分构成：InternationalUnionofPureandAppliedChemistry，缩写作IUPAC选取最长的碳链作为主链。对于相等长的碳链，选取含支链最多的碳链。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)为主链上的碳原子编号

从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)。碳链以不同方向编号时，若有多种可能系列，则需顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者为最低系列。(I)(II).若支链中又带支链，用带撇的数字表示支链中支链的位置：(c)确定化合物的名称将取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代基名称的前面，加上它的位次号，并用半字线“–”将两者连接。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1234567893,7–二甲基–4–乙基壬烷12342.2.4环烷烃的命名环烷烃的命名与烷烃相似，它在烷烃名称前加上“环”字，称“环某烷”。环上的支链作为取代基，将其位次号和名称放在环某烷之前。当环上有不止一个取代基时，将成环碳原子编号。编号时，使“次序规则”中“优先”的基团具有较大的位次号，且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–异丙基环戊烷双环化合物的命名IUPACnomenclatureofalkanes:直链烷烃(unbranchedalkanes)methaneethanepropanebutanepentanehexaneheptaneoctanenonanedecane12345678910undecanedodecanetridecanetetradecane11121314(5–丙基–4–异丙基壬烷)4-isopropyl-5-propylnonane支链烷烃(branchedchainalkanes)取代基的位次按照取代基第一个字母在字母表中的顺序排列：与中文命名不同的是：当两个或更多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)4-ethyl-3,5-dimethyloctane3,5–二甲基–4–乙基辛烷2.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性C:1s22s22px12py12pz0碳原子在基态时的电子构型：sp3杂化轨道(hybridorbitals)

:基态2p2s1s电子跃迁激发态2p2s1ssp3杂化态杂化1ssp3图2.1sp3杂化轨道形成过程示意图a

杂化轨道有更强的方向性；b

四个SP3杂化轨道完全等值；c

四个键尽可能远离；d

每两个杂化轨道之间的夹角都是109

28’在甲烷分子中，C原子是sp3杂化。s

轨道成分：1/4；p轨道成分：3/4。图2.2sp3杂化轨道图2.3

sp3杂化的碳原子几何构型：四面体键长：0.110nm键角：109

28’

凡是成键电子云对键轴呈圆柱形对称的键均称为

键.以

键相连的两个原子可以相对旋转而不影响电子云的分布.

键sp3–1sσ键4个C－Hσ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σ键的特性：

σ键呈圆柱形对称，键能较大，可极化性小，可沿键轴自由旋转。C－Cσ键是由两个碳原子各以一个sp3杂化轨道沿对称轴方向交盖而成的。如：乙烷分子的结构乙烷的结构

由两个和两个以上碳原子组成的烷烃，除了具有C－Hσ键外，还有C－Cσ键。由于σ键是沿成键轨道方向交盖而成，在碳链中，C－C－C的键角保持接近109.5°。对于直链烷烃，其三维形状是曲折形，而不是直线形。1个C－Ｃσ键6个C－Hσ键sp3–sp3

σ键sp3–1s

σ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1、脂环烃的结构

从环烷烃的化学性质可以看出，环丙烷最不稳定，环丁烷次之，环戊烷比较稳定，环己烷以上的大环都稳定，这反映了环的稳定性与环的结构有着密切的联系。一、环丙烷的结构与张力学说1．环丙烷的结构理论上：1°饱和烃，C为sp3杂化,键角为109.5°2°三碳环，成环碳原子应共平面，内角为60°（两者自相矛盾）故三元环的结构特殊。现代物理方法测定，环丙烷分子中：键角C-C-C=105.5°;H-C-H=114°。所以环丙烷分子中碳原子之间的sp3杂化轨道是以弯曲键（香蕉键）相互交盖的。由图可见，环丙烷分子中存在着较大的张力（角张力和扭转张力），是一个有张力环，所以易开环，所以易开环，发生加成反应。环丙烷的结构图弯曲键比一般的

键弱,并且具有较高的能量.因键角偏离正常键角而引起的张力-角张力.由于构象是重叠式而引起的张力叫扭转张力.

2.张力学说

1885年，德国拜尔提出角张力学说，1905年诺贝尔化学奖在环丙烷分子中，电子云的重叠不能沿着sp3轨道轴对称重叠，只能偏离键轴一定的角度以弯曲键侧面重叠，形成弯曲键（香蕉键），其键角为105.5°，因键角要从109.5°压缩到105.5°，故环有一定的张力（角张力）。另外环丙烷分子中还存在着另一种张力——扭转张力（由于环中三个碳位于同一平面，相邻的C-H键互相处于重叠式构象，有旋转成交叉式的趋向，这样的张力称为扭转张力）。环丙烷的总张力能为114KJ/mol。2、燃烧热：1mol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/(kJ·mol-1)-CH2-的平均燃烧热/(kJ·mol-1)环丙烷32091697环丁烷42744686环戊烷53320664环己烷63951659环庚烷74637662环辛烷85310664环壬烷95981665环癸烷106636664环十五烷159885660开链烷烃659名称环大小与开链烷烃燃烧热的差/(kJ·mol-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。环丙烷的结构：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σ键呈圆柱状对称，C－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)。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)在环丙烷分子中，两个相邻的C原子以sp3杂化轨道形成C－Cσ键时，以弯曲的方式交盖，从而未能最大程度的交盖。因此，环丙烷不稳定。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/(kJ·mol-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120°120°对位交叉部分重叠邻位交叉全重叠由C2－C3

σ键旋转产生的构象：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稳定性：对位交叉>邻位交叉>部分重叠>全重叠环丁烷的结构四个碳原子不在一个平面上.环丁烷中的键环丁烷的构象折叠式构象环戊烷的结构分子张力不大,因此环戊烷的化学性质比较稳定.实际构象:折叠环的形式--“信封式”构象.环己烷的结构空间立体结构，角张力为零2.4.3环己烷的构象

环己烷的碳骨架不是平面结构，C－Ｃ－Ｃ键角为109.5°，因此比较稳定。通过旋转σ键和键角的改变，可以得到两种构象：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可以相互转变，但椅型构象比船型构象稳定：椅型构象稳定的原因：所有的键处于交叉式eaeaeaeeaaaeeeeeee在船型构象中，所有的C－H键处于交叉式。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C－H键分为两类：6个C－H键处于直立键(a键)，6个C－H键处于平伏键(e键)。aaaaaa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。

123456环己烷可以由一种椅型构象翻转成另一种椅型构象，原来的a键变为e键，原来的e键变为a键：一种椅型构象经半椅型、纽船型、船型翻转成另一种椅型构象。在能量上：椅型构象<纽船型构象<船型构象<半椅型构象图2.16环己烷的构象翻转2.4.4取代环己烷的构象

在一取代的环己烷分子中，取代基可以处在a键上，也可以处在e键上：

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，使得构象不稳定而翻转。

同时，取代基与相邻碳原子上的－CH2－处于邻位交叉，而当取代基处于e键上时，取代基与相邻碳原子上的－CH2－处于对位交叉取代基处在e键上稳定。取代基越大，它处于e键的构象越稳定：小结：1°环己烷有两种极限构象（椅式和船式），椅式为优势构象。2°一元取代基主要以e键和环相连。3°多元取代环己烷最稳定的构象是e键上取代基最多的构象。4°环上有不同取代基时，大的取代基在e键上构象最稳定。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性质为一固定值。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物理常数已知化合物的鉴定不同化合物的分离测定利用烷烃和环烷烃：无色、有一定的气味。2.5.1沸点直链烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高。

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/℃36.127.99.5沸点与分子间的作用力——vanderWaals力相关。

相对分子质量大的分子，其表面积增大，分子间vanderWaals力——色散力增大，其沸点随之升高。2.5.2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。熔点/℃-130-160-17当C原子数相同时，环烷烃的沸点、熔点均高于烷烃。环烷烃具有较大的刚性和对称性2.5.3相对密度烷烃比水轻，其相对密度都小于12.5.4溶解度烷烃几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂2.5.5折射率在一定的波长的光源和一定的温度条件下，折射率对确定的化合物是一个常数。正丁烷1.3397正己烷1.37环戊烷1.406环己烷1.4266折射率(n20)D名称2.6

烷烃和环烷烃的化学性质2.6.1自由基取代反应饱和烃分子中的氢原子被其它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)：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：十二烷氯十二烷(2)卤化的反应机理反应机理是化学反应所经历的途径或过程。烷烃卤化反应是自由基反应的机理。光或热的作用下，分子发生均裂，分解为2个氯原子。链的引发阶段：第一步氯分子的解离链的增长阶段：第二