烷烃和环烷烃

关于烷烃和环烷烃【学习要求】

1.了解C原子和H原子的类型以及烷基。

4.掌握烷烃和环烷烃的化学性质及影响因素。

5.掌握构象异构和顺反异构产生的原因、特点、命名及书写。

2.掌握普通命名法和系统命名法的基本原则，并能熟练命名烷烃和环烷烃。

3.了解同系物沸点、熔点变化规律。

第2页,共68页，2024年2月25日，星期天第一节烷烃(alkanehydrocarbon)◆烃：由C、H两种元素组成的化合物叫碳氢化合物，简称烃。根据碳架的形状及碳原子间连接的方式分类如下：烃脂肪烃脂环烃芳香烃不饱和脂肪烃（烯烃、炔烃、二烯烃）饱和脂环烃（环烷烃）不饱和脂环烃（环烯烃、环炔烃）含苯芳烃（萘、蒽、菲）非苯芳烃饱和脂肪烃（烷烃）第3页,共68页，2024年2月25日，星期天◆

烷烃定义：分子中只含C、H两种元素；

烃分子中碳原子之间以单键连接，碳原子的其余化合价完全为氢原子所饱和。

通式：CnH2n+2

同系列：具有同一个分子通式，在组成上相差一个或几个—CH2—的一系列化合物。同系物：同系列中的化合物彼此互为同系物。第4页,共68页，2024年2月25日，星期天（一）烷烃的同分异构现象一.烷烃的结构分子式相同而结构不同的现象。同分异构构型构造异构构象（键的旋转产生）立体异构碳架异构位置异构官能团异构互变异构顺反异构（键的不能旋转产生）旋光异构（手性产生）分子中原子和基团在空间的排布不同原子的连接方式和顺序不同第5页,共68页，2024年2月25日，星期天①

与一个碳相连：一级碳原子，或伯碳（primary），用10C表示，一级碳上的氢称一级氢，用10H表示。②

与两个碳相连：二级碳原子，或仲碳（secondary），用20C表示，二级碳上的氢称二级氢或仲氢，用20H表示。

③与三个碳相连：三级碳原子，或叔碳（tertiary），用30C表示，三级碳上的氢称三级氢或叔氢，用30H表示。④与四个碳相连：四级碳原子，或季碳（quaternary），用40C表示（二）C原子和H原子的种类第6页,共68页，2024年2月25日，星期天

碳原子的四种类型1

C（伯碳，一级碳）primarycarbon2

C（仲碳，二级碳）secondarycarbontertiarycarbon3

C

（叔碳，三级碳）4

C

（季碳，四级碳）quaternarycarbon1

H（伯氢）2

H（仲氢）3

H（叔氢）第7页,共68页，2024年2月25日，星期天二种类型2

C二种类型1

C二种类型1

C

分析下列化合物所含碳原子种类第8页,共68页，2024年2月25日，星期天

碳原子种类的扩展1

自由基（伯自由基）2

自由基（仲自由基）3

自由基（叔自由基）1

碳负离子（伯碳负离子）3

碳正离子（叔碳正离子）第9页,共68页，2024年2月25日，星期天(三).构象(comformation)和构象异构体

C—C单键是可以旋转的单键的旋转使分子中的原子或基团在空间产生不同的排列（构象）不同的构象之间为构象异构关系（一类立体异构现象）乙烷的两种构象第10页,共68页，2024年2月25日，星期天构象(conformation)：

原因：由于σ键绕键轴“自由”转动，非键合原子或基团在空间产生不同的排列

由于单键旋转所形成的异构体称构象异构体

构象异构体的数量：无数

典型构象：根据能量的高低具有代表性的构象

A：构象异构体之间不可能完全分开

B：构象异构体之间的转换不需断键

构象异构体的特点：

第11页,共68页，2024年2月25日，星期天

描述立体结构的几种方式伞形式锯架式Newman投影式注意Newman投影式的写法第12页,共68页，2024年2月25日，星期天键电子云排斥，vonderwaals排斥力，内能较高（最不稳定）乙烷的构象交叉式构象扭曲式构象重叠式构象staggeredconformerskewedconformereclipsedconformer原子间距离最远内能较低（最稳定）优势构象（有无数个）

小于两个H的vonderwaals半径（1.2Å）之和，有排斥力第13页,共68页，2024年2月25日，星期天……

乙烷构象转换与势能关系图旋转中须克服能垒——扭转张力电子云排斥

相邻两H间的vonderwaals排斥力一般情况下(T>-250oC):

单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。第14页,共68页，2024年2月25日，星期天丁烷的构象对位交叉式（anti）（反交叉式）部分重叠式邻位交叉式（gauche）全重叠式邻位交叉式（gauche）甲基间距离最远(最稳定)较不稳定较稳定甲基间距离最近（最不稳定）第15页,共68页，2024年2月25日，星期天

丁烷构象转换与势能关系图第16页,共68页，2024年2月25日，星期天其它烷烃的构象规律:大基团总是占据对位交叉最稳定最不稳定第17页,共68页，2024年2月25日，星期天立体异构体：

由原子或基团在空间的排列（或连接）方式不同所产生的异构体（包括构型异构体和构象异构体）

立体异构体、构型异构体与构象异构体构型异构体

不可转换理论上可分离构象异构体可通过单键旋转转换一般无法分离见分类第18页,共68页，2024年2月25日，星期天二.烷烃的命名

取代基（烷基）：烷烃去掉一个氢原子后留下的原子团烷烃烷基

普通命名法

用于简单化合物的命名

IUPAC命名法（系统命名法）（IUPAC:国际纯粹与应用化学联合会，

International

Union

of

Pure

and

Applied

Chemistry）

第19页,共68页，2024年2月25日，星期天

一些常见的烷基第20页,共68页，2024年2月25日，星期天第21页,共68页，2024年2月25日，星期天（1）取代基中与主链直接相连的原子按原子序数由大到小排列，原子序数大的为优先基团。

H＜D＜C＜N＜O＜F＜P＜S＜Cl＜Br＜I次序规则第22页,共68页，2024年2月25日，星期天（2）若取代基中与主链直接相连的第一个原子相同，则把与第一个原子直接相连的其他原子进行比较，若仍相同，则继续比较，直到有差别为止。较优基团与主链直接相连的第一个原子与主链直接相连的其他原子第23页,共68页，2024年2月25日，星期天（3）含有双键和三键的基团，可以看作是用单键连有两个或三个相同的原子或基团。较优基团较优基团第24页,共68页，2024年2月25日，星期天比较下列基团的优先顺序第25页,共68页，2024年2月25日，星期天（1）根据分子中碳原子的总数称为#烷，碳原子数为1-10的用甲、乙、丙、丁、…………表示。10个以上的用中文数字表示。如：十二烷。（2）直链烷烃，名字前加“正”。链端第二个碳原子上有一个甲基而无其他支链的，名字前加“异”（CH3）2CH—

。链端第二个碳原子上有二个甲基而无其他支链的，名字前加“新”。（CH3）3CCH—●普通命名法第26页,共68页，2024年2月25日，星期天例：中文名英文名甲烷乙烷丙烷methaneethane

碳原子数目+烷

碳原子数为1~10用天干（甲、乙、丙、……壬、癸）表示C1C2C3propane碳原子数为10以上时用中文数字表示。如：十二烷第27页,共68页，2024年2月25日，星期天

异构词头用词头“正”、“异”和“新”等区分相应的英文词头为

n-

(normal)、iso和neo（注意不加“-”）中文名英文名正丁烷异丁烷正戊烷异戊烷新戊烷n-butaneisobutanen-pentaneisopentaneneopentaneC4C5第28页,共68页，2024年2月25日，星期天●系统命名法(IUPAC)

：（1）选主链，碳链最长，支链最多。（2）定基位，有多个排序时遵循“最低系列原则”(最先遇到位次较低的取代基为最低系列），有多个最低系列时，按“次序规则”使较优基团位次较大。

(3)书写时，标明取代基的位次，名称，且按先简后繁。如：第29页,共68页，2024年2月25日，星期天

例最长链为主链取代基编号数最小取代基最多的链为主链小基团排在前面（英文以字母顺序排列）第30页,共68页，2024年2月25日，星期天

练习第31页,共68页，2024年2月25日，星期天第32页,共68页，2024年2月25日，星期天2，6－二甲基-3，6－二乙基－壬烷写出3－甲基－8－乙基－6－氯十一烷的结构式第33页,共68页，2024年2月25日，星期天

化合物性质的两个方面物理性质物态：气体？液体？固体？

沸点（b.p.）

熔点（m.p.）

密度（比重）

溶解度：水中溶解度？有机溶剂中？

折光率

化学性质：有机化学反应（本课程的重点）第34页,共68页，2024年2月25日，星期天

三烷烃的物理性质1物态

常温、常压(0.1MPa)

C5～C16：液态

C1～C4：气态

＞C17：固态2沸点（b.p）

◆随分子质量的增加而增高，但高级烷烃沸点差较小，难以分离。在同分异构体中，分子中支链增多，分子间距增大，分子间作用力减少，沸点降低。分子间作用力↑b.p↑M↑支链少第35页,共68页，2024年2月25日，星期天3熔点(m.p)

随分子质量的增加而增高，熔点高低与分子间作用力、分子在晶格中的排列有关。分子对称性高，排列比较整齐，分子间作用力大，熔点高。偶数碳原子的烷烃比含奇数碳原子的烷烃熔点升高值大，两者形成两条熔点曲线。对同分异构体，分子的对称性越高，分子排列越紧密有序，熔点越高。M↑，m.p↑

第36页,共68页，2024年2月25日，星期天烷烃正戊烷2-甲基丁烷2，2-二甲基丙烷

熔点：-129.72℃-159.9℃-17℃

沸点：36.1℃25℃9℃如：结论：高度对称支链异构体m.p＞直链异构体＞不对称的支链异构体

。

练习：

1.比较下列各组化合物的沸点高低。并说明理由。

(1)正丁烷和异丁烷；(2)正辛烷和2,2,3,3-四甲基丁烷；(3)庚烷、3-甲基己烷和3,3-二甲基戊烷。第37页,共68页，2024年2月25日，星期天

2.比较下列各组化合物的熔点高低。并说明理由。

(1)正戊烷、异戊烷和新戊烷；

(2)正辛烷和2,2,3,3-四甲基丁烷；

4相对密度：

分子量↑，密度↑，但＜1；支链↑，密度↓。

5溶解度：

易溶于非极性的有机溶剂，不溶于极性溶剂

第38页,共68页，2024年2月25日，星期天CH电负性2.52.2

烷烃的结构

一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱（常用作低极性溶剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）

烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应）sp3

杂化已饱和不能加成低极性共价键H不易被置换四烷烃的化学性质第39页,共68页，2024年2月25日，星期天甲烷的卤代反应

甲烷的氯代反应反应特点:(1)反应需光照或加热。(2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。第40页,共68页，2024年2月25日，星期天

甲烷与其它卤素的反应反应速率:F2>Cl2>Br2>I2

（不反应）F2

：反应过分剧烈、较难控制Cl2

：正常（常温下可发生反应）Br2

：稍慢（加热下可发生反应）

I2

：不反应。即使反应,其逆反应易进行主要讨论的内容第41页,共68页，2024年2月25日，星期天

2氧化反应：烷烃在高温和空气中燃烧，生成二氧化碳和水，并放出大量的热。注:烷烃与空气以一定比例混合后会发生爆炸，这就是煤矿常见的瓦斯爆炸。第42页,共68页，2024年2月25日，星期天有机反应的类型◆离子型反应由共价键异裂成离子而引起的反应。◆自由基反应由自由基而引起的反应。

五烷烃的卤代反应历程

★

自由基的稳定性顺序：叔自由基〉仲自由基〉伯自由基〉甲基自由基

异裂均裂

★

烷烃上H原子的活性顺序：叔H〉仲H〉伯H〉甲基H

第43页,共68页，2024年2月25日，星期天根据离解能解释自由基的稳定性及H的活性自由基的能量越高越不稳定，C-H断键所需能量越低，该H越活泼第44页,共68页，2024年2月25日，星期天2.卤代反应机理：

实验事实：

◆CH4、Cl2混合物在黑暗中长期保存，不反应。

◆CH4经光照后与Cl2混合，也不反应。

★Cl2经光照后，迅速在黑暗中与CH4混合，反应立即发生。

实验事实告诉我们：烷烃的卤代反应是从Cl2的光照开始的。

光提供的能量：330kJ/molCl-Cl断键能量：242.4kJ/mol

C-H断键能量:435kJ/mol第45页,共68页，2024年2月25日，星期天

甲烷的氯代反应机理的表达自由基型链反应（chainreaction）自由基中间体第46页,共68页，2024年2月25日，星期天

过渡态(TransitionState)理论在化学反应中，反应物相互接近，总是先达到一势能最高点（活化能，相应结构称为过渡态），然后再转变为产物。例：机理步骤(2)过渡态势能增加势能降低过渡态：反应物转变为产物的中间状态，（推测的）势能最高处的原子排列，寿命=0，无法测得。中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中间体

一般很活泼，但可通过实验方法观察到。对比势能最高第47页,共68页，2024年2月25日，星期天

甲烷氯代的势能变化图过渡态:

势能最高处的原子排列，Ea：活化能

DH:

反应热第48页,共68页，2024年2月25日，星期天

机理的决速步骤（以氯代为例）DH(反应热)+7.5kJ/mol吸热－112.9kJ/mol放热决速步骤第49页,共68页，2024年2月25日，星期天3.卤代反应中X2的相对活性：

注：从反应热来解释，放出的热越多越易进行从活化能来解释，活化能越小越易进行第50页,共68页，2024年2月25日，星期天第二节环烷烃(cycloalkane)

一环烷烃的分类及命名

螺环烃(两个碳环共用1个C)；稠环烃(两个或两个以上苯环共用两个相邻C)桥环烃(两个或两个以上碳环共用两个以上C)环烷烃：分子中具有碳环结构的烷烃（一）环烷烃的分类◆根据碳环的数目分类单环烷烃多环烷烃小环(C3～C4)；普通环(C5～C7)；中环(C8～C11)；大环(≥C12)。

第51页,共68页，2024年2月25日，星期天螺环烃稠环烃桥环烃第52页,共68页，2024年2月25日，星期天

（二）单环烷烃的构造异构和命名

命名以碳环为母体，环上侧链为取代基，根据成环碳原子的数目称“环#烷”。◆一个取代基时称#基环#烷◆多个取代基时从较小的原子或基团开始，遵循最低系列原则编号。有多个最低系列时，使较优基团位次较大。1，2-二甲基-1-乙基环丙烷正确1，2-二甲基-2-乙基环丙烷错误

◆不饱和键位次最小第53页,共68页，2024年2月25日，星期天练习：1-甲基-3-已基-4氯环己烷1-甲基-2-乙基-5-异丙基环己烷反-1-甲基-3-乙基环己烷注：当环上有复杂的取代基时，碳环作为取代基4-甲基-1-环丙基己烷第54页,共68页，2024年2月25日，星期天

三单环烷烃的结构角张力:实际键角偏离正常键角而使分子产生的张力

（一）单环烷烃的结构扭转张力:相邻C上的H原子间因距离太近而产生的斥力第55页,共68页，2024年2月25日，星期天由此可见：(1)键的重叠程度小，稳定性。(2)电子云分布在两核连线的外侧，增加了试剂进攻的可能性，故具有不饱和烯烃的性质。第56页,共68页，2024年2月25日，星期天

（二）单环烷烃的立体异构◆顺反异构由于两个成环碳原子上所连接的不同原子或基团在空间的排列（分布）不同而形成不同构型化合物的异构现象。顺式反式

顺反异构产生的原因：σ键不能旋转

顺反异构体的特点：为不同物质，转换需断键第57页,共68页，2024年2月25日，星期天

◆

环己烷的构象异构环己烷中C-Cσ键在环不破裂的情况下，可发生协同扭转，产生无数构象。典型构象:船式构象（能量最高）椅式构象（能量最低）优势构象环己烷的椅式构象环己烷的船式构象范德华张力：原子间由于距离太近(<范德华半径之和）而产生的张力第58页,共68页，2024年2月25日，星期天椅式船式Newman投影式从Newman投影式理解船式和椅式的稳定性第59页,共68页，2024