有机化学---烷烃和环烷烃

第二章饱和烃烷烃主要内容烷烃的通式、同系列和构造异构体烷烃的命名（普通命名法，IUPAC命名法）烷烃的结构、构象及其表示法烷烃的物理、化学性质和制备方法2.1烷烃（Alkanes）的结构和同分异构碳氢化合物烃（hydrocarbons）完全烷饱和烃类（烷烃、烯烃、炔烃、芳烃）1.烷烃的通式：CnH2n+2同系列：有相同通式、组成上相差一个或多个CH2的一系列化合物。同系物：同系列中的化合物为同系物。（例：CH4,C2H6,C3H8,C4H10,……）同系列（同系物,Homologs）2烷烃的结构构成烷烃的碳原子以sp3杂化轨道成键，为σ键。（1）形状：一头大，一头小。（2）成分：每一个轨道含1/4S，3/4P成分。（3）易于成键：成键时，轨道重叠程度大于单纯S或P轨道。（4）键角：等性杂化，各轨道间夹角均为109°28’。sp3杂化轨道特点复习结构模型CHHHH109.5o1.09Å键(sp3-s)CHHCHHHH109.3o1.54Å1.10Å键(sp3-s)键(sp3-sp3)C:sp3杂化，成键σ键：轴对称，键可“旋转”。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）3.同分异构现象和同分异构体（CONSTITUTIONALISOMERS，STRUCTURALISOMERS）同分异构体具有相同的分子式，但结构不同的分子CH4C2H6C3H8无异构体C1~C3烷烃无异构现象C4以上烷烃出现同分异构现象C4H10C5H12C6H14C20H42366,319同分异构体数235化合物含有的碳原子数和原子种类越多,同分异构体越多。构造异构体的含义构造异构体是指分子式相同,分子中各原子连接次序不同的化合物，又叫碳架异构。正丁烷异丁烷普通命名法用于简单化合物的命名：乙醇（酒精）、甲酸（蚁酸）系统命名法(IUPAC命名法)（IUPAC:国际纯粹与应用化学联合会）2.2烷烃的命名基础：普通命名法IUPAC会标议会烷2.2.1烷基概念1.碳、氢原子的四种类型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）quaternarycarbonH3CCH2CH2CH3H3CCHCH3CH3H3CCCH3CH3CH31H（伯氢）2H（仲氢）3H（叔氢）H3CCH2CH2CH2CH3H3CCHCH2CH3CH3CHCH2CCH3CH3CH3H3CCH3二种类型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R（烷基）CH3CH3CH2CH3CH2CH2中文名英文名甲基乙基（正）丙基methylethyln-propylCH3CHCH3异丙基缩写MeEtn-Prisopropyli-Pr一些常见的烷基2.取代基（烷基）：烷烃去掉一个氢原子后留下的原子团RHR烷烃烷基CH3CH2CH2CH2CH3CHCH2CH3（正）丁基异丁基n-butylisobutylCH3CCH3CH3叔丁基tert-butyln-Bui-But-Bu(tertiary)CH3CH2CH仲丁基sec-butyls-BuCH3(secodary)R（烷基）中文名英文名缩写2.2.2烷烃的命名1普通命名法中文名英文名甲烷乙烷丙烷methaneethanepropane碳原子数目+烷英文命名用词尾-ane表示烷烃碳原子数为1~10用天干（甲、乙、丙、……壬、癸）表示C1C2C3CH4CH3CH3CH3CH2CH3CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3CH3(CH2)3CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3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-pentaneisopentaneneopentaneC4C5CH3(CH2)4CH3CH3CHCH2CH2CH3CH3CH3CCH2CH3CH3CH3CH3CHCHCH3CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CH3C6正己烷异己烷新己烷n-hexaneisohexaneneohexane中文名英文名如何命名？如何命名？正庚烷正辛烷正壬烷正癸烷正十一烷正十二烷正十三烷正二十烷n-heptanen-octanen-nonanen-decanen-undecanen-dodecanen-tridecanen-eicosane碳原子数为10以上时用大写数字表示CH3(CH2)5CH3CH3(CH2)6CH3CH3(CH2)7CH3CH3(CH2)8CH3CH3(CH2)9CH3CH3(CH2)10CH3CH3(CH2)11CH3CH3(CH2)18CH3C7C8C9C10C11C12C13C20中文名英文名最长链为主链取代基编号数最小CH3CH2CH2CHCHCH3CH2CH31234CH356122-甲基-3-乙基己烷3-异丙基己烷3-ethyl-2-methylhexane3456不正确命名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）CH3CH2CH2CHCH2CH3CH2CH2CH2CH312345678123456784-乙基辛烷4-ethyloctane4-乙基-辛烷不正确命名2.IUPAC命名法（系统命名法）不同基团编号相同时，使小取代基编号最小7CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CH3123456CH3123456CH2CH38783-甲基-6-乙基辛烷6-ethyl-3-methyloctane相同取代基合并用大写数字表示（英文表示基团数目用词头di,tri,tetra,penta,hexa表示）CH3CH2CHCH2CHCHCH2CH3EtEt123456Et783,4,6-三乙基辛烷3,4,6-triethyloctane用“,”隔开支链上连有取代基，则从和主链相连的碳原子开始将支链碳原子依次编号，并将取代基位号、名称连同支链名写在括号内。CH3CHCH2CH2CHCH2CH2CH2CH2CH3CH3CCH3H3CCH2CH3123456789102'3'1'2-甲基–5-（1,1-二甲基丙基）癸烷2-甲基–5-1’,1’-二甲基丙基癸烷例题：CH3CH2CHCHCH2CHCH3CH3CH3CH2CHCH3CH3123456712345672,5___4正确：二甲基异丁基庚烷支链编号：2,5,4错误：2,6___4二甲基仲丁基庚烷支链编号：2,6,4命名下列烷烃CH3CHCH2CHCH2CCH3CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH3123456789-4-异丙基A）选主链。B）编号码。C）名取代。壬烷2，6，6-三甲基⊙用系统命名法命名下列烷烃：1课堂练习CH3CH2CHCHCH2CH3CH3CH2CH2CH32.3烷烃的构象（conformation）构象：一已知构型的分子，仅由单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定排列形式称为构象。构象异构体：单键旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体。乙烷的两种构象描述立体结构的几种方式CHHCHHHH12HHHHHH1212HHHHHH1伞形式锯架式Newman投影式BallandStickModel不方便伞形式(透视式)\锯架式(从斜侧面看分子模型的形象)Newman投影式(从碳碳键轴的延长线上来观察)构象有无数种，主要研究典型位置的构象：重叠式、交叉式。2.3.1乙烷的构象键电子云排斥，vonderwaals排斥力，内能较高（最不稳定）交叉式构象扭曲式构象重叠式构象原子间距离最远,内能较低（最稳定）（有无数个）CHHCHHHH2.3Å小于两个H的vonderwaals半径（1.2Å）之和，有排斥力重叠式能量比交叉式高12.1KJ/mol乙烷构象能量变化图060120potentialenergy(KJ/mol)degreesofrotation12.11HHHHHH1HHHHHH1HHHHHH分子由一个交叉式转到另一个交叉式需经过能量较高的重叠式，亦称能垒。因此，碳碳单键的旋转并非自由。说明……旋转60o12HHHHHH112HHHHHH112HHHHHH1旋转60o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Newman投影式的写法：(1)从C-C单键的延线上观察：前碳：后碳：(2)固定“前”碳，将“后”碳沿键轴旋转，得到乙烷的各种构象。或固定“后”碳，将“前”碳沿键轴旋转，得到乙烷的各种构象。60oC1旋转60oC1旋转12HHHHHH112HHHHHH112HHHHHH12.3.2丁烷的构象CH3HHHCH3HC2旋转123460oCH3HHHHH3CCH3HHHHH3C60oCH3HHCH3HH60o60oCH3HHCH3HH……丁烷的构象交叉式（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）CH2H3C12CH2CH334060120degreesofrotation36030024018014.63.822.614.63.8potentialenergy(KJ/mol)CH3HHHCH3HCH3HHHCH3HCH3HHHHH3CCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHHHH3CCH3HHHCH3H丁烷构象转换与势能关系图稳定性：对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式室温下，构象异构体处于迅速转化的动态平衡，不能分离。对位交叉占68%，邻位交叉占32%，其余含量极少。CH3HBrBrHH3C60oCH3HBrBrHH3C60o2360oHBrCH3BrHH3CC2转HBrCH3BrHH3C60oBrH3CHBrHH3C60oBrH3CHBrHH3C60o……其它烷烃的构象例：画出化合物的所有交叉式和重叠式构象BrHCH3BrH3CH23规律:大基团总是占据反是对位交叉最稳定最不稳定1.沸点：化合物的蒸汽压等于外压(0.1Mpa)时的温度。常温常压下，C4以下为气体，C5-C16液体，C16固体烷烃的b.p随分子量的↑而有规律地↑2.4物理性质①每增加一个CH2，b.p的升高，但升高值随分子量的增加而减小。CH4b.p-162°CC2H6b.p-88°C(沸差为74°C)C14H30b.p251°CC15H32b.p268°C(沸差为17°C)原因：分子间色散力(瞬间偶极间的吸引力)与分子中原子的大小和数目成正比，分子量↑，色散力↑，因而b.p↑。②正构者b.p高。支链越多，沸点越低。n-C5H12(b.p36°C)i-C5H12(b.p28°C)新-C5H12:(b.p9.5°C)原因：支链多的烷烃体积松散，分子间距离大，接触面积小，色散力小2.熔点烷烃的m.p亦随分子量的增加而有规律地增加：总趋势是分子量↑，m.p↑。但偶碳数者m.p高，奇碳数者m.p低。原因1：烷烃在结晶状态时，碳原子排列很有规律，碳链为锯齿形：分子间距离紧凑，分子间力大，晶格能高分子间距离松散，分子间力小，晶格能低原因2：烷烃的熔点变化除与分子量有关，还与分子的形状有关。对于分子式相同的同分异构体：新戊烷异戊烷m.p.对称性高，晶格能高3.相对密度随分子量↑，烷烃的相对密度↑，最后接近于0.8(d≤0.8)原因:分子量↑，分子间力↑，分子间相对距离↓，最后趋于一极限。4.溶解度不溶于水，易溶于有机溶剂如CCl4,(C2H5)2O,C2H5OH等。原因：“相似相溶”，烷烃极性小。CH电负性2.52.2烷烃的结构2.5烷烃的化学性质又称为石蜡。一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐强酸碱、不与氧化剂反应（常用作低极性溶剂）烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应!