第二章烷烃和环烷烃.

OrganicChemistry有机化学第二章烷烃和环烷烃第二章烷烃和环烷烃•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•2.3烷烃和环烷烃的结构•2.4烷烃和环烷烃的构象•2.5烷烃和环烷烃的物理性质•2.6烷烃和环烷烃的化学性质•2.7烷烃和环烷烃的来源和制法2.6烷烃和环烷烃的化学性质•2.6.1自由基取代反应(1)卤化反应及机理(2)卤化反应的取向与自由基的稳定性(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、加溴化氢烃(hydrocarbons)烃：只含有C、H两种元素的化合物——碳氢化合物碳氢烃烃的分类按分子中C原子的结合方式，可以分为：含有碳碳双键或叁键的碳氢化合物。烯烃、炔烃等。饱和烃：不饱和烃:(unsaturatedhydrocarbons)(saturatedhydrocarbons)环丙烷环己烷仅含有C－C单键的碳氢化合物。环烷烃(cycloalkanes):烷烃(alkanes)：甲烷乙烷烃的分类按分子中碳骨架分类，可以分为：脂肪烃：脂环烃:(unsaturatedhydrocarbons)(saturatedhydrocarbons)环丙烷环己烷丙烯丁烷2.1烷烃和环烷烃的通式和构造异构2.1.1烷烃和环烷烃的通式烷烃的通式：(CH2)n+2=CnH2n+2甲烷乙烷丙烷丁烷methaneethanepropanebutane环烷烃的通式环戊烷环己烷环丙烷环丁烷环烷烃的通式：(CH2)n=CnH2n2.1.2烷烃和环烷烃的构造异构C4H10：C5H12：异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷新戊烷直链烷烃支链烷烃碳骨架异构同分异构及构造异构•同分异构体(isomers)：分子式相同，结构不同的化合物•构造异构体(constitutionalisomers)：分子式相同，分子中原子键合次序不同的化合物异丁烷正丁烷C4H10：环烷烃的构造异构C5H10：环烷烃C5H10的构造异构体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(nomenclatureofalkanesandcycloalkanes)伯碳(1o)仲碳(2o)叔碳(3o)季碳(4o)2.2.1伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子伯氢(1o)仲氢(2o)叔氢(3o)环烷烃伯碳(1o)仲碳(2o)叔碳(3o)季碳(4o)伯氢(1o)仲氢(2o)叔氢(3o)烷基和环烷基烷基(alkylgroups):烷烃中去掉一个H原子剩余的部分。甲烷甲基methane甲基缩写甲烷Me一些常见的烷基一些常见的烷基2.2.3烷烃的命名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，InternationalUnionofPureandAppliedChemistry）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、一端具有异丙基和叔丁基的构造异构体。(正)戊烷异戊烷新戊烷C5C5烷烃的普通命名C5C6C7~C20碳原子数结构式中文名英文名C7CH3(CH2)5CH3正庚烷n-heptaneC8CH3(CH2)6CH3正辛烷n-octaneC9CH3(CH2)7CH3正壬烷n-nonaneC10CH3(CH2)8CH3正癸烷n-decaneC11CH3(CH2)9CH3正十一烷n-undecaneC12CH3(CH2)10CH3正十二烷n-dodecaneC13CH3(CH2)11CH3正十三烷n-tridecaneC20CH3(CH2)18CH3正二十烷n-eicosane碳原子数为10以上时用大写数字表示以甲烷为母体，把其它的烷烃看作是甲烷的衍生物。选择连接烷基最多的C原子作为母体甲烷按照“先小后大”的原则将各个烷基依次列出。二甲基乙基甲烷二甲基乙基异丙基甲烷2衍生命名法系统命名法InternationalUnionofPureandAppliedChemistry，缩写作IUPAC1980年出版的《有机化学命名原则》•直链烷烃的命名与普通命名法相似，去掉“正”•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守规矩支链烷烃的命名(a)选择主链，确定母体•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。……庚烷……辛烷支链烷烃的命名(a)选择主链，确定母体•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。3–异丙基己烷2–甲基–3–乙基己烷CH36CH25CH24CH3CH2CH2CH31CH3CH3CH36CH25CH24CH3CHCH22CH3CH3CH31(b)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)。5–乙基辛烷4–乙基辛烷(b)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)。CH2CHCHCH2CH3123456CH2CH3CH2CH3CH3789CHCH2CH3CH25CH6CH7CH28CH39CH2CH3CH24CH3CH3CH3CH22CH314,7–二甲基–3–乙基壬烷3,6–二甲基–7–乙基壬烷不同基团编号相同时，使小取代基编号最小CH2CH2CHCH2CH3123456CH3CHCH37CH2CH2CH38CH2CH2CHCH2CH3123456CH3CHCH37CH2CH2CH386–甲基–3–乙基辛烷3–甲基–6–乙基辛烷(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。实例3,4,6–三乙基辛烷CH2CHCHCH2CH3123456CHCH37CH2Et8EtEtCH2CHCHCH2CH3123456CH3CH2EtCH3789CHCH2CH33,7–二甲基–4–乙基壬烷更多实例BrClO2,2,5-三甲基己烷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2,2,8-三甲基-7,7-二乙基-3-异丙基壬烷含支链的取代基的命名仲丁基1-甲基丙基2,7-二甲基-4-仲丁基辛烷2,7-二甲基-4-(1-甲基丙基)辛烷2.2.4环烷烃的命名(单)环烷烃通式：CnH2n桥环烃（稠环）桥环烃螺环烃（与烯烃通式相同）联环烷烃两个环共用一个原子为螺环，共用一个以上原子为桥环。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。234561H3CCH2CH354321H3CH3CCHCH3CH31–甲基–3–乙基环己烷1,1–二甲基–3–异丙基环戊烷螺环的命名螺环编号：从靠近螺原子开始，先小环后大环。23451109876螺[4.5]癸烷spiro[4.5]decane除螺C外的碳原子数(用.隔开)取代基编号取最小234516789106-甲基螺[4.5]癸烷螺环的命名CH3H3CCH3CH3CH31,6-二甲基螺[4.5]癸烷1-甲基螺[3.5]-5-壬烯桥环的命名桥头碳：几个环共用的碳原子，环的数目：断裂二根C—C键可成开链烷烃为二环；断裂三根C—C键可成开链烷烃为三环桥环碳原子数：不包括桥头C，由多到少列出，中间使用“.”分隔环的编号方法：从桥头开始，先长链后短链345612789二环[4.3.0]壬烷环的数目桥头间的碳原子数桥环化合物碳原子数桥环命名实例5432617二环[2.2.1]庚烷二环[4.4.0]癸烷54326172,7,7-三甲基二环[2.2.1]庚烷3456127898-甲基二环[4.3.0]壬烷更多实例H3CCl10-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H3CBrCH33216547二环[4.1.0]庚烷1,2-二甲基-3-乙基-6-氯二环[3.2.1]辛烷7651243Cl多环烷烃Prismane（棱烷）Cubane（立方烷）Housane（房烷)(五棱烷）Adamentane（金刚烷）Basketane（篮烷）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[4.4.0.02,5.03,9.04,8.07,10]癸烷三环[3.3.1.13,7]癸烷43106591872五环[4.4.0.02,5.03,8.04,7]癸烷2.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ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。CHHHH4个C—Hσ键，sp3—1sσ键甲烷的球棍模型甲烷的比例模型甲烷的模型乙烷的结构乙烷中的成键1个C‒Cσ键，6个C‒Hσ键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。•由于σ键是沿成键轨道方向交盖而成，C—C—C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。正十五烷正丁烷的球棒模型和比例模型2.3.2环烷烃的结构与稳定性环烷烃通式为CnH2n,即(CH2)n，每个单元燃烧热应相同。摩尔燃烧热：是指1mol化合物在氧气中完全燃烧所放出的热量。890kJ•mol-1CH4+O22CO2+H2O2+燃烧热CH2+O22CO2+H2O+燃烧热3一些环烷烃的燃烧热名称环大小分子燃烧热/(kJ·mol-1)-CH2-的平均燃烧热/(kJ·mol-1)与开链烷烃燃烧热的差/(kJ·mol-1)环丙烷3209169738环丁烷4274468627环戊烷533206645环己烷639546590环庚烷746376623环辛烷853106645环壬烷959816656环癸烷1066366645环十五烷1598856601开链烷烃659环烷烃的稳定性109.56060HH114HHHH普通键角张力（anglestrain）：环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力环丙烷Newman投影式透视式所有C—H键均为重叠式构象，有扭转张力。环丁烷环戊烷HHHHHHHHHHHHHHHHHHHH环己烷HHHHHHHHHHHH构象与构象异构体由于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，分子的这种立体形状——构象(conformation)。由此产生的异构体——构象异构体(conformers)。描述立体结构的几种方式透视式Wedge-and-dash锯架式SawhorseNewman投影式NewmanProjection纽曼(Newman)投影式写法1232.4烷烃和环烷烃的构象2.4.1乙烷的构象H的vonderwaals半径(1.2Å)，2.3Å小于两个氢的vonderwaals半径之和2.4Å交叉式构象扭曲式构象重叠式构象staggeredconformerskewedconformereclipsedconformer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,乙烷分子绝大部分时间以稳定构象形式存在。2.4.2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(eclipsed)丁烷构象与势能关系图(动画)稳定性：对位交叉邻位交叉部分重叠全重叠丁烷构象与势能关系图2.4.3环己烷的构象环己烷的碳骨架不是平面结构，有两种典型构象：椅型构象船型构象椅式构象与船式构象椅