有机化学 第三章饱和烃

根据烃分子中碳原子间连接方式可分为：烃是在组成上仅含有C、H两种元素的化合物，也称为碳氢化合物。饱和烃：链烷烃不饱和烃：烯烃炔烃烃链烃环状烃饱和烃：环烷烃不饱和烃：环烯烃环炔烃芳香烃：苯，萘，蒽，菲等烃：只由C、H两种元素组成的有机化合物。烷烃：包括链烷烃和环烷烃3.1烷烃的通式和构造异构3.2烷烃的命名3.3烷烃的结构3.4烷烃的构象3.5环烷烃的分类和命名3.6环烷烃的构象3.7烷烃的物理化学性质烷烃的通式为：CnH2n+2，n为碳原子个数。例如：甲烷乙烷丙烷丁烷3.1烷烃的通式和构造异构CH4CH3CH3CH3CH2CH3CH3(CH2)2CH3-11.73℃沸点：-0.5℃CHCH3CH3CH3异丁烷CH2CH3CH2CH3正丁烷同系列：通式相同，组成上相差“CH2”及其整倍数的一系列化合物。同分异构体：具有相同分子式的不同化合物。同系列和同分异构例如：烷烃构造异构体的数目碳原子数异构体数碳原子数异构体数1~3456712359891015201835754,347366,319一、普通命名法“天干”——甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。一般按烷烃所含碳原子数目来命名，碳原子在十以内用“天干”表示，称“某烷”。如：C5H12C10H22C12H26戊烷癸烷十二烷区别异构体用“正”、“异”、“新”。将直链烷烃——叫“正”叫“异”CH3-CH-CH3叫“新”CH3-C-CH3CH33.2烷烃的命名二、系统命名法系统命名法是采用国际纯化学与应用化学联合会（简称IUPAC）的命名原则，结合我国文字的特点，制定了中文系统命名法（1960年）。1.烷基烷烃分子中去掉一个氢原子后，剩下的原子团叫烷基。烷基是一价基，通式为CnH2n+1，常用R-代表烷基。异戊烷如：CH3-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-CH-CH2-CH3CH3-C-CH3CH3CH3CH3正戊烷新戊烷异丙基-CH2CH2CH3丙基CH3-CH-CH3例如：-CH3甲基-CH2CH3乙基-CH2(CH2)2CH3正丁基n-BuCH3-CH2-CH-CH3异丁基i-Bu-CH-CH2CH3CH3仲丁基s-Bu-C-CH3CH3CH3叔丁基t-Bu2.IUPAC命名法直链烷烃与普通命名法基本相同，但不能用“正”字。如：CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷（普通命名法）戊烷（系统命名法）支链烷烃:把它看作是直链烷烃取代衍生物如：CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3CH33-甲基己烷123456取代基位置取代基名称①选取主链——选择最长的碳链为主链。支链当作取代基。②编号——从靠近支链的一端开始，编号时应尽可能使小取代基具有最低编号。步骤如：CH3-CH2-CH2-CH-CH3CH2-CH3CH3-CHCH2CH-CH2CH3CH2CH3CH2CH2CH321654321678345（如上例）:3-甲基-5-乙基庚烷当几种可能的编号方向时，应当选定使取代基具有“最低系列”的那种编号。CH3-CH—CH-CH2-CH2-C-CH3CH3CH3CH3CH3CH3CHCH2CH2CH2CH2CH—CHCH2CH3CH3CH3CH3从左到右：2，3，6，6从右到左：2，2，5，612345677654321123456789102,7,8-三甲基癸烷（不叫3,4,9-三甲基癸烷）③“先小后大，同基合并”CH3-CH—C-CH2-CH2-CH3CH3CH2CH3CH32,3-二甲基-3-乙基己烷123456——有不同取代基时，把小取代基名称写在前面，大取代基写在后面。相同取代基合并起来，取代基数目用二、三等表示。④有多种等长的最长碳链可供选择时，应选择取代基最多的碳链为主链。CH3-CH2-CH—CH-CH2-CH3CH3CH—CH3CH3—CHCH3CH3CH2CH2-CH—CH-CH-CH3CH3CHCH3CH3CH3CH243215673214562,5-二甲基-3,4-二乙基己烷2,3,5-三甲基-4-丙基庚烷伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子：CCHHHHCCH3CHCH3CH3CH3H1。2。3。4。3.C、H原子的分类：与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子在同一反应中的活性是有一定差别的。如：CH3—C—CH2—CH—CH3CH3CH3CH3季碳原子，常以4°表示伯碳原子，常以1°表示仲碳原子，常以2°表示叔碳原子，常以3°表示1°1°1°1°1°2°3°4°CH3CH2CH2CCH3CH3CH31、(CH3CH2)2CHCHCH2CH3CH32、(CH3)2CHCH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH33、4、CH3CH2CHCH2CHCHCH2CH2CH2CH(CH3)2CH3CH3CH2CH(CH3)2例如：用系统命名法命名下列化合物2，2-二甲基戊烷3-甲基-4-乙基己烷2，5，6-三甲基辛烷2，7，9-三甲基-6-异丁基十一烷一、碳原子的SP3杂化轨道、σ键1.碳原子的sp3杂化碳原子在基态时电子构型：1S2、2S2、2p2↑↑↑↑杂化SP3↑↑↑↑跃迁2S2Py2Px2PZ↑↓↑↑2S2P↑↓1SE3.3烷烃的分子结构SP3杂化轨道含1/4S轨道3/4P轨道4个SP3杂化轨道2、甲烷的分子模型虚线——表示伸向纸平面后方实线——表示在纸平面前上楔线——表示伸向纸平面前方甲烷的正四面体构型H—C—HHH甲烷的立体构造式CHHHH（透视式）甲烷凯库勒模型3、σ键：乙烷分子结构虽然是四面体，但不是正四面体，键角也不是109.5°而是接近109.5°。甲烷的形成示意图σ键乙烷的结构σ键原子轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称的轨道称为σ轨道。σ轨道构成的共价键称为σ键。例如：甲烷分子中有四个C－Hσ键。乙烷分子中有六个C－Hσ键和一个C－Cσ键。甲烷乙烷•σ键的定义：1.以键轴为对称轴的键。成键时轨道的交盖程度较大，键比较牢固。2.成键原子可沿键轴自由旋转;不影响σ键电子云的交盖程度，可极化性较小。σ键的特性:C—Cσ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）；不同的构象体之间为构象异构关系（一类立体异构现象）乙烷的两种构象3.4烷烃的构象060120potentialenergy(KJ/mol)degreesofrotation12.11HHHHHH1HHHHHH1HHHHHH1、乙烷的构象一般情况下(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。……旋转60o12HHHHHH112HHHHHH112HHHHHH1旋转60o重叠式构象：HHHHHHHHCCHHHHHHHHHHHH描述烷烃构象的几种方式：透视式锯架式Newman式交叉式构象CHHCHHHH12HHHHHH1212HHHHHH1透视式锯架式Newman投影式绕C-2和C-3之间的σ键旋转，形成的四种典型构象。HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3H3CHHHCH3H3C对位交叉式邻位交叉式全重叠式部分重叠式构象稳定性：对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式最稳定的对位交叉构象是优势构象，能量最低。。2、正丁烷的构象060120degreesofrotation36030024018014.63.822.614.63.8potentialenergy(KJ/mol)CH3HHHCH3HCH3HHHCH3HCH3HHHHH3CCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHHHH3CCH3HHHCH3H丁烷构象转换与势能关系图CH3HCH3HHHCH3H3CHHHH3.其它烷烃的构象规律:体积最大的基团总是占据对位交叉的位置最稳定HBrCH3BrHH3C最不稳定BrH3CHBrHH3C例：画出化合物的交叉式和重叠式构象BrHCH3BrH3CH23全全[讨论题]将右式化合物改写成纽曼式，并用纽曼式表示其优势构象。HCH3ClHCH3ClBrHCH3HBrF•分类：环烷烃按照分子中所含碳环的数目，可分为：CH3单环：双环：多环：3.5环烷烃的分类和命名桥环螺环cubaneadamantane甾族化合物：甾族化合物的结构特征是包含一个四环稠合的碳环骨架，同时还有三个侧链。H3CH3CR1234567891011121314151617ABCDCHCH3CH2CH2CH2CHCH3CH3HH3CH3CHHOHHH3CH3CHHOHHOHH3CH3CHHHCCH2OHOOHOO甾环结构：胆固醇(C27H45OH)雄甾酮(C19H30O2)可的松二、命名1.单环烃1）按成环碳原子数目称为“环某烷。”2）长链作母体，环作取代基。3-甲基-4-环丁基庚烷CH3甲基环戊烷methyl-cyclopentane1-甲基-3-乙基环己烷1-ethyl-3-methylcyclohexane3）顺、反环烷烃受环的限制，σ键不能自由旋转。环上取代基在空间的位置不同，产生顺反异构体。顺(cis)：两个取代基在环同侧；反(trans)：两个取代基在环异侧。HCH3H3CHHCH3H3CH顺-1,4-二甲基环己烷(cis-1,4-dimethylcyclohexane)反-1,4-二甲基环己烷(trans-1,4-dimethylcyclohexane)桥头碳桥头碳桥桥桥(3)(1)(2)2.桥环通过共用两个或两个以上碳原子连接的多环化合物。桥头碳：几个环共用的碳原子。环的数目：断裂二次C—C键可成链状烃，为二环；断裂三次C—C键可成链状烃，为三环。双环[3.2.1]辛烷Bicyclo[3.2.1]octaneCH2CHCH2CH2CHCH2CH2CH281234567按照“桥头碳1—长桥—桥头碳2—中桥—小桥”的顺序进行编号，并尽可能使取代基的位次最小。1532467CH3双环[3.2.1]辛烷Bicyclo[3.2.1]octane2-甲基双环[2.2.1]庚烷2-methylbicyclo[2.2.1]heptane3,7,7-三甲基双环[4.1.0]庚烷2,8-二甲基-1-乙基双环[3.2.1]辛烷1234567123456783、螺环烷烃编号：从小环与螺原子相邻的C原子开始，按照“小环—螺原子—大环”的顺序编号；并尽可能使取代基的位次最小。两个环共用一个碳原子的环烷烃称为螺环烷烃。共用的碳原子称螺碳原子。Spiro[4.5]decane2,6–二甲基螺[4.5]癸烷110925834675-甲基螺[3.4]辛烷CH387654321CH3CH3练习：CH315324672-甲基双环[2.2.1]-2-庚烯12345675,7,7-三甲基二环[2.2.1]-2-庚烯110925834672-甲基螺[4.5]-6-癸烯CH33.7烷烃的物理性质1、状态常温、常压(0.1MPa)C1～C4：气态C5～C16：液态＞C17：固态直链烷烃2、沸点（b.p）:A.直链烷烃M↑，b.p↑；庚烷：b.p=98.4℃。B.支链烷烃(同分异构体)支链↑，b.p↓。CH4(-161.6)C2H6(-88.6)b.p73C.C5H12C6H14(68.9)(36.1)b.p32.8C.C12H26C13H28b.p19.3C.(216.2)(235.5)相邻同系物的沸点差(⊿b.p)，随M↑,⊿b.p↓。3、熔点(m.p)A．直链烷烃M↑，m.p↑(C3以后)。CH3CH2CH2CH2CH3(CH3)2CHCH2CH3(CH3)4C36.1C.27.9C.9.5C.含偶数碳原子的碳链具有较好的对称性，晶格排列紧密。B.同分异构体支链↑，m.p↓(不利于晶格的紧密排列)。对称性↑，m.p↑；高度对称的异构体m.p＞直链异构体。CH3CH2CH2CH2CH3(CH3)2CHCH2CH334(CH)C-129.7C.-160.0C.-16.6C.溶解度:烷烃不溶于水，易溶于非极性溶剂。相对密度:烷烃的密度均小于