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第二章饱和烃烷烃和环烷烃只含碳和氢的有机化合物称为烃，其中结构最简单的化合物为烷烃和环烷烃山东科技大学化学与环境工程学院2.1通式和构造异构一、烷烃和环烷烃的通式烷烃：CnH2n+2环烷烃由于存在环状闭合，因此通式为CnH2n，n≥3同系物：组成上相差CH2的化合物，但第一个化合物通常性质不同二、烷烃和环烷烃的构造异构含有四个碳及以上的烃分子存在构造异构，称为同分异构体同分异构现象导致了有机化合物数量的庞大和结构的复杂，C4至C16的烷烃其构造异构体数目依次为：2，3，5，9，18，35，75，159，355，802，1858，10359，366319，如何找齐所有的异构体？山东科技大学化学与环境工程学院2.1通式和构造异构请写出六个碳的直链烷烃的全部同分异构体，七个碳的直链烷烃的全部同分异构体共有几个？写时应将主链固定，然后依次减少主链碳数，每次改变取代碳原子位置时应防止重复•己烷：5个•庚烷：9个请将庚烷的九个异构体写出，如何较快的找全？山东科技大学化学与环境工程学院山东科技大学化学与环境工程学院2.2命名一、伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子与一个碳原子相连的碳为1oC，其连的氢原子为1oH与二个碳原子相连的碳为2oC，其连的氢原子为2oH与三个碳原子相连的碳为3oC，其连的氢原子为3oH与四个碳原子相连的碳为4oC1oH2oH3oH1oC2oC3oC4oC(伯)(仲)(叔)(季)H3CCCH3CH3CH2CHCH3CH31o2o3o4o山东科技大学化学与环境工程学院2.2命名二、烷基和环烷基的命名:基：某分子从形式上去掉一个氢剩下的部分称为某基，去掉两个氢剩下的部分称为某亚基，如甲基：-CH3，亚甲基：-CH2-，常见英文缩写的含义：•n-：正，表示基团为无取代的直链结构，如：正丁基：CH3CH2CH2CH2-，n-Bu-；正丙基：CH3CH2CH2-，n-Pr-•i-或iso-：异，表示存在(CH3)2CH-结构，如：异丙基：(CH3)2CH-，i-Pr-；异丁基：(CH3)2CHCH2-，i-Bu-山东科技大学化学与环境工程学院•s-或sec-：仲，二级，表示是二级基团，如：仲丁基：CH3CH2CH(CH3)-，s-Bu-•t-或tert-：叔，表示是三级基团，如：叔丁基：-C(CH3)3，t-Bu-•-Me、-Et、-Pr、-Bu：甲基、乙基、丙基、丁基三、烷烃的命名1.普通命名法：•C10及以下用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳数目，C11及以上以十一、十二、……表示碳数目，最后加“烷”字，如辛烷，十八烷等山东科技大学化学与环境工程学院•正、异、新表示不同的异构体，正：直链，异：含有-CHMe2结构，新：端基为-CMe3结构2.衍生物命名法•所有烃以甲烷为母体，选择连接烷基最多的碳为母体甲烷碳，烷基按照次序规则从小到大排列，如•选择4o碳原子为甲烷母体，称为三甲基异丙基甲烷上述方法只能用于简单烷烃的命名2.2命名CH3CHCH3CCH3CH3H3C山东科技大学化学与环境工程学院2.2命名3.系统命名法（IUPAC、CCS、CA三种）•我国使用CCS，命名步骤如下：•A）确定最长主链，多个选择时考虑：–侧链数目（多的优先)，侧链位次大小（小的优先），各侧链碳原子数（多的优先）•B）编号：–按最低系列原则：使取代基的位置号码尽可能小。若有多个取代基，则按顺序规则排出顺序，靠前基团应有最小的编号。•C）按名称基本格式写出全名：–取代基位置号+个数+取代基+名称山东科技大学化学与环境工程学院•写名称的注意事项：–有多个取代基时，中文按顺序规则确定次序，小的在前。英文按英文字母顺序排列–相同基团合并写出，取代基数目用二，三等中文数字标出，用阿拉伯数字标出各个取代基位置,阿拉伯数字与汉字之间用短横线分开；阿拉伯数字之间用逗号分开，如：»2，4，6－三甲基庚烷烷烃的命名：最长碳链，最小定位，同基合并，由简到繁。山东科技大学化学与环境工程学院2.2命名顺序规则：•第一条规则：将各种取代基的连接原子比较，先按原子序数再按质量数排列，如：•IBrClSFONCDH。•第二条规则：如果多原子基团的连接原子相同，则比较与它相连的其它原子，若第二层次的原子仍相同，则沿取代链依次相比，直至比出大小为止，如：•－CH2Cl－CHF2－CO2H。•第三条规则：若含不饱和键，则连有双键或叁键的原子可以认为连有两个或三个相同的原子，如：•－C≡CH－CMe3－C＝CH2－CHMe2。山东科技大学化学与环境工程学院1.确定主链：有两个等长的最长链，选择侧链多的紫色和绿色为主链2.编号：根据最低系列原则,选绿色编号3.命名：中文名称：2,3,5-三甲基-4-丙基辛烷英文名称：2,3,5-trimethyl-4-propyloctane该词尾表示烷烷烃命名举例：山东科技大学化学与环境工程学院1-甲基-3-乙基环己烷3-甲基-4-环丁基庚烷四、环烷烃的命名：1.单环烃•a)按成环碳原子数目称为环某烷。•b)若存在长链，则长链作母体，环作取代基。•c)顺、反环烷烃：取代基在环同侧称“顺(cis)”，在环异侧称“反(trans)”。–环烷烃中键的写法表示顺反，命名时需特别注意2.2命名山东科技大学化学与环境工程学院2.双环烃•主要介绍桥环和螺环命名：•a)桥环烷烃：成环碳总数+烷–桥头碳原子：两环共用的碳原子，桥：两个桥头碳原子之间的碳链或一个键2.2命名HCH3H3CHHCH3H3CHCH3CH3HCH3H3CH顺-1,4-二甲基环己烷反-1,4-二甲基环己烷联环桥环螺环稠环山东科技大学化学与环境工程学院2.2命名•桥环化合物举例：•有取代基则应使取代基位次最低：桥头碳桥头碳桥桥桥(3)(1)(2)二环[3.2.1]辛烷12345672,7,7-三甲基二环[2.2.1]庚烷12345673,7,7-三甲基二环[4.1.0]庚烷山东科技大学化学与环境工程学院2.2命名•螺环烷烃命名：顺序规则与桥环相反，先小环后大环，如：•支链取代与桥环处理相同螺原子12345678910螺[4.5]癸烷5-甲基螺[3.4]辛烷山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构一、碳的sp3杂化和σ键的形成：1.杂化的过程和分类：•CH4的空间构型为正四面体，四个C-H键完全等同，与碳的2s22p2电子排布矛盾，因此只能采用杂化理论加以解释：C：2s22p22s2p激发2s2p吸收能量sp3杂化能量均衡山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构•杂化的结果是s轨道和p轨道四个轨道完全等同，且均为纺锤形结构，在成键时以棒的顶端与其他原子成键•四个这样的轨道，在空间上只能以四面体方式排列•CH4的形成：+σ键的形成4山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构甲烷的分子结构：乙烷的分子结构：山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构2.其他烷烃的形成：•乙烷可被认为是甲基取代的甲烷，即其中一个C-H键被C-C键取代，其他烷烃也可如此理解3.σ键：•两个轨道沿着轨道对称轴方向重叠形成的键叫σ键，（）包括C-H和C-C键，烷烃只含σ键σ键的特点是：•电子云头对头碰撞，重叠部分大，键能大•其电子云的可极化性小，不易变化•能沿中心对称轴自由旋转山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构4.含σ键的化合物的特点：•键能大，因此化合物性质稳定•可极化性小，故诱导效应只能短距离存在•可自由旋转，分子具有无穷多构象二、烷烃的结构：碳的σ键由sp3杂化轨道构成，因此每个碳均为四面体构型，分子呈现锯齿状，夹角109°28’。如正庚烷：山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构三、环烷烃的结构与不稳定性：燃烧热的意义：越大则能量越高，越不稳定环烷烃是多个CH2的组合，平均后可以看到，六元环最稳定，小环不稳定环烷烃燃烧热的实测数据26.0027.0110.0115.5105.4与标准的差值662.4658.6664.0686.1697.1711.3每个CH2的燃烧热4636.73951.83320.02744.32091.21422.6分子的燃烧热n=7n=6n=5n=4n=3n=2(CH2)n山东科技大学化学与环境工程学院上述现象的解释：环张力•正常σ键夹角109°28’，小环内角小于此数值，因此小环化合物的σ键电子云难以真正头对头碰撞，重叠范围小，键能低，如下图所示：•当碳原子间键角偏离109°28′时，会产生一种恢复正常键角的力，称为张力。键角偏离正常键角越多，张力就越大。立体形状：除环丙烷外，碳架均为不共面结构2.3烷烃和环烷烃的结构山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构练习：CH3CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH3CHCH3CH3CHCH3CH39876543211’2’3’3－甲基－5－(1’，2’－二甲基丙基)壬烷2，2，4－三甲基戊烷异辛烷1,7-二甲基-4-丙基二环[4.4.0]癸烷山东科技大学化学与环境工程学院2.3烷烃和环烷烃的结构关于命名的补充：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，相同条件下应使“小”基团具有最小编号取代基团上的支链，需要用带撇的数字表示取代基中支链的位置，此时取代位置的碳必须为1号环烷烃命名时需要注意固定编号顺序山东科技大学化学与环境工程学院2.4烷烃与环烷烃的构象HHHHHHHHHHHH重叠式交叉式一、构象与构象异构体：一个已知构型的分子，仅由于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；单键旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体（或旋转异构体）二、乙烷的构象：Newman投影式：优势构象为交叉式，原因？山东科技大学化学与环境工程学院Newman投影式的写法：重叠式与交叉式只是其中的两种极限构象2.4烷烃与环烷烃的构象HHHHHHHHCCHHHHHHHHHHHH楔形式锯架式纽曼式HHHHHHCHHHHHHHHHHHCHHH★☆☆☆★★山东科技大学化学与环境工程学院2.4烷烃与环烷烃的构象优势构象的原因：能量最低•乙烷交叉式构象与重叠式构象的能量分析250pm240pm229pmE重叠E交叉E=12.1KJmol-1C-H键长C-C键长键角两面角两氢相距110.7pm154pm109.3o60o250pm110.7pm154pm109.3o0o229pm每个C-H键间重叠的能量约4KJmol-1当氢原子间距少于240pm（即二个氢原子的半径和）时，氢原子间会产生排斥力，从而使分子内能增高，稳定性差。所以重叠式比交叉式内能高。山东科技大学化学与环境工程学院2.4烷烃与环烷烃的构象乙烷构象势能关系图以单键的旋转角度为横坐标，以各种构象的势能为纵坐标。将单键旋转360度，可画出一条构象的势能曲线，类似正弦曲线稳定构象位于势能曲线谷底的构象存在非键连相互作用，不直接相连的原子间的排斥力。转动能垒12.1KJ·mol-1：分子由一个稳定的交叉式构象转为一个不稳定的重叠式构象所必须的最低能量。（25°时转速达1011次/秒）山东科技大学化学与环境工程学院2.4烷烃与环烷烃的构象HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3H3CHHHCH3H3C对位交叉式邻位交叉式全重叠式部分重叠式三、正丁烷的构象极限构象：随着转动，存在六个四类极限构象构象稳定性：对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式室温下，正丁烷构象异构体处于迅速转化的动态平衡中，不能分离。山东科技大学化学与环境工程学院2.4烷烃与环烷烃的构象四、环己烷构象：极限构象：船式椅式优势构象山东科技大学化学与环境工程学院2.4烷烃与环烷烃的构象优势构象：船式结构，能量最低a与e键：•a键为直立键，e键为平伏键，相互之间随着