第2章饱和烃：烷烃和环烷烃

第二章饱和烃:烷烃和环烷烃第二章饱和烃: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烷烃和环烷烃的主要来源和制法第二章目录烃：“火”代表碳，“”代表氢，所以“烃”的含义就是碳和氢。烃——分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物。烃是有机化合物的母体。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃饱和烃：碳原子完全被氢原子所饱和的烃。环烷烃——环状结构烷烃——开链结构烃开链烃(脂肪烃)不饱和烃烯烃炔烃二烯烃环状烃脂环烃()``......芳香烃(CH3)......``饱和烃烷烃（脂环烃）2.1烷烃和环烷烃的通式和构造异构CHHH氢数甲烷乙烷丙烷丁烷分子式CH4C2H6C3H8C4H10结构式CCHHHHHHCCHHHHHCHHCCHHHHHCHHHCHHHH碳数241321+222+223+224+2烷烃的通式为CnH2n+2。2.1.1烷烃和环烷烃的通式第二章饱和烃:烷烃和环烷烃H2CH2CCH2CH2CH2CH2H2CH2CCH2CH2CH2H2CH2CCH2CH2H2CCH2CH2环丙烷环丁烷环戊烷环己烷环烷烃的通式为CnH2n通式----表示某一类化合物分子式的式子。同系列----结构相似，而在组成上相差－CH2－的整数倍的一系列化合物。同系物----同系列中的各个化合物叫做同系物。同系物化学性质相似，物理性质随分子量增加而有规律地变化。举例：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷…均属烷烃系列。环丙烷、环丁烷、环戊烷…均属环烷烃系列。乙酸、丙酸、月桂酸、硬脂酸…均属脂肪酸系列。烷烃和环烷烃的通式和构造异构2.1.2烷烃和环烷烃的构造异构这两种不同的丁烷,具有相同的分子式和不同的结构式，互为同分异构体。同分异构体——分子式相同，结构式不同的化合物。同分异构现象——分子式相同，结构式不同的现象。CCHHHHCHHHCHHHCCHHHHHCHHCHHHm.p-159C。b.p11.7C。m.p-138C。b.p-0.5C。丙烷中的一个氢原子被甲基取代，可得到两种不同的丁烷：第二章饱和烃:烷烃和环烷烃烷烃和环烷烃分子中，随着碳原子数增加，同分异构体迅速增加。举例(同分异构体的写法)：CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC6H14：烷烃和环烷烃的构造异构CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC7H16有9个同分异构体：C10H22可写出75个异构体；C20H42可写出366319个异构体。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃C5H10(环烷烃)有5个异构体：CH3CH2CH3CH3CH3CH3CH3C6H12(环烷烃)有12个异构体!同分异构现象是造成有机化合物数量庞大的重要原因之一。烷烃和环烷烃的构造异构2.2烷烃和环烷烃的命名2.2.1伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢2.2.2烷基和环烷基2.2.3烷烃的命名2.2.4环烷烃的命名第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.2烷烃的命名与三个氢原子相连的碳原子,叫伯碳原子(第一碳原子、一级碳原子),用1°表示与二个氢原子相连的碳原子,叫仲碳原子(第二碳原子、二级碳原子),用2°表示与一个氢原子相连的碳原子,叫叔碳原子(第三碳原子、三级碳原子),用3°表示与四个碳原子相连的碳原子,叫季碳原子(第四碳原子、四级碳原子),用4°表示烷烃和环烷烃的命名CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH3季碳，4oC仲碳，2oC伯碳，1oC伯碳，1oC叔碳，3oC2.2.1伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢•连在伯碳上氢原子叫伯氢原子(一级氢，1°H)•连在仲碳上氢原子叫仲氢原子(二级氢，2°H)•连在叔碳上氢原子叫叔氢原子(三级氢，3°H)第二章饱和烃:烷烃和环烷烃CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH3伯氢，1oH叔氢，3oH伯氢，1oH仲氢，2oHCH3CH3CH2CH3CH2CH2CH3CHCH3CH3CH2CH2CH2甲基乙基正丙基异丙基正丁基异丁基仲丁基叔丁基新戊基CHCH2CH3CH3CHCH3CH3CH2CH3CCH3CH3CH3CCH2CH3CH3烷烃分子从形式上去掉一个氢原子所剩下的基团叫做烷基，用R表示。如：2.2.2烷基和环烷基烷烃和环烷烃的命名烷烃分子从形式上去掉两个氢原子所剩下的基团叫做亚烷基。例如：-CH2CH2--CH2CH2CH2CH2CH2CH2-亚甲基亚异丙基1,2-亚乙基1,6-亚己基CH2C(CH3)2CHCH3亚乙基环丙基环丁基环戊基环己基第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.2.3烷烃的命名(1)普通命名法普通命名法亦称为习惯命名法，适用于简单化合物。对直链烷烃，叫正某(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二)烷。例：对有支链的烷烃：有结构片断者叫异某烷；有结构片断者叫新某烷。例：CCCCCCCC新庚烷异己烷CH3-C-CH2-CH2-CH3CH3CH3CH3-CH-CH2-CH2-CH3CH3CCCCCCCCCCCCCCCCCCC正辛烷正十一烷烷烃和环烷烃的命名(2)系统命名法b.有支链时：取最长碳链为主链,对主链上的碳原子标号。从距离取代基最近的一端开始编号,用阿拉伯数字表示位次。如：CH3CH2CH2CH2CH3戊烷CCCCCCCCCCCCC2-甲基戊烷3-甲基己烷烷烃和环烷烃的命名a.直链烷烃：与普通命名法相似,省略“正”字。如:c.多支链时：合并相同的取代基。用汉字一、二、三……表示取代基的个数，用阿拉伯数字1,2,3……表示取代基的位次，按官能团大小次序(小的在前,大的在后)命名。例如：CH3CH2CH3CH3CH3CH2CCHCH2CH2CH33,3-二甲基-4-乙基庚烷第二章饱和烃:烷烃和环烷烃d.其它情况ii.在保证从距离取代基最近一端开始编号的前提下，尽量使取代基的位次和最小。例：2,2,4-三甲基戊烷CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH3i.含多个长度相同的碳链时，选取代基最多的链为主链：烷烃和环烷烃的命名e.复杂情况（不常见，不常用）3,3-二甲基-4-乙基-5-(1,2-二甲基丙基)壬烷CH3CH2CCHCHCH2CH2CH2CH3CH3CH3CH2CH3CHCH3CHCH3CH3第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.2.4环烷烃的命名(1)单环环烷烃CH2CH2CH2CH2CH2即环戊烷CH3甲基环丁烷CH3CH31,2-二甲基环戊烷CH3H3CCHCH3即1-甲基-4-异丙基环己烷反-1,4-二甲基环己烷CH3HHCH3CH3HHCH3即烷烃和环烷烃的命名(2)二环环烷烃•分子中含有两个碳环的是双环化合物。•两环共用一个碳原子双环化合物的叫做螺环化合物；•两环共用两个或更多个不相邻碳原子的叫做桥环化合物。联二环己烷二环[4,4,0]癸烷螺[4,4]壬烷二环[2,2,1]庚烷(联环烃)(螺环烃)(稠环烃)(桥环烃)第二章饱和烃:烷烃和环烷烃(A)桥环烷烃的命名固定格式：双环[a.b.c]某烷(a≥b≥c)先找桥头碳（两环共用的碳原子），从桥头碳开始编号。沿大环编到另一个桥头碳，再从该桥头碳沿着次大环继续编号。分子中含有双键或取代基时，用阿拉伯数字表示其位次：双环[3.1.1]庚烷5-甲基双环[2.1.0]戊烷76543212-甲基双环[2.2.1]庚烷7,7-二甲基双环[2.2.1]庚烷1234567CH31234567CH354321烷烃和环烷烃的命名(乙)螺环烷烃的命名固定格式：螺[a.b]某烷(a≤b)先找螺原子，编号从与螺原子相连的碳开始，沿小环编到大环。例：CH3CH376543211,3-二甲基螺[3.5]壬烷5-甲基螺[2.4]庚烷7123456H3C第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性2.3.2环烷烃的结构与环的稳定性饱和烃的结构第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性C:2s2p22实验事实：①CH2性质极不稳定，非常活泼，有形成4价化合物的倾向；②CO也很活泼，具有还原性，易被氧化成4价的CO2，而CH4和CO2的性质都比较稳定；③CH4中的4个C-H键完全相同。即：碳有形成4价化合物的趋势，在绝大多数有机物中，碳都是4价。两个成单电子，呈2价？第二章饱和烃:烷烃和环烷烃对实验事实的解释：①sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。②4个sp3杂化轨道间取最大的空间距离为正四面体构型，键角为109.5°(动画，sp3杂化碳)。构型——原子在空间的排列方式。③四个轨道完全相同。激发杂化(线性组合)4个sp杂化轨道3杂化的结果：σ键的形成及其特性∵CH4中的4个杂化轨道为四面体构型(sp3杂化)∴H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠(因为顶点方向电子云密度最大),形成4个σsp3-s键。（动画）σ键——电子云围绕两核间连线呈圆柱体的轴对称,可自由旋转。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃由于sp3杂化碳的轨道夹角是109.5°，所以烷烃中的碳链是锯齿形的而不是直线。乙烷、丙烷、丁烷中的碳原子也都采取sp3杂化：乙烷CCHHHHHH-s3sp-sp3sp3丁烷σ键的形成及其特性σ键的特点：①σ键电子云重叠程度大，键能大，不易断裂；②σ键可自由旋转(成键原子绕键轴的相对旋转不改变电子云的形状)；③两核间不能有两个或两个以上的σ键。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃燃烧热----1mol化合物完全燃烧生成二氧化碳和水所放出的热量。燃烧热的大小可以反映分子能量的高低。开链烷烃中每个CH2的燃烧热[(ΔHc/n)/KJ·mol-1]平均为658.6KJ/mol。环烷烃：环越小，每个CH2的燃烧热越大，说明环越小，环张力越大。2.3.2环烷烃的结构与环的稳定性环烷烃的结构与环的稳定性一些环烷烃的燃烧热如下所示：环烷烃的环张力越大，表明分子的能量越高，稳定性越差，越容易开环加成。为什么环的稳定性顺序有：环丙烷＜环丁烷＜环戊烷＜环己烷？第二章饱和烃:烷烃和环烷烃结构所致！!环丙烷的结构：物理方法测得，环丙烷分子中三个碳原子共平面。显然，环丙烷中没有正常的C－C键，而是形成“弯曲键”：环烷烃的结构与环的稳定性由于环丙烷分子中的C－C键不是沿轨道对称轴实现头对头的最大重叠，而重叠较少，张力较大，具有较高的能量。根据结构与性能的关系，环丙烷的化学性质应该活泼，容易开环加成。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃环丁烷的结构：C：sp3杂化，轨道夹角109.5°若四个碳形成正四边形，内角应为90°角张力：109.5－90＝19.5°＜109.5－60＝49.5°环丁烷中的C－C键也是“弯曲键”，但弯曲程度较小。∴环丁烷较环丙烷稳定，但仍有相当大的张力，属不稳定环，比较容易开环加成。事实上，环丁烷中四个碳原子不共平面，这样可使部分张力得以缓解。(动画)环烷烃的结构与环的稳定性环戊烷的结构：C：sp3杂化，轨道夹角109.5°正五边形内角为108°角张力：109.5－108＝1.5°可见，环戊烷分子中几乎没有什么角张力，故五元环比较稳定，不易开环，环戊烷的性质与开链烷烃相似。事实上，环戊烷分子中的五个碳原子亦不共平面，而是以“信封式”构象存在，使五元环的环张力可进一步得到缓解。(动画)第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.4烷烃和环烷烃的构象2.4.1乙烷的构象2.4.2丁烷的构象2.4.3环己烷的构象饱和烃的构象第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.4.1乙烷的构象构象——由于围绕C-C单键旋转而产生的分子中各原子或原子团在空间的排列方式。例如：乙烷的构象(动画)常用Newman投影式表示烷烃的构象。2.4烷烃和环烷烃的构象第二章饱和烃:烷烃和环烷烃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。最典型的有两种：重叠式和交叉式。乙烷的构象重叠式:HHHHHHHHHHHH交叉式:能量高，不稳定(因非键张力大)，一般