有机化学上第二章 饱和烃：烷烃和环烷烃

第二章饱和烃(烷烃和环烷烃;6学时)（一）掌握烷烃和环烷烃的命名、主要化学性质（取代、小环环烷烃的加成反应）及主要构象异构现象。（二）理解烷烃和环烷烃的结构、物理性质和取代反应的机理。（三）了解烷烃和环烷烃的其他化学性质（裂化、氧化）及制备的主要方法。第二章饱和烃(烷烃和环烷烃)(一)烷烃和环烷烃的通式和构造异构(二)烷烃和环烷烃的命名(三)烷烃和环烷烃的结构(四)烷烃和环烷烃的构象(五)烷烃和环烷烃的物理性质(六)烷烃和环烷烃的化学性质(七)烷烃和环烷烃的主要来源和制法第二章饱和烃(烷烃环烷烃)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。烷烃——碳原子完全被氢原子所饱和的烃。环烷烃——分子结构呈环状的烷烃。烃是有机化合物的母体。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(一)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。对于环烷烃•环烷烃的通式为CnH2n。CH2CH2CH2CH2CH2即环戊烷CH3甲基环丁烷CH3CH31,2-二甲基环戊烷H2CH2CCH2H2CH2CCH2CH2H2CH2CCH2CHH2C环丙烷环丁烷甲基环戊烷CH3定义：•烷烃——符合通式CnH2n+2的一系列化合物。•环烷烃——符合通式CnH2n的环状化合物。(注意：此定义涉及了两个概念，通式、同系列)•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。乙酸、丙酸、月桂酸、硬脂酸…均属脂肪酸系列。•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：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)：CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC6H12：CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC7H14：C10H22可写出75个异构体；C20H42可写出366319个异构体。环烷烃的构造异构现象与烷烃相似，但比烷烃复杂。例如：对于5个碳的烷烃和环烷烃CH3CH2CH2CH2CH3CH3CH2CHCH3CH3CH3CCH3CH3CH3CH3CH2CH3H3CCH3CH3CH31,1-二甲基环丙烷(二)烷烃和环烷烃的命名(1)烷基和环烷基的概念(甲)伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢(乙)烷基与环烷基(2)烷烃的命名(甲)普通命名法(乙)衍生物命名法(丙)系统命名法•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（1）烷基和环烷基的概念(甲)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)CH3-C-CH2-CH-CH3CH32C。仲碳，3C。叔碳，4C。季碳，1C。伯碳，1C。伯碳，CH3CH3CH3CH3CH2CH3CH2CH2CH3CHCH3CH3CH2CH2CH2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：(乙)烷基环烷烃分子从形式上去掉一个氢原子所剩下的基团叫做环烷基。如：环丙基环丁基环戊基环己基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。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(2)烷烃的命名(甲)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(乙)衍生物命名法•衍生物命名法适用于简单化合物。•衍生物命名法是以甲烷为母体，选择取代基最多的碳为母体碳原子。例如:CH3CHCH3CH2CH3CCH3CH3CH3CH3二甲基乙基甲烷四甲基甲烷(丙)系统命名法a.直链烷烃：与普通命名法相似,省略“正”字。如: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CH3CHCH2CH2CH3CH3CH3CHCH2CH3CH2CH2CH32-甲基戊烷3-甲基己烷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d.其它情况i.含多个长度相同的碳链时，选取代基最多的链为主链：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CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH32,5-二甲基-3,4-二乙基己烷CH3CH2CHCHCH2CH3CHCH3CH3CHCH3CH3e.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(2)环烷烃的命名单环环烷烃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CH33-甲基-1-环己烯CH35-甲基-1,3-环戊二烯二（双）环烷烃定义：分子中含有两个碳环的是双环化合物。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)（1）两环共用一个碳原子双环化合物的叫做螺环化合物；•（2）两环共用两个或更多个碳原子的叫做桥环化合物。(甲)桥环烃的命名固定格式：双环[a.b.c]某烃(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]庚烷双环[2.1.0]戊烷54321765432176543215-甲基双环[2.2.1]-2-庚烯1234567CH3双环[2.2.1]-2-庚烯(乙)螺环烷烃的命名固定格式：螺[a.b]某烃(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]-5-壬烯5-甲基螺[2.4]庚烷7123456H3C(三)烷烃和环烷烃的结构•σ键的形成及其特性和烷烃的结构•环烷烃的结构与环的稳定性(1)σ键的形成及其和特性烷烃的结构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；②作为2价碳的CO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？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：∵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。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。（2）环烷烃的结构与环的稳定性实验事实：环的稳定性：三元环＜四元环＜五元、六元环why?结构所致！环张力所致！•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。•可用环烷烃每个CH2单位的燃烧热来表明环张力的大小。以上的数据说明：环越小，每个CH2的燃烧热越大，环张力越大。一些环烷烃的燃烧热如下所示：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”：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。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)(四)烷烃和环烷烃的构象（1）乙烷的构象（2）丁烷的构象（3）环己烷的构象(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。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。重叠式:能量高，不稳定(因非键张力大)，一般含0.5%交叉式:HHHHHHHHHHHH注意：室温下不能将乙烷的两种构象分离，因单键旋转能垒很低(～12.6KJ/mol)能量低,稳定(各氢原子相距最远,非键张力小),一般含99.5%以能量为纵坐标，以单键的旋转角度为横坐标作图，乙烷的能量变换曲线如下：(2)丁烷的构象CH3CH3