饱和烃：烷烃与环烷烃

第二章饱和烃：烷烃与环烷烃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2.6.1自由基取代反应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烃(Hydrocarbons)：只含有C、H两种元素的化合物—碳氢化合物含有碳碳重键的烃类化合物。烯烃、炔烃等。分子中C原子的结合方式环丙烷环己烷碳原子之间均以C－C单键相连，其余的价键均为H原子所饱和。烷烃(Alkanes)：甲烷、乙烷等；环烷烃(Cycloalkanes):。烃饱和烃：不饱和烃:(Unsaturatedhydrocarbons)(Saturatedhydrocarbons)根据C原子的结合方式分：烃脂肪烃脂环烃碳骨架的类型开链：环状：乙烷、丁烷根据碳骨架的类型类型分：烷烃的通式：CnH2n+2甲烷Methane丙烷Propane丁烷Butane乙烷EthaneCHHHHCHHCHHHCHHCHHHCHHHCHHCHHHCHHHCHHH2.1.1烷烃和环烷烃的通式2.1烷烃和环烷烃的通式和构造异构环烷烃的通式CH2H2CCH2H2CCH2CH2H2CCH2H2CH2CCH2CH2CH2H2CH2CCH2CH2CH2环丙烷环丁烷环戊烷环己烷环烷烃的通式：CnH2nC4H10：正丁烷异丁烷CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH32.1.2烷烃和环烷烃的构造异构分子内原子之间相互连接的顺序构造：同分异构体：分子式相同的不同化合物构造异构：分子内原子之间相互连接的顺序不同所产生的异构现象碳骨架异构直链烷烃支链烷烃C5H12:正戊烷异戊烷新戊烷CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3环烷烃的构造异构脂环烃的构造异构现象比脂肪链烃复杂，如环烷烃C5H10的构造异构体有：CH3CH2CH3环戊烷乙基环丙烷甲基环丁烷CH3CH3CH3CH31,1-二甲基环丙烷1,2-二甲基环丙烷(还存在顺反异构)2.2.1碳原子的四种类型.1C（伯碳，一级碳）primarycarbon2C（仲碳，二级碳）secondarycarbontertiarycarbon3C（叔碳，三级碳）4C（季碳，四级碳）quaternarycarbonH3CCH2CH2CH3H3CCHCH3CH3H3CCCH3CH3CH31H（伯氢）2H（仲氢）3H（叔氢）2.2烷烃和环烷烃的命名2.2.2烷基与环烷基烷基(Alkylgroups):CH3HCH3甲基MeCH3CH2HCH3CH2乙基Et(Methyl)(Ethyl)CH3CH2CH2HCH3CH2CH2正丙基(Propyl)PrCH3CHCH3异丙基(Isopropyl)i-Pr烷烃去掉一个氢原子后留下的基团RHR名称缩写CH3CH2CH2CH2HCH3CH2CH2CH2正丁基(Butyl)BuCH3CH2CHCH3仲丁基(sec-Butyl)s-BuCCH3CH3CH3叔丁基(tert-Butyl)t-BuCH3CHCH3CH3CH3CHCH2CH3异丁基(iso-Butyl)i-BuRHR名称缩写2.2.3烷烃的命名(1)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的碳的用十一、十二等数字表示。•用“正”、“异”、“新”分别表示直链、一端具有异丙基或叔丁基的构造异构体。正戊烷(Apentane)异戊烷(Aisopentane)新戊烷(Aneopentane)CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3CH3(CH2)4CH3CH3CHCH2CH2CH3CH3CH3CCH2CH3CH3CH3CH3CHCHCH3CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CH3C6正己烷异己烷新己烷n-hexaneisohexaneneohexane中文名英文名如何命名？如何命名？母体取代基的位次与名称化合物的名称碳原子的个数(3)系统命名法系统命名是由三部分构成：TheInternationalUnionofPureandAppliedChemistry（IUPAC）基本方法：选定一条最长链作为主链（以普通命名法命名）其它支链作为主链上的取代基。•选取最长的碳链作为主链。对于相等长的碳链，选取含支链最多的碳链。(a)选择主链，确定母体：•根据主链的碳数，称“某”烷。CHCHCHCH2CH2CH3CH3CH3CH3CHCH3CH2CH3庚烷(b)为主链上的碳原子编号•从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。CHCH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH3CH2CH3CH2CH3987654321CHCH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH3CH2CH3CH2CH3219876543(I)(II)不同基团编号相同时，使小取代基编号最小7CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CH3123456CH3123456CH2CH38783-甲基-6-乙基辛烷6ethyl3methyloctane相同取代基合并用大写数字表示CH3CH2CHCH2CHCHCH2CH3EtEt123456Et783,4,6三乙基辛烷3,4,6triethyloctane用“,”隔开•第三次第一节CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CH3CH3CHCH2CH3CH31234567893,7-二甲基-4-乙基壬烷支链上带有取代基该支链可用括号或带撇号的数字标明，支链的编号从与主链相连的碳原子开始。1CH32CHCH3CH24CHCH1'5CHCH3CH22'CH33'C1'6CH2H3CCH3CH22'CH33'7CH28CH29CH32-甲基-4-(1-甲基丙基)-5-(1,1-二甲基丙基)壬烷2-甲基-4-1′-甲基丙基-5-1′,1′-二甲基丙基壬烷环烷烃可根据环的大小分为：小环——C3~C4，普通环——C5~C7，中环——C8~C11，大环——C12以上；也可根据环的数目分为单环和多环，多环又分为——联环螺环、稠环桥环。环烷烃的分类2.2.4环烷烃的命名螺环烃：两个碳环共用一个碳原子的环烃。桥环烃：两环共用两个以上碳原子的多环烃螺原子:两环共用的碳原子桥头碳：几个环共用的碳原子联环烃：两个碳环以单键相连稠环烃：可以看作特殊的桥环烃，两环共用两个相邻的碳原子稠环以环为母体，根据成环碳原子数称为环某烷。环外基团作为环上的取代基单环烷烃的命名CH3环丙烷环己烷甲基环丙烷当环上有不止一个取代基时，将成环碳原子编号。编号时，使“次序规则”中“优先”的基团具有较大的位次号，且使所有的取代基位号尽可能的小。CH3CH2CH3123456CH3CH3CH(CH3)2124531-甲基-3-乙基环己烷1,1-二甲基-3-异丙基环戊烷当环与长链连接时环可作为取代基（称环基）环丙基环己烷3甲基4环丁基庚烷34顺-1,3-二甲基环戊烷顺反异构用“顺”或“反”注明基团相对位置。反-1,3-二甲基环戊烷环烷烃的顺反异构：假定环中碳原子在一个平面上，以环平面为参考平面，两取代基在同一边的叫顺式（cis-)，否则叫反（trans-)。桥环烃（包括稠环烃）：两个或两个以上碳环共用两个以上的碳原子。a.判断环数及总碳数，称几环[]某烷*环数：将桥环烃变为开链化合物需要断开的C-C键的最小数b.将桥上碳原子数（不包括桥头碳）由多到少顺序列在[]内，并用下角原点隔开（有几个桥就有几个数字）。c.编号：从第一个桥头碳开始，从最长的桥编到第二个桥头碳，再沿次长的桥回到第一个桥头碳，即按桥渐短的次序将其余的桥依次编号。（若有取代基，则尽量使其位次较小）二环[4.2.0]辛烷2,7,7-三甲基二环[2.2.1]庚烷123456781234567例如:桥环烃的命名1,2,4-三甲基二环[4.3.0]壬烷a.根据成环的碳总数，称为螺[]某烷b.两环除开螺原子外的C数，由小到大，放于[]内，并用下角原点隔开c.编号：从螺原子的邻碳开始，由小环到大环，（并尽可能使取代基为此小）5-甲基螺[2.4]庚烷Cl5-氯螺[2.5]辛烷1234567例如:螺环烃（spirohydrocarbon）的命名•螺环烃:两个碳环共用一个碳原子(螺原子)的环烃。螺原子:两环共用的碳原子编号从小环开始取代基数目取最小螺[4.5]癸烷4甲基螺[2.4]庚烷除螺C外的碳原子数(用.隔开)组成螺环的碳原子总数123456789101234567环烷烃的其它命名方法:O十氢萘萘莰烷2-莰酮（樟脑）立方烷金刚烷按形象命名按衍生物命名对一些结构复杂的化合物，常用俗名2.3烷烃的结构σ键的形成及其特性C:1s22s22px12py12pz0碳原子在基态时的电子构型：sp3杂化轨道(Hybridorbitals):基态2p2s1s电子跃迁激发态2p2s1ssp3-杂化态杂化1ssp3图2.1sp3杂化轨道形成过程示意图在甲烷分子中，C原子是sp3杂化。S轨道成分：1/4；p轨道成分：3/4。图2.2sp3杂化轨道图2.3sp3杂化的碳原子几何构型：正四面体sp3-1sσ键4个C－Hσ键图2.4甲烷的结构CHHHH图2.5甲烷的球棍模型图2.6甲烷的比例模型C－Cσ键是由两个碳原子各以一个sp3杂化轨道沿对称轴方向交盖而成的。如：乙烷分子的结构乙烷的结构由两个和两个以上碳原子组成的烷烃，除了具有C－Hσ键外，还有C－Cσ键。1个C－Ｃσ键6个C－Hσ键sp3－sp3σ键sp3－1sσ键图2.7乙烷的球棒模型图2.8乙烷的比例模型图2.9乙烷的棍棒模型σ键的特性：•σ键呈圆柱型对称;重叠程度大,键能较大;电子云密集于两原子核之间,可极化性小;两端原子可沿键轴自由旋转,导致构象异构。•由于σ键是沿成键轨道方向交盖而成，在碳链中，C－C－C的键角保持了接近109.5°。对于直链烷烃，其三维形状是曲折型，而不是直线型。图2.10正丁烷的球棒模型图2.11正丁烷的比例模型正十五烷曲折型燃烧热(-△Hc)测定数据表明：开链烷烃分子每增加一个—CH2—，其燃烧热数值的增加基本上是一个定值659kJ·mol-1。(链状烷烃—CH2—的平均燃烧热）环烷烃可以看作是数量不等的—CH2—单元连接起来的化合物。但不同环烷烃中的单元—CH2—的燃烧热却因环的大小有着明显的差异。2.3.2环烷烃的结构与稳定性燃烧热：+2O2CO2+2H2O+燃烧热CH41mol化合物完全燃烧生成CO2+H2O放出的热量表2.2一些环烷烃的燃烧热分子燃烧热/kJ·Mol-1-CH2-的平均燃烧热/kJ·Mol-1环丙烷32091697环丁烷42744686环戊烷53320664环己烷63951659环庚烷74637662环辛烷85310664环壬烷95981665环癸烷106636664环十五烷159885660开链烷烃659名称环大小与开链烷烃燃烧热的差/kJ·Mol-138275035651环烷烃的稳定性：环己烷环戊烷环丁烷环丙烷环丙烷的结构：CH2CH3CH3109.5°CCCHHHHHH60°114°105°图2.12丙烷及环丙烷分子中碳碳键原子轨道交盖情况在环丙烷分子中，两个相邻的C原子以sp3杂化轨道形成C－Cσ键时，轨道从环碳原子连线外侧重叠，以弯曲的方式交盖，形成弯曲键。两条sp3杂化轨道在成键时，为了满足c-c-c键角为60度，没有延对称轴的方向进行重叠，因此，环丙烷不稳定，容易以加成的方式开环。C—C单键是可以旋转的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）不同的构象之间为构象异构关系（一类立体异构现象）乙烷的两种构象2.4烷烃的构象构象(Conformation)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原子团在空间的排布方式不同，分子的这种立体形象—构象