第二章饱和烃(烷烃环烷烃)烃是有机物中最简单的一种,它只含有C、H两种元素,这类化合物统称碳氢化合物,简称烃。其它脂肪烃均可看作是烃的衍生物,即烃中氢原被其它原子或原子团取代的产物。烃根据结构和性质的不同分类武汉大学医学有机化学2012烃的分类CH3CH3(乙烷)烷烃饱和烃CH2=CH2(乙烯)烯烃C2H2(乙炔)炔烃不饱和烃开链烃(脂肪烃)环己烷脂环烃C6H6(苯)芳香烃闭链烃(环烃)烃武汉大学医学有机化学2012目录§2-1烷烃§2-1-1烷烃的通式、结构和同系列§2-1-2烷烃的构造异构与命名§2-1-3乙烷和丁烷的构象§2-1-4烷烃的物理性质§2-1-5烷烃的化学性质§2-1-6重要的烷烃§2-2环烷烃武汉大学医学有机化学20122.1.1烷烃的通式、同系列和同分异构烃中的碳原子之间均以单键相连,其它键都与H结合,形成的开链化合物叫烷烃。又叫饱和烃。一、烷烃的通式和同系列2。同系列:结构和性质相似,在组成上相差一个或数个CH2的一系列化合物,就是一个同系列。3。系差:同系列中相邻碳数同系物分子在组成上相差一个CH2基团,这种同系列中相邻化合物在组成上的差别,称为系差。烷烃的系差为CH2。4。同系物:同系列中的化合物互称同系物。同系物的结构和性质都非常相似。1。通式:即能够代表任意一个烷烃组成的式子。烷烃的通式为CnH2n+2武汉大学医学有机化学20122.1.2、烷烃的构造异构与命名构造和同分异构①分子中原子相互连接的方式和次序叫做构造丁烷(C4H10):C-C-C-C和CH3-CH2-CH2-CH3它们可各自形成一种分子。武汉大学医学有机化学2012正丁烷和异丁烷的性质差别它们的熔、沸点相差都在11℃以上显然不是同一种分子②这种分子式相同,而结构和性质不同的化合物,互称同分异构体。把产生同分异构体的这种现象称为同分异构现象,由于同分异构现象是由构造的不同而引起的,所以也叫做构造异构。名称熔点沸点正丁烷-138.3℃-0.5℃异丁烷-159.4℃-11.7℃武汉大学医学有机化学2012同分异构体数目的推算以C6H14为例,简要说明异构体的简单推算方法。①先写出最长的直链(无支链)C-C-C-C-C-C②从最长链上减一个C,用该C做支链在长链上移动位置。③减少2个C作为取代基,注意这两个C可以是两个甲基,也可以是一个乙基。④若C数较大,则依次减少,直到不能再减为止武汉大学医学有机化学2012伯、仲、叔、季碳原子1.伯碳:一个C原子与另一个C原子直接相连,该C称为伯碳原子,用1°表示2.仲碳:一个C原子与另二个C原子直接相连,该C称为仲碳原子,用2°表示。3.叔碳:一个C原子与另三个C原子直接相连,该C称为叔碳原子,用3°表示。4.季碳:一个C原子与另四个C原子直接相连,该C称为季碳原子,用4°表示。武汉大学医学有机化学2012分别与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子,则相应称为伯、仲、叔氢原子。CH3CH2CHCH3CCH3CH3CH31。1。1。1。1。2。3。4。武汉大学医学有机化学20122.1.2.2烷烃的命名有机物之所以种类繁多,是因为它有数目庞大的同分异构体。如C20的烷烃异构体数有36万多个,因此化合物的名称应与其分子结构一一对应。一个名称只能写出一个结构,而一个结构也只能写出一个唯一的名称。一个化合物的名称不能与其它类似化合物重复和混淆,否则这个命名就毫无意义了。有机物的命名常用的有习惯法、衍生物法和系统法三种。武汉大学医学有机化学2012习惯命名法(普通法)1.按烃中的碳原子数叫“×烷”,C10及C10以以下用“天干”数表示(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸),C10以上就用中文“十一、十二”表示。例:C4H10C10H22C11H24C20H42丁烷癸烷十一烷二十烷武汉大学医学有机化学2012习惯命名法2.在习惯命名法中,为了区别异构体,不含支链的直链叫“正×烷”。含有一个支链形如含有两个支链形如CHCH3CH3CCH3CH3CH3,叫“异×烷”。,叫“新×烷”。武汉大学医学有机化学2012例:C5H12的三个同分异构体缺点:C原子数较少时可以采用,若C数较多、支链较多,则无法命名。正戊烷异戊烷新戊烷武汉大学医学有机化学2012衍生物命名法1.烷基我们把烷烃去掉一个H原子后剩下的原子团叫~,用“R-”表示。例:CH4去掉一个H原子后形成的原子团,CH3-,我们称之为甲基。-Me(甲基)CH3CH2CH2-叫丙基n-Pr(正丙基)另外有两个烷基容易混淆。叫异丙基i-Pr(异丙基)i-Bu(异丁基)s-Bu(仲丁基)t-Bu(叔丁基)-C(CH3)3武汉大学医学有机化学2012衍生物命名法A.不论分子中有多少个碳,一律称为“甲烷”,其它均视为取代基。如:CH4,叫甲烷。而CH3-CH3可看作是甲烷中的一个H被一个甲基取代的产物,叫做甲基甲烷。B.取代基的书写次序按“由小到大”依次书写,取代基数目用大写中文“二、三”表示,并写在取代基名称前。例:四甲基甲烷二甲基乙基甲烷CCCCCHCHCHCH武汉大学医学有机化学2012衍生物命名法的不足缺点:对C数较多,取代基较多的分子无法命名。如:3,4,4—三甲基—3—乙基庚烷武汉大学医学有机化学2012系统命名法(IUPAC法)烷烃的系统命名分直链和支链两种情况。1.直链直链烷烃的命名同习惯法,只是不称为“正×烷”,而直接称为“×烷”。例:CH3CH2CH2CH2CH3习惯法中称为——正戊烷系统法中称为——戊烷2.含支链烷烃的命名原则武汉大学医学有机化学2012含支链烷烃的命名原则(1).选主链选取含碳原子数最多的长链为主链,并按主链碳(直链)数命名称“×烷”。例:最长C链有4个C原子,就称“丁烷”,余下的一个甲基作为取代基。2—甲基丁烷武汉大学医学有机化学2012最长碳链含6个C,共可选出三条,取代基数分别为2、3、4个,主链应选在使取代基最多的C链上。2,5-二甲基-3,4-二乙基己烷武汉大学医学有机化学2012(2).主链碳编号•为什么要给主链上的碳原子编上号码呢?•为了表明取代基所处的位置,所以需要用阿拉伯数字给主链编号,该C的编号即是连在该C上取代基的位置。•编号原则:从最靠近取代基的一端开始给主链编号,并确定各取代基的位置,编号写在取代基名前,中间用一短横隔开,再写在主链名前就形成完整的命名。武汉大学医学有机化学2012无论从左或从右编,均在第2位遇到取代基,此时应以第三个取代基为准,并从使该取代基位置最小的一端编起。2,4,8-三甲基壬烷武汉大学医学有机化学20123-乙基-4-甲基庚烷4-甲基-3-乙基庚烷武汉大学医学有机化学2012烷基大小次序**不论原子数多少,只要原子序较大,就视为较复杂,若连在主体上的第一原子的原子序数相同,则比较连在第一原子上的第二原子,大者较复杂,以此类推,直到比出大小。CH3CHCH3CHCH3CH3CH2CCH3CH3CH3CH3CH3CH2CH3CH2CH2CH2武汉大学医学有机化学20123-甲基-4-乙基己烷4-甲基-3-乙基己烷武汉大学医学有机化学2012练习:1,3-二甲基戊烷2,3-二甲基戊烷注意:在烷烃命名中,1位不会出现甲基,2位也不会出现乙基,等等。CHCHCHCHCHCH3CH2CH3CH3CH3CH3CH3CH3②2,3,5-三甲基-4-异丙基庚烷武汉大学医学有机化学20122-甲基-5-乙基-4-异丙基辛烷写出下面分子的结构式:2,4-二甲基-3,3-二异丙基戊烷CH3CCHCHCHCH3CH3CH3CH3CH3CH3CHCH3练习武汉大学医学有机化学2012系统命名法小结:1.选主链(最长碳链)2.主链编号(原则:首先是A.最低系列。其次才是B.较小基团有较小位次)3.书写名称(先小后大)烷烃命名是其它类化合物命名法之基础,必须熟练掌握。武汉大学医学有机化学20122.1.3烷烃的构象甲烷是烷烃中结构最简单的分子经现代物理方法测定甲烷的分子为正四面体结构。C原子处于正四面体中心,四个H原子位于正四面体的四个顶点。甲烷中的四个C-H键完全相同。键角109°28',键长为0.110nmCHHHH武汉大学医学有机化学2012C原子的sp3杂化甲烷中碳采用sp3杂化方式(杂化轨道理论,美,鲍林提出,获1964年诺贝尔奖)激发杂化2s2p2s2psp3杂化轨道这四个sp3杂化轨道的每个杂化轨道均含有1/4的s成份和3/4的p成份,四个杂化轨道除方向不同外完全相同,这四个杂化轨道分别指向正四面体的四个顶点。武汉大学医学有机化学2012Sp3杂化轨道与p轨道比较杂化轨道与末杂化前相比,电子云集中于一端,更利于电子云间的重叠,利于成键。杂化后,杂化轨道数目与杂化前相同,但杂化后整体能量降低,虽然电子激发时要吸收能量,但形成化学键后可放出更多的能量,因此体系的能量降低,较稳定。psp3武汉大学医学有机化学2012烷烃的结构和形成1.结构CH4及其它烷烃中的C在成键时采用sp3杂化方式当4个H或C原子沿sp3杂化轨道的方向接近C原子时,H的1s或C的sp3与另外的C的sp3杂化轨道的电子云进行最大程度的重叠,形成共价键。烷烃中的杂化C的sp3杂化轨道间夹角接近109°28′,正是由于C原子采用sp3杂化,所以三个碳以上烷烃不是直线型的而是折线型,C-C-C键间夹角亦接近109°28′。武汉大学医学有机化学2012.sp3-s.•这种重叠的方式称为“头碰头”重叠,可以进行最大重叠,以这种重叠方式形成的共价键称为σ键。武汉大学医学有机化学20122.σ键:成键电子云沿键轴方向以“头碰头”方式重叠而成的共价键。在烷烃中的C-H、C-C键电子云的重叠方式均是沿着键轴的方向重叠而成,成键原子可绕轴旋转,而不影响电子云的重叠。σ键的特点:电子云重叠程度最大,键比较牢固,原子在绕轴旋转时,σ键不会被破坏。由于σ键可以绕轴自由旋转,所以C2以上烷烃分子构象是无穷的。武汉大学医学有机化学2012乙烃的构象乙烷的构象乙烷分子中的C-C键可以自由旋转,在旋转中,由于两个甲基上的氢原子的相对位置不断地发生变化,就形成许多不同的空间排列方式。仅围绕单键旋转而引起分子中各原子在空间的不同排布方式,称为构象。不同构象可用球棍模型、透视式或纽曼投影式表示。HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH纽曼投影式球棍模型武汉大学医学有机化学2012正丁烷的构象以正丁烷的C2—C3键的旋转来讨论丁烷的构象,固定C2,把C3旋转一圈来看丁烷的构象情况。在转动时,每次转60°,直到360°复原可得到四种典型构象。四种典型构象与能量的关系见P15图2-5其稳定性次序为:对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式相对能垒:03.3KJ/mol14.6KJ/mol18.4~25.5KJ/mol室温时,对位交叉式约占70%,邻位交叉式占30%,其他两种极少。CH3HCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3HHHHHHHHHHHHHHH对位交叉式部分重叠式邻位交叉式全重叠式武汉大学医学有机化学2012戊烷的构象如C5的构象可能是等等构象,但其中以锯齿折线型最为稳定,书写时为了方便,仍写作CH3CH2CH2CH2CH3的形式。武汉大学医学有机化学20122.1.4烷烃的物理性质物理性质是有机物性质的一个重要方面。主要指物态、熔点、沸点、密度(比重)、溶解度、折光率等等,这些数据是鉴定一个化合物的常规数据,叫做物理常数。部分烷烃的物理常数列于书中P19,表2-2中。武汉大学医学有机化学20121.物态:指物质的状态(固、液、气态)、颜色、气味等。在常温下,C1~C4的烷烃是气体,C5~C16为液体C16以上为固体。正构烷烃随分子量增大而发生物态变化与卤素相似。F2、Cl2气体,Br2液体,I2固体。2.熔点:正构烷烃的熔点(丙烷除外),基本上是随着分子量的增加而升高,