201202新版有机化学饱和烃

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－C②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20122.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20121.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，