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1、第二章、烷烃、环烷烃,第一节、烷烃第二节、环烷烃,第一节、烷烃,烷烃的相关概念。烃。烃的分类。烷烃。同系列和同分异构。烷烃的结构烷烃的命名。烷基的定义。,普通命名法。系统命名法。物理性质。化学性质。,1.1 烃,只由碳、氢两种元素组成的有机化合物叫碳氢化合物，简称烃。常见的烃有：石油、天然气、沼气、煤矿坑道气等。,1.2 烃的分类,饱和烃：烷烃：CH4 开链烃 烯烃：CH2 CH2（脂肪烃）不饱和烃 炔烃：CH CH烃 脂环烃：环烃 芳香烃：,1.3 烷烃,在脂肪烃分子中，如果碳原子与碳原子之间都以单键相连接，其余碳价都与氢结合而完全饱和，则称为饱和烃，即烷烃。简单地说：分子中的C、H原子之间
2、全部都以单键相连接而成的开链烃叫做烷烃。CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3(CH4)(C2H6)(C3H8)CnH2n+2(烷的通式),同系列：具有同一个通式，结构和化学性质相似在组成上相差一个或几个CH2的一系列化合物。,同系差：同系列组成上的差异CH2。,同系物：同系列中的化合物彼此互为同系物。,烷烃的同系列及同分异构现象,一、烷烃的同系列,最简单的烷烃是甲烷，依次为乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，它们组成了烷烃的同系列,分子式构造式构造简式,CH4,CH3CH3,甲烷 CH4,乙烷 C2H6,丙烷 C3H8,CH3CH2CH3,丁烷 C4H10,CH3CH2CH2CH3,烷烃的同分异构现
3、象,1异构现象,同分异构体：具有相同分子式的不同化合物。构造异构体：具有相同分子式，分子中原子或基团因连接顺序不同而产生的异构体。,碳架异构：由碳架不同引起的异构(属构造异构),开链烷烃的构造异构只有碳架异构甲烷、乙烷、丙烷没有异构体。,正戊烷 异戊烷 新戊烷,再如己烷:(共5种异构体)1）最长直链式：CCCCCC2）缩短一个碳：3)缩短二个碳：,Kekule模型,Stuart模型,楔形式,3 烷烃的立体结构,1）结构的表示方法,实线表示在纸平面，粗线表示指向纸外，虚线表示指向纸内。,H 1S1,重叠,SP3S,109.50,代表 H,代表 C,2）甲烷和乙烷分子的形成,甲烷分子呈四面体形，碳
4、原子位于正四面体的中心，4个氢原子在四个顶点上。4个CH键对称分布，完全等同，键角均为10928。,构造式：CH4,乙烷 SP3S CH SP3 SP3 CC H H HCCH H H,Stuart模型,Kekule模型,SP3,SP3,CC键可以自由旋转,在乙烷分子中，CC键的自由旋转，使得分子中的6个H原子的相对位置随之而变化，因而形成了无数的构象。,3）丙烷及其以上的烷烃,4 烷烃的构象,1）概念：分子由于单键的旋转而呈现的（一般可相互转变的）空间形象。2）乙烷的构象,交叉式构象：两个碳原子上的氢原子彼此距离最远，处于相互交叉位置。重叠式构象：两个碳原子上的氢原子彼此距离最近，处于相互重
5、叠位置。,构象可用透视式（锯架式）、纽蔓投影式或楔型式来表示透视式：眼睛从C-C键轴斜450方向看,纽蔓投影式：眼睛从C-C键轴线上看,楔型式（伞形式）：是眼睛垂直于键轴方向看,重叠式构象,乙烷的构象,不同构象的内能曲线,乙烷中键的旋转,乙烷的构象,构象异构体中内能最低稳定性最好的构象叫做优势构象。乙烷的交叉式构象是其优势构象。,重叠式,交叉式,丁烷的构象,固定C1和C4，只让C2C3旋转，每旋转60得一典型构象，共有四种典型构象。,丁烷的构象,丁烷的构象,丁烷的构象:,丁烷的构象,丁烷的四种典型构象的内能排序：全重叠式部分重叠式邻位交叉式对位交叉式丁烷的优势构象是：对位交叉式由于碳的价键呈四
6、面体分布，且CC键可自由旋转，再加上交叉式构象能量最低，因此nc3的直链烷烃是锯齿型的。,烷烃分子中碳、氢原子的类型：,CH3|CH3CH2CHCCH3|CH3 CH3,1 2 3 4 1 1 1,碳、氢原子的类型,3.1 烷基的定义,烷烃分子中去掉一个H后所剩下的原子团叫做烷基，用R表示，其通式为 CnH2n+1。从分子中去掉同一个碳原子上的两个氢原子后余下的部分称为亚烷基，用 R表示。,3.1 烷基的定义,常见烷基的命名：,3.2 次序规则,立体化学中为了比较原子或基团在空间排列的次序而制定的规则。现在只介绍排列较优基团的方法。将各取代基中和母体相连的原子按原子序数的大小排列，原子序数大的
7、为较优基团。Cl F O N C H 如:Cl OH CH3 OH CHO,O|-C-H,3.2 次序规则,如果取代基中与母体相连的第一个原子相同，则比较与该第一个原子相连的第二个原子的原子序数的大小，若第二个原子也相同，则比较第三个原子，依次类推。,CH3CH2CH2 CH3CH2 CH3,CH3 CH3|CH3CH2CH CH3CH CH3CH2CH2,3.3 普通命名法,根据分子中C原子的总数，命名为“某”烷。碳原子数少于11的用甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸表示；11及以上的用汉字十一、十二、十三表示。没有支链的烷烃，在名称前加一个“正”字，即称为正“某”烷。在碳链首端第二个C
8、原子上有一个甲基，其它C上无支链的，称为“异某”烷。在碳链首端第二个C原子上有二个甲基，其它C上无支链的称为“新某烷”。,3.3 普通命名法,普通命名法举例：,CH3CH2CH3,CH3|CH3CHCH3,CH3CH2CH2CH3,CH3CH(CH2)14CH3|CH3,CH3|CH3CCH3|CH3,正丙烷,正丁烷,异丁烷,新戊烷,异十八烷?,CH4 CH3CH3,甲烷乙烷,3.4 系统命名法（IUPAC）,直链烷烃：称“某”烷，不加“正”字。支链烷烃：选择主链：以分子中最长的碳链作为主链，根据主链所含的C总数称为“某”烷，将支链看作取代基。,3.4 系统命名法（IUPAC）,CH3CHCH
9、2CHCH2C2H5|CH2 CHCH3|CH3 CH2CH3,8个碳,8个碳,当有两个以上的等长碳链可供选择时，选择支链最多的碳链为主碳链。,有四个支链,3.4 系统命名法（IUPAC）,编号：从距支链最近端开始，将主链上的C原子用阿拉伯数字编号，支链的位置用与之相连的主链C原子的编号标明。最近端相同，遵循最低系列原则，即逐个比较两组编号法中表示取代基位置的数字，最先遇到较小位次的为最低系列。两组编号大小相同，选择较小基团编号小的一组。,CH3CHCH2CHCH2C2H5|CH2 CHCH3|CH3 CH2CH3,3 4 526 1 7 8,6 5 4 3 8 2 1,3,5,6,3,4,6
10、,2.4 系统命名法（IUPAC）,书写：支链写在母体前面，标注支链的编号写在支链名称前，数字与汉字间用“”连接。相同的取代基要合并，其个数用汉字“二、三、四”表示，写在名称前，其编号之间用逗号“，”连接。不同的取代基按“次序规则”排列,较优基团排在后面。同一个C原子上有两个相同取代基，其编号应重复写两次。,CH3CHCH2CHCH2C2H5|CH2 CHCH3|CH3 CH2CH3,3,6二甲基4正丙基辛烷,6 5 4 3 2 1,CH3-CH-CH2-CH-CH2CH3 CH3 CH2CH3CH3-CH-CH2 CH-CH2CH3 乙基为较优基团 H-C-H H-C-H H H-C H H
11、,2,4,2-甲基-4-乙基己烷,2,5-二甲基-3，4-二乙基己烷,3.4 系统命名法（IUPAC）,CH3CH2CHCHCH2CH3|CH3 C2H5,CH3CHCH3|CH3CCH3|CH3CHCH3,3甲基4乙基已烷,2,3,3,4四甲基戊烷,CH3CHCH2CH3|CH2|CH32乙基丁烷,3甲基戊烷,CH3CH2CHCHCH3|CH3 CH33,42甲基戊烷,2,3二甲基戊烷,四、物理性质,比重1，比水轻，一般nc增大，增大，趋近于0.8。物态常温常压下，C原子为14个的烷烃为气态；C原子为516个的为液态；C原子为17个以上的为固态。沸点nc增大，Tb上升,丁烷戊烷己烷0.536
12、.1 69,四、物理性质,沸点含相同C原子的烷烃，支链越多，Tb越低。如Tb正丁烷(-0.5)Tb异丁烷(-10.2)支链数相同：对称性，b.p；,36.1,9.5,bp沸点0C,0 36.1,2 9.5,支链数,1 28,增大,降低,mp熔点0C,bp沸点0C,69,63.3,60.3,58.0,49.7,0 94.0,1 118,1 154,2 129,2 98,支链数,增大,四、物理性质,溶解度相似相溶，不溶于水，易溶于有机溶剂。,熔点:与M，S表，对称性，晶格的排列等相关,4.2 物理性质例题,戊烷（C5H12）有3个异构体，已烷（C6H14）有5个异构体，在它们各自的异构体中，推测哪
13、一个沸点最高。哪个最低。,戊烷中，CH3CH2CH2CH2CH3的沸点最高；CH3|CH3CCH3的沸点最低。|CH3已烷中，CH3CH2CH2CH2CH2CH3的沸点最高；CH3|CH3CCH2CH3的沸点最低。|CH3,4.2 物理性质例题,为什么异戊烷的熔点(-160)低于正戊烷(-129.7),而新戊烷的熔点(-17)却最高？,对称性高的分子排列得比较紧且整齐，分子在晶格中排列得较紧密，因而熔点较高。,5.1 化学性质,性质稳定,常温下不与强酸（H2SO4）、强碱（KOH）、强氧化剂（KMnO4）、K2Cr2O7橙色）、强还原剂等反应。酸性KMnO4溶液为紫红色，不与烷烃反应，常温下烷
14、烃不能使其颜色褪去。同样,常温下,烷烃也不能使溴水褪色。,5.1 化学性质,但稳定性是相对的，在一定条件下（如高温、高压、光照、催化剂），烷烃也能起一些化学反应。,2、烷烃的取代：分子中一个或多个原子（基团）被其它原子（基团）所代替的反应。F2Cl2Br2I2。烷烃与氟难以控制（常温或黑暗），碘取代很难发生。,1、烷烃的氧化(如)：CH4+2O2=CO2+2H2O+Q烷烃的最大用途：作燃料,5.2卤代反应,一般指氯代和溴代，需要日光或高温。,CH4+Cl2 CH3Cl+HCl,该反应难以停留在一元取代阶段。,5.2 氯代反应,若控制一定的反应条件和原料的用量比，可得其中一种氯代烷为主要的产物。
15、例如：,甲烷：氯气=10：1（400-450时）CH3Cl占98%,甲烷：氯气=1：4（400时）主要为CCl4,5.2 氯代反应,CH3CH2CH3,Cl|CH3CH2CH2Cl+CH3CHCH3+二氯产物等,其他烷烃的氯代反应：,CH3|CH3CCH2Cl|CH3,+二氯产物+三氯产物,5.2.1有机反应的基本类型,离子型反应和异裂：异裂指共价键的不均匀裂解，也就是在键断裂时，两原子间的共用电子对完全转移到其中一个原子上。异裂的结果产生了带正电或带负电的离子。由离子参加的反应称为离子型反应，离子型反应分为亲电反应和亲核反应。,5.2.1有机反应的基本类型,自由基反应和均裂：均裂指共价键地均
16、匀裂解，也就是两个原子之间的共用电子对均匀分裂。键均裂的结果产生了具有不成对电子的原子或原子团，即自由基。有自由基参加的反应叫自由基反应。,5.2.2 氯代反应历程,反应历程：化学反应所经历的途径或过程，又称为反应机理。,一、甲烷的氯代历程：,CH4、Cl2混合物在黑暗中长期保存，不反应。CH4经光照后与Cl2混合，也不反应。Cl2经光照后，迅速在黑暗中与CH4混合，反应立即发生。Cl2经光照后，过一段时间后在黑暗中与CH4混合，不反应。,实验事实：,*甲烷的氯代反应为自由基历程，其历程分为三个阶段：,由此可知：烷的卤代是从Cl2的光照开始的，光照产生了自由基。,5.2.2 氯代反应历程,自由
17、基的稳定性由可其离解能来判定，离解能越小，所生成的自由基越稳定。自由基的稳定性:,3 C 2 C 1 C 甲基自由基,CH3CH2CH3 CH3CH2CH2+H H=410kJ/mol,CH3CH2CH3 CH3CHCH3+H H=397kJ/mol,CH(CH3)3(CH3)3C+H H=381kJ/mol,5.2.2 氯代反应历程,5.2.2 氯代反应历程,36%64%,CH3CH2CH3,Cl|CH3CH2CH2Cl+CH3CHCH3,43%57%,因此，一元取代时：,六、自然界的烷烃,瓦斯：主要成分是烷烃，其中甲烷占大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮
18、和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。如遇明火，即可燃烧，发生“瓦 斯”爆炸。瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。凡士林（1822的烷烃混合物）石油醚（59的烷烃混合物）液体石蜡（917的烷烃混合物）,第二节、脂环烃,脂环烃性质与脂肪烃相似，可看作是由相应的脂肪烃闭合成环的。分类及通式。命名。环烷烃的结构。环烷烃的立体异构。环已烷及其衍生物的构象。,环烷烃的性质。,一、分类及通式,结构式,结构简式,分类及通式：,二、命名,以环为母体，根据构成环碳原子数的多少命名为“环某烷”；环上支链作取代基，称为“某基环某烷”。若环上连有多个取代基，编号时
19、应从连有较小的取代基的碳原子开始。遵循最低序列原则。,环丙烷,1-乙基环已烷,环戊烷,二、命名,1,2二甲基4乙基环已烷,1甲基4乙基环已烷,1,1,2三甲基环戊烷,1甲基3,4二乙基环已烷,二、命名,1甲基 2 乙基5异丙基环己烷,1甲基2异丙基环戊烷,二、命名,在简单环上连有较长碳链时，可将环当作取代基来命名。,2-环丁基己烷,3甲基4环丙基已烷,三、环烷烃的立体异构,环烷烃中，成环会限制环上键的自由旋转。若环碳分别连有二不同基团则会出现空间两种不同的排列。,顺1,2二甲基环丙烷,反1,2二甲基环丙烷,bp:37 29,三、环烷烃的立体异构,由于分子中的C原子不能相对自由地绕轴旋转，它们上
20、面所连的原子（原子团）在空间排列方式不同，从而产生了两种异构体。这种异构现象称为顺反异构现象。,某些烯烃也存在顺反异构现象，如:,Tb=3.7顺式2丁烯,Tb=0.9反式2丁烯,三、环烷烃的立体异构,顺式异构：两个相同基团在环平面的同侧。反式异构：两个相同基团在环平面的异侧。顺式构型和反式构型的互相转变必定伴随化学键的断裂和形成。,顺1氯3溴环已烷,反1氯3溴环已烷,四、环烷烃的结构,环烷烃碳原子的杂化方式。sp3杂化，形成四个等同的sp3杂化轨道，轨道呈正四面体分布，夹角10928,杂化轨道形状,空间分布图,2、环丙烷的结构,现代物理方法测定，环丙烷分子中：键角 C-C-C=105.5;H-
21、C-H=114。所以环丙烷分子中碳原子之间的sp3杂化轨道是以弯曲键（香蕉键）相互交盖的。,环丙烷：分子为平面正三角形，碳碳键不能自由旋转。,由此可见：,(1)键的重叠程度小，稳定性小。,(2)电子云分布在两核连线的外侧，增加了试剂进攻的可能性，故具有不饱和烯烃的性质。,3）C3C6环的结构,成键轨道间夹角,105.5,107,108,10928,C3C6环，随着环增大，成键时电子云之间的夹角越接近正常夹角10928，扭转张力减弱，环趋于稳定，因而键的稳定性越好。碳原子个数 总张力能（KJ/mol）稳定性 3 114 4 108 5 26 6 0 增加,五、环烷烃的性质,小环（不稳定，似烯，但
22、不如烯烃活泼）加氢：,五、环烷烃的性质,加溴：,+Br2 BrCH2CH2CH2Br,室温,常用试剂:Br2-H2O Br2-CCl4,与溴加成的现象：所用试剂褪色,室温,加热,室温,与HX反应,环的破裂主要发生在含取代基最多和取代基最少的碳原子间。,室温,加热,室温,活性中间体的相对稳定性决定的,A最稳定,B,C,A,五、环烷烃的性质,符合马氏规则,Br CH3+HBr|（CH3)2CCHCH2H,OSO3H+H2SO4|CH3CHCH2CH2H,光照,2 取代反应五、六元环或高级的环烷与烷烃相似，不发生加成反应，而在光照下可进行游离基取代反应。,300,五、环烷烃的性质,+KMnO4（不反
23、应，不褪色）,H+,+K2Cr2O7（不反应，不变色）,3.环烷烃在常温下不氧化,+KMnO4（不反应，不褪色）,H+,+KMnO4（不反应，不褪色）,+Br2/H2O（不反应，不褪色）,H+,H+,六、环已烷及其衍生物的构象,环已烷中六个碳原子不在同一平面内的，碳原子之间的夹角是正常的键角10928，环较稳定。环已烷在空间有两种典型的排布方式(即构象)-船式和椅式。,椅式,船式,船式构象中1，4号两个碳原子分别位于由2，3，5，6号碳原子构成的平面的同侧。,船式构象不稳定C1和C4上的氢原子在船式构象中距离很近，只有0.183nm。船式构象中相邻碳上的碳氢键呈重叠式构象。,六、环已烷及其衍生
24、物的构象,椅式构象中1，4号两上碳原子分别位于由2，3，5，6号碳原子构成的平面上下侧,椅式最稳定C1和C4上的氢原子在椅式构象中距离最远。椅式构象中每个碳碳键上的基团都呈交叉式构象。,六、环已烷及其衍生物的构象,六、环已烷及其衍生物的构象,环已烷的椅船式转换过程,在室温时，环己烷的椅式构象和船式构象之间可通过C-C键的转动（而不需要不经过碳碳键的断裂），来实现彼此之间的相互自由转变。,六、环已烷及其衍生物的构象,船式无角张力有CH间扭转张力有张力环常温下 1%,椅式无角张力无CH间扭转张力无张力环99%,所以，环己烷的优势构象是椅式构象。,五、环已烷及其衍生物的构象,椅式构象中CH键的分类：
25、,2）、平伏键（e键）：共六个，三上三下，相邻两个呈异侧分布。,3）、环上的每个碳原子各有一个键和一个e键。,1）、直立键（键）：共六个，三上三下，相邻两个呈异侧分布。（该键与对称轴平行）,e键,a键,五、环已烷及其衍生物的构象,在室温时，环己烷的椅式构象可通过C-C键的转动（而不经过碳碳键的断裂），由一种椅式构象变为另一种椅式构象。,在互相转变中，原来的a键变成了e键，而原来的e键变成了a键。但相对环平面上、下侧的关系没变。,三上三下；三左三右。a键变e键，e键变a键，上下关系不变,五、环已烷及其衍生物的构象,环已烷衍生物的优势构象：一元取代物：取代基处于e键的构象为优势构象。,例:确定甲基
26、环已烷的优势构象,优势构象,CH3(a),CH3(e),93%内能比(a)型低75.3kj/mol,五、环已烷及其衍生物的构象,多元取代物：已知其顺反结构的,在保证其结构不变下,尽可能的让更多(更大)的取代基处在e键上。例：确定 反 1,2-二甲基环己烷的优势构象,CH3(e),CH3(a),CH3(e),CH3(a),优势构象,两个取代基在 a 键上,两个取代基在 e 键上,五、环已烷及其衍生物的构象,顺1甲基2乙基环己烷的优势构象,C2H5(e),CH3(e),CH3(a),C2H5(a),优势构象,大基团在 a 键上,大基团在 e 键上,五、环已烷及其衍生物的构象,b:反1甲基3乙基环己烷,CH3,C2H5,CH3,C2H5,CH3,C(CH3)3,C2H5,优势构象,作业,P402、4、6、8(1,2)、9、10、13。,
