1-饱和烃

有机化学教研室二〇一一年十一月有机化学OrganicChemistry第1章饱和烃分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物称为碳氢化合物，简称烃。烃根据分子中碳原子的连接方式，可大体分类如下：第1节烷烃如果烃分子中的碳原子都以单键互相连接，且碳原子的其余价键完全与氢原子相连，则该烃称为饱和烃（简单说：即分子中只有C-Cσ键和σC-H键）。开链的饱和烃称为烷烃。烷烃的通式：CnH2n+2,n=碳原子数目。这些具有相同通式、结构和性质相似、组成上相差一个或多个CH2的一系列化合物称为同系列。同系列中的各化合物互称为同系物。甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷的分子式分别为CH4,C2H6,C3H8,C4H10和C5H12。凡相邻两个烷烃的组成都相差CH2，这个CH2叫做同系差。一、烷烃的同系列和同分异构现象烷烃的同系列烷烃的同分异构现象在烷烃的同系列中，甲烷、乙烷和丙烷分子中的碳原子都只有一种排列方式，但丁烷（C4H10）却有如下两种排列方式：上述化合物具有相同的分子式，但结构不相同。这种具有相同的分子式，而结构不相同的有机化合物称为同分异构体，将这种现象称为同分异构现象。通常把由于分子中原子之间连接的方式或次序不同而引起的异构现象称为构造异构，烷烃的构造异构是由碳原子之间的连接方式或次序不同而引起的，这种异构又称为碳链异构。烷烃构造异构体的数目碳原子数异构体数碳原子数异构体数1~3456712359891015201835754,347366,319有机化合物种类繁多，数目庞大，即使同一分子式也有不同的异构体，若没有一个完整的命名方法来区分各个化合物，在文献中就会造成极大的混乱。因此，认真学习每一类化合物的命名，是有机化学的一项重要内容。烷烃常用的命名方法有普通命名法和系统命名法两种。二、烷烃的命名根据烷烃中碳原子的数目,把烷烃称为“某”烷。碳原子数由一到十依次用天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，如：CH3(CH2)3CH3戊烷；CH3(CH2)6CH3辛烷十一个碳原子以上用汉字数字表示，如:CH3(CH2)9CH3十一烷;CH3(CH2)14CH3十六烷1、普通命名法(习惯命名法)为了区别不同的构造异构体，常在其名称前冠以“正”、“异”、“新”等前缀。直链烷烃称“正”某烷；“异”某烷指在链端第二个碳上连有一个甲基而无其他支链的烷烃；“新”某烷指在链端第二个碳上连有两个甲基而无其他支链的烷烃。例如：2、碳、氢原子分类和烷基的概念在烷烃的分子中，各异构体中碳原子所处的结构地位不完全相同。例如：CCH3H3CCCCH3CH3CH3HHH（1）碳原子和氢原子的分类与一个碳原子相连的碳称为伯碳原子，以1°表示；与两个碳原子相连的碳称为仲碳原子，以2°表示；与三个碳原子相连的碳称为叔碳原子，以3°表示；与四个碳原子相连的碳称为季碳原子，以4°表示；不难看出，除季碳原子上不连有氢原子外，其它碳原子都连有氢原子。因此把与伯、仲、叔碳原子上所连的氢原子相应的称为伯、仲、叔氢原子。也分别称为1°H、2°H、3°H。例如：1C（伯碳，一级碳）2C（仲碳，二级碳）3C（叔碳，三级碳）4C（季碳，四级碳）H3CCH2CH2CH3H3CCHCH3CH3H3CCCH3CH3CH31H（伯氢）2H（仲氢）3H（叔氢）烷基：烷烃分子中去掉一个氢原子后留下的原子团称烷基。烷基的名称与相应烷烃对应，它们的通式为CnH2n+1-，常以R-表示，所以烷烃也可以用RH表示。RHR烷烃烷基（2）烷基的概念一些常见的烷基：3、系统命名法采用国际通用的IUPAC（InternationalUnionofPureandAppliedChemistry，国际纯粹与应用化学联合会）命名原则，结合中国文字的特点，中国化学会1980年再次修订通过的原则。根据系统命名法，直链烷烃的命名法与普通命名法基本一致，只是把“正”字取消。而带有支链的烷烃看作是直链烷烃的衍生物，其命名的基本原则如下：（1）选主链选择最长碳链作主链，根据主链所含碳原子数目的多少称为“某烷”，作为母体名称。其他烷基（支链）看作主链上的取代基，例如：如果构造式中含有几个等长的碳链可作主链，则应选择取代基最多的那条碳链作为主链。例如：（2）定编号从离取代基最近的一端开始，将主链上的碳原子用阿拉伯数字1，2，3······编号。将取代基的位置和名称写在母体名称之前，阿拉伯数字与汉字之间用“-”隔开。例如：如果含有几个相同的取代基时，要把它们合并起来。取代基的数目用二、三、四……表示，写在取代基的前面，其位次必须逐个注明，位次的数字之间要用逗号隔开。当主链上有几个相同的取代基，并且满足从靠近支链开始编号原则时，应当选择取代基具有“最低系列”的那种编号编号方法(即以不同的方向将碳链编号，得到不同的编号系列，应顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者定为最低系列)。例如：CH3CHCH2CH2CH3CCH3CH3CH3123456123456从左至右：255从右至左：225（最低系列）若主链上连有多个不相同的取代基，且离主链两端位次相同（即编号相同）时，则应按照“次序规则”选择取代基小的一边开始编号。例如：化合物名称：3-甲基-4-乙基己烷为了表达化合物的立体化学关系，须决定有关原子或基团的排列顺序，其方法称为基团的优先“次序规则”，主要内容如下：1、将各种取代基与主链直接相连的第一个原子，按原子序数由大到小排列，原子序数大的基团为“较优”基团。若为同位素，则质量数高的为“较优”基团。同位素按质量数由高到低的顺序排列不同原子按原子序数排列IBrClSPFONCDH2、若与主链直接相连的第一个原子相同时，再按原子序数由大到小逐个比较其次相连的原子，并依次类推。例如：CH2OHC(CH3)3CH(CH3)2CH2CH3CH3(C,O、H、H,H)(C,C、C、C,H)(C,C、C、H,H)(C,C、H、H,H)(C,H、H、H)HHOCH2CH2CHCH3CH3CH2CHCH3CH2Cl1234CHOHHCHCCCClHHHHHHHCHCCCHHHHHHHHH1234例如：3、当基团中有双键或叁键时，每一双键或叁键可以看作连有两个或三个相同的原子或基团。例如：(C,C、C、H,H)(C,O、O、H)(C,O、O、O,H)(C,C、C、C)(C,N、N、N)－I＞－Br＞－Cl＞－SO3H＞－F＞－OCOR＞－OR＞－OH＞－NO2＞－NR2＞－NHR＞－COOH＞－CONH2＞－COR＞－CHO＞－CH2OH＞－CR3＞－C6H5＞－C≡CH＞－CHR2＞－CH＝CH2＞－CH2R＞－CH3＞－D＞－H根据“次序规则”，常见的取代基的优先次序排列如下：将来还要讲到官能团的次序规则，两者千万别混淆！（3）写名称按照取代基的位次（用阿拉伯数字表示）、相同取代基的数目（用中文数字“二、三、四······”表示）、取代基的名称、母体名称的顺序写出全称。注意：阿拉伯数字之间用“,”隔开；阿拉伯数字与文字之间用短划线“-”相连；不同取代基列出顺序应按“优先基团后列出”的原则进行。例如：练习：命名下列化合物CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CHH3CCH3三、烷烃的结构1、甲烷的结构形成甲烷分子时，氢原子的1S轨道沿碳原子的SP3轨道对称轴的方向与其最大程度地重叠形成σ键。甲烷分子中的四个∠HCH键角均为109°28′，四个C－H键键长（0.109nm）完全相等，近代物理方法已经证实，甲烷的空间立体结构为正四面体。如图:甲烷的正四面体结构kekule模型Stuart模型2、其他烷烃的结构其他烷烃分子中的碳原子，也都是以sp3杂化轨道与其他原子形成σ键，因此也都具有四面体结构。必须强调指出，高级烷烃在晶体中碳链排列成锯齿状：构象—烷烃分子中，由于C－Cσ键可以围绕轴自由旋转，使分子中的原子或基团在空间产生的不同排列方式，称为构象。构象异构体—单键旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体。四、烷烃的构象在乙烷分子中，以C-Cσ键为轴旋转，使碳原子上的氢原子在空间的相对位置随之发生变化，可形成无数种构象异构体，其中有两种属极限构象：交叉型构象—一个碳原子上的氢原子处于另一个碳原子上两个氢原子之间的中线上。其是“优势构象”。重叠型构象—两碳原子上的氢原子处于对应位置上。介乎于上述两种极限构象之间的无数构象，我们称为扭曲型构象。1.乙烷的构象乙烷的两种极限构象的球棒模型：重叠式交叉式重叠式HHHHHHHHHHHH交叉式HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH纽曼式投影式锯架式伞形式乙烷交叉式构象与重叠式构象的表示方法：CH3HHHCH3HC2旋转123460oCH3HHHHH3CCH3HHHHH3C60oCH3HHCH3HH60o60oCH3HHCH3HH……2.丁烷的构象对位交叉式部分重叠式邻位交叉式全重叠式邻位交叉式甲基间距离最远(最稳定)较不稳定较稳定甲基间距离最近（最不稳定）CH2H3C12CH2CH334药物分子的构象与其生物活性有着密切关系。许多药物分子是以特定的构象与受体结合发挥作用。如：多巴胺是体内合成去甲肾上腺素的前体，其药效构象为：直链烷烃的沸点一般随相对分子质量的增加而升高。碳原子数相同时，含支链多的烷烃沸点低。沸点(b.p.)五、烷烃的物理性质一般C4以下的直链烷烃是气体，C5-C16的烷烃是液体，大于C17的烷烃是固体。物态熔点(m.p.)直链烷烃的熔点随分子质量的增加而增加,一般含偶数碳原子烷烃的熔点通常比含奇数碳原子烷烃的熔点升高较多。相对密度烷烃相对密度小于1，随分子量的增加逐渐增大。溶解度烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂。一些直链烷烃的物理常数名称分子式或结构式熔点/℃沸点/℃相对密度状态甲烷CH4-182.5-161.40.4240气态乙烷CH3CH3-182.7-88.60.5462丙烷CH3CH2CH3-187.1-42.60.5824丁烷CH3(CH2)2CH3-138.3-0.50.5788戊烷CH3(CH2)3CH3-129.736.10.6263液态己烷CH3(CH2)4CH3-95.368.70.6594庚烷CH3(CH2)5CH3-90.798.40.6837辛烷CH3(CH2)6CH3-56.8125.60.7082壬烷CH3(CH2)7CH3-53.8150.70.7179癸烷CH3(CH2)8CH3-29.71740.7299十一烷CH3(CH2)9CH3-25.61950.7403十二烷CH3(CH2)10CH3-9.5216.20.7483十三烷CH3(CH2)11CH3-6.5234.00.7568十四烷CH3(CH2)12CH35.5252.00.7636十五烷CH3(CH2)13CH310.0270.00.7688十六烷CH3(CH2)14CH318.1286.50.7733十七烷CH3(CH2)15CH322.03030.7767固态十八烷CH3(CH2)16CH328.02170.7768十九烷CH3(CH2)17CH332.03300.7776CH电负性2.52.2烷烃的结构一般情况下，烷烃化学性质不活泼，在常温下一般不与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂作用。在适当条件下如高温、光照（hυ）等，烷烃也可以发生氧化、热裂、卤代等反应。C－Cσ键非极性共价键C－Hσ键低极性共价键H不易被置换CCH六、烷烃的化学性质1、氧化与燃烧烷烃性质比较稳定，很难被常规的氧化剂氧化，即使是酸性的高锰酸钾溶液。但是烷烃在空气中或氧气中易燃烧，生成二氧化碳和水，同时放出大量的热量。注:烷烃与空气以一定比例混合后会发生爆炸，这就是煤矿常见的瓦斯爆炸。2、裂化反应烷烃在隔绝空气的条件下可裂解生成小分子烃，也可脱氢转变为烯烃和氢气，这种反应叫裂化反应。例如：工业上一般利用催化裂化把高沸点的重油转变为低沸点的汽油，从而提高石油的利用率，增加汽油的产量，提高汽油的质量。3、卤代反应烷烃分子中的氢原子被其他原子或基团取代的反应