第2章 饱和脂肪烃

1第二章饱和脂肪烃（烷烃）一、前言二、通式、同系列、同系物和系差三、烷烃的同分异构现象四、碳原子和氢原子的类型五、命名六、烷烃的结构七、烷烃的化学性质2前言：烃的定义、分类、及本章的重要性所谓烃是指分子中只含有碳和氢两种元素的化合物。这类化合物也叫碳氢化合物。如CH4C6H12C6H6等都是只由碳和氢所组成。“烃”字是由碳和氢中的“火”和“”组成的，其读音也是由碳的（tan中的t）t和氢的（qing中的ing）音素组成的ting。一、前言3根据烃类中碳架结构的不同可以将烃进行分类：开链烃饱和烃烷烃CH3CH3不饱和烃烯烃CH2=CH2,炔烃CH三CHCH三C-CH2CH3双烯烃CH2=CH-CH=CH3环烃脂环烃环烷烃环烯烃芳香烃4CHHHHCH2HHHCCHHHCH2HHCCHHHCHHH在中学时我们已经接触到下列一些烷烃：从这些烷烃的结构式我们可以看出，烷烃是指分子中碳原子之间仅以单键相连，碳剩下的其它价键都与氢结合（被氢完全饱和，故叫烷烃）的一类化合物。返回5二、通式、同系列、同系物和系差1、通式2、同系列3、同系物和系差61、通式从上面几个烷烃分子式中我们发现它们的碳和氢原子的数目有一定的关系：n×(CH2)+2H，即CnH2n+2。这个式子可以代表所有的烷烃的分子式，我们将其称之为烷烃的通式。CHHHHCH2HHHCCHHHCH2HHCCHHHCHHH72、同系列所有符合这个通式的化合物组成一系列烷烃化合物，它们之间的差别只相差CH2的n倍，我们把这一系列的化合物叫同系列，具体地讲是烷烃同系列。83、同系物同系物：同系列中的各个化合物互称为同系物。返回9三、烷烃的同分异构现象1、碳链异构的概念2、如何写出可能的异构体101、碳链异构的概念在绪论中我们已经讲过，同分异构体是指那些分子式相同，但结构不同的化合物。这种现象称为同分异构现象。同分异构现象在有机化学中非常普遍。同样的，在烷烃中存在着大量的同分异构现象。11甲烷、乙烷和丙烷任你怎样写都是一个结构，因此它们没有相应的异构体。但从丁烷开始就有异构现象。从丙烷可以导出二个的丁烷，从丁烷可以导出三个戊烷：HHHCHHHCCHHHHCHHHCCHHHHHCHHHCCHCCHHHHHH12CH3-CH2-CH2-CH3CH3-CH3-CH2-CH2-CH3CH3-CH2-CH-CH3CH3CH3-CH-CH3CH3CH3-C-CH3CH3CH3从丁烷可以导出三个戊烷：13下面我们来分析一下丁烷的2个异构体和戊烷的三个异构体之间为什么会不同。仔细观察这些异构体，可以看出引起异构的原因与氢原子无关，而是与碳原子的排列方式有关：碳原子的排列方式不同，碳架不同。这种由于分子中碳架不同而引起的同分异构现象称为碳架异构或叫碳链异构。返回14那么如何寻找含有n个碳原子的烷烃的所有异构体呢？其方法介绍如下（以C6H14为例）：1、写出最长的碳链：C-C-C-C-C-C2、如何写出可能的异构体152、写出少一个碳原子的碳链作为主链，并将减少下来的那个碳原子当作支链即取代基-CH3，连接到主链上，依次变换支链位置，这样可以得到少一个碳原子为主链的同分异构体：+CH3163、写出少二个碳原子的碳链，将此碳链为主链，减少下来的那二个碳原子作支链（即两个-CH3,或一个—CH2CH3），可以得到主链为4个碳的异构体：+2CH3174、用类似方法写出少三个碳原子的主链的异构体，分别用三个-CH3，或一个-CH3和一个—CH2CH3，或一个—CH2CH2CH3，或一个异丙基—CH(CH3)2作为取代基：无。返回18仔细观察下面的烷烃，可以看出：碳原子有的和一个碳相连，有的和二个碳相连，有的和三、四个碳相连，即：四、碳原子和氢原子的类型伯仲叔季伯CH3CH3HHHCH3HHHHHHCCCCC19同理，伯碳原子上的氢叫伯氢原子，依此类推有仲氢、叔氢原子，但没有季氢原子。伯仲叔氢原子返回CCCCCCCCCCCHCHHCCHHH20五、命名1、习惯命名法2、烷基的概念、命名和顺序规则3、系统命名法有机化合物的命名法较多，一般有下面三种：俗名、习惯命名法和系统命名法。俗名是根据化合物的来源或性质等命名，没有规律，只能硬记。因此我们主要介绍后两种。211、习惯命名法1.1习惯命名法的一般原则1.2带支链烷烃的命名法1.3习惯命名法的缺点221.1习惯命名法的一般原则该法只能用于命名简单的烷烃。该法规定：对于直链烷烃，根据碳原子数叫（正）某烷，其中地“正“字可以省略。当碳原子数在十以下时，“某”字用甲、乙……等天干序来表示，当碳原子数在十以上时，“某”字用汉文数字十一、十二……来表示，如CH3CH3乙烷，CH3CH2CH2CH3丁烷，n-C12H26正十二烷，其中n表示直链的意思。231.2带支链烷烃的命名法对于支链烷烃，如果分子中含有（CH3）2CH2—的结构的烷烃叫异某烷；如果分子中含有（CH3）3C—的结构的烷烃叫新某烷。例如：（CH3）2C—CH3异丁烷（CH3）2CH2—CH3异戊烷（CH3）3C—CH3新戊烷（CH3）3C—CH2CH3新已烷241.3习惯命名法的缺点该法不能命名结构复杂的其它烷烃，如下面两化合物该法就无法命名：CH3CH2CH(CH3)CH2CH3CH3C(CH3)2CH(CH3)CH2CH3象这样的化合物只能用系统命名法来命名。在学习系统命名法之前，我们还必须先掌握烷基的概念和命名。返回252.烷基的概念、命名和顺序规则2.1烷基的概念2.2烷基的命名2.3基团的顺序规则262.1烷基的概念（1）烷基的概念：就是烷烃分子中去掉一个氢原子所形成的原子团，用R-表示，其通式为CnH2n+1。（2）命名法和普通命名法差不多，下面我们给出常见的基团的名称：27母体烷烃烷基结构名称备注CH3-HCH3-甲基CH3CH2-HCH3CH2-乙基CH3CH2CH3CH3CH2CH2-丙基(CH3)2CH-异丙基1—甲基乙基C4H10CH3CH2CH2CH2-丁基CH3CH(CH3)CH2-异丁基2—甲基丙基CH3CH2CH(CH3)-仲丁基1—甲基丙基（CH3）3C—叔丁基1，1—二甲基乙基C5H12（CH3）3CCH2-新戊基2，2—二甲基丙基2.2烷基的命名28（3）基团的顺序规则：在两个不同的基团中，从基的位置开始，将与基相连的两原子进行比较，原子序数大的（一般情况下是原子量大的）为优先；如果第一个原子相同，则再比较与第一个原子相连的第二个原子（如果第二个原子有多个，则按上述的方法比较这些第二个原子，取最优先的出来与其它基团比较）。如：CH3CH2-比CH3-优先，CH3CH(CH3)CH2-比CH3CH2CH2CH2-优先2.3基团的顺序规则返回293、系统命名法对于碳数比较多和复杂烷烃，普通命名法也是无能为力了。这就必须用系统命名法。该法是我们学习的重点命名法。对于直链烷烃，系统命名法与普通命名法相同，但不再加“正”字。如正庚烷在系统命名法中叫庚烷。对于支链烷烃的命名，主要有以下规则：301.2.3.4.1.1选择分子中最长的碳链为主链，将主链当作母体，其余部分为支链。已烷戊烷壬烷壬烷311.2.3.4.1.2将主链碳原子依次用阿拉伯数字编号，编号的原则是使首先遇到的基团位次最小（如果两端第一个取代基位次相同，则再比较第二个，依此类推）。12345612345123456789123456789321.2.3.4.1.3取代基的位置就用它所连接的碳原子的位次表示，相同的基团合并，阿拉伯数字之间用“，”逗开；用汉文数字表示基团的数目。把所有的基团的位置、数量和名称放在母体名称前面；基团的先后顺序是按顺序规则，越优先的基团越靠近母体；阿拉伯数字与汉文数字之间、阿们伯数字与基团之间以及不同基团名称之间要用“—”隔开。1234563-甲基已烷123452，2，4-三甲基戊烷1234567892，6-二甲基-3-乙基-4-丙基壬烷123456789331.2.3.4.1.4如果主支链上还有次支链时，则将主支链编号，编号从直接与主链相连的碳原子开始，注明主支链上次支链的位置和名称，把主支链及次支链作为一个整体写在括号内，括号外冠以主支链的位置。12345123451234567891234567892，6-二甲基-3-乙基-4-（1，2-二甲基丙基）壬烷返回34六、烷烃的结构1、甲烷的结构2、乙烷和其它烷烃的结构3、乙烷和丁烷的构象351、甲烷的结构我们知道碳原子的电子构型是1S2、2S2、2P2，其能级分布为：1S2S2P361S2S2P2P2S1S基态激发态这样碳原子价电子层就有四个未成对的电子，可以同其它元素的原子结合形成四价的化合物。37然而实验证明甲烷中的四个C-H键都是完全等同的，键与键之间的夹角为109.5度。所以实际上碳原子也不是直接以激发态的形式与其它元素的原子结合的，这种结合太不平均，同样是四个H原子，为什么偏让一个氢与其它的三个不同呢？因此碳原子在激发后不是直接与其它元素结合，而是进一步搞平均化即所谓的“杂化”：2S2PSP3+34SPSP338CHHHH甲烷的结构39为什么要进行杂化呢？这是因为杂化后有利于电子云的重叠。因为P轨道的电子云分布在两侧，而SP3轨道的电子云则集中在一侧，这样与其它元素的原子轨道交盖时就大，形成的键稳定。为什么四个SP3轨道之间的夹角为109.5度呢？这是因为这种分布可以使轨道之间的距离最远，当电子充填进去时，电子与电子之间的排斥力最小，形成的化合物最稳定。返回402、乙烷和其它烷烃的结构CCHHHHHHS-SP3σ键SP3-SP3σ键乙烷中的二个碳也都是SP3杂化的，二个碳之间各用一个SP3杂化轨道相互重叠形成一个σ键，其余SP3杂化轨道都与H的1S轨道重叠，即：41所形成的这些键都是σ键，如SP3-SP3σ键，S-SP3σ键。所谓σ键是成键原子的电子是沿着它们的轴向叠合的，即所谓的头碰头结合，这样的重叠可以达到最大重叠。σ键的特点是轴对称，就是说电子云分布在键轴的四周而成为一个以键轴为轴的圆筒形结构。这种对称因素导致σ键的一个重要属性—即可旋转性，因为键的旋转并不影响电子云的交盖。正因为这种可旋转性，下面两个乙烷的结构式所表示的都是乙烷分子，因为旋转后两个式子可以相同：42CCCCHHHHHHHHHHHH重叠式交叉式重叠式交叉式σ键的另一个特点是电子云交盖大，比较稳定，不易起反应。其它烷烃的结构只不过是将乙烷中的一个氢轨道用另一个碳原子的SP3杂化轨道代替就可以了。必须强调的是烷烃的碳链我们书写时为了方便常表示成直线的形式C-C-C-C，实际上碳链是锯齿形的：返回433、乙烷和丁烷的构象3.1乙烷的构象构象：由于围绕单键旋转而产生的分子中的原子或基团在空间的不同排列形式叫做构象。由于C—C键的自由旋转，乙烷可以有无限数目的构象。其中有两种典型构象即极限构象：交叉式：一个甲基上的氢原子正好处在另一个甲基的两个氢原子之间的中线上。重叠式：两个碳原子上的各个氢原子，正好处在相互对映的位置上。通常用透视式或Newman投影式表示。44透视式：从斜侧面看分子模型，各键虽可看到，但氢原子的相对位置不能很好表达出来。Newman投影式：在单键的延长线上观察，用圆圈表示距眼睛远的一个碳原子，其上连结的三个氢画于圆外。较近的碳上的三个C-H键可从圆心出发，彼此以120度夹角向外伸展的三根线表示。45透视式交叉式Newman式重叠式三对氢原子距离最远，斥力最小，能量最低，稳定三对氢原子距离最近，斥力最大，能量最高，不稳定46交叉式重叠式乙烷各种构象的内能变化在室温时，乙烷可看作是无数构象异构体的平衡混合物。交叉式和重叠式内能差别较小，故不能分离出构象异构体。473.2丁烷的构象丁烷可看作是1，2二甲基乙烷，在围绕C2-C3旋转时，情况较乙烷复杂，几种典型的Newman式如下：48(I)全重叠式(II)邻位交叉式(III)部分重叠式(V)部分重叠式(IV)对位交叉式(VI)邻位交叉式