有机化学2.饱和烃

1有机化学第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.1烷烃和环烷烃的通式和构造异构2.2烷烃和环烷烃的命名2.3烷烃和环烷烃的结构2.4烷烃和环烷烃的构象2.5烷烃和环烷烃的物理性质2.6烷烃和环烷烃的化学性质2.7烷烃和环烷烃的主要来源和制法3烃：“火”代表碳，“”代表氢，所以“烃”的含义就是碳和氢。烃——分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物。烷烃——碳原子完全被氢原子所饱和的烃。烃是有机化合物的母体。烃开链烃(脂肪烃)不饱和烃烯烃炔烃二烯烃环状烃脂环烃()``......芳香烃(CH3)......``饱和烃烷烃第二章饱和烃:烷烃和环烷烃4CHHH氢数甲烷乙烷丙烷丁烷分子式CH4C2H6C3H8C4H10结构式CCHHHHHHCCHHHHHCHHCCHHHHHCHHHCHHHH碳数241321+222+223+224+2烷烃的通式为CnH2n+2。2.1.1烷烃和环烷烃的通式第二章饱和烃:烷烃和环烷烃2.1烷烃和环烷烃的通式和构造异构5H2CH2CCH2CH2CH2CH2H2CH2CCH2CH2CH2H2CH2CCH2CH2H2CCH2CH2环丙烷环丁烷环戊烷环己烷环烷烃的通式为CnH2n通式----表示某一类化合物分子式的式子。同系列----结构相似，而在组成上相差－CH2－的整数倍的一系列化合物。同系物----同系列中的各个化合物叫做同系物。同系物化学性质相似，物理性质随分子量增加而有规律地变化。举例：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷…均属烷烃系列。环丙烷、环丁烷、环戊烷…均属环烷烃系列。乙酸、丙酸、月桂酸、硬脂酸…均属脂肪酸系列。烷烃和环烷烃的通式和构造异构62.1.2烷烃和环烷烃的构造异构这两种不同的丁烷,具有相同的分子式和不同的结构式，互为同分异构体。同分异构体——分子式相同，结构式不同的化合物。同分异构现象——分子式相同，结构式不同的现象。CCHHHHCHHHCHHHCCHHHHHCHHCHHHm.p-159C。b.p11.7C。m.p-138C。b.p-0.5C。丙烷中的一个氢原子被甲基取代，可得到两种不同的丁烷：第二章饱和烃:烷烃和环烷烃7烷烃和环烷烃分子中，随着碳原子数增加，同分异构体迅速增加。举例(同分异构体的写法)：烷烃和环烷烃的构造异构碳原子数异构体数碳原子数异构体数1~3456712359891015201835754,347366,31982.2烷烃和环烷烃的命名2.2.1伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢2.2.2烷基和环烷基2.2.3烷烃的命名2.2.4环烷烃的命名第二章饱和烃:烷烃和环烷烃92.2烷烃的命名与三个氢原子相连的碳原子,叫伯碳原子(第一碳原子、一级碳原子),用1°表示与二个氢原子相连的碳原子,叫仲碳原子(第二碳原子、二级碳原子),用2°表示与一个氢原子相连的碳原子,叫叔碳原子(第三碳原子、三级碳原子),用3°表示与四个碳原子相连的碳原子,叫季碳原子(第四碳原子、四级碳原子),用4°表示烷烃和环烷烃的命名CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH3季碳，4oC仲碳，2oC伯碳，1oC伯碳，1oC叔碳，3oC2.2.1伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢10•连在伯碳上氢原子叫伯氢原子(一级氢，1°H)•连在仲碳上氢原子叫仲氢原子(二级氢，2°H)•连在叔碳上氢原子叫叔氢原子(三级氢，3°H)第二章饱和烃:烷烃和环烷烃CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH3伯氢，1oH叔氢，3oH伯氢，1oH仲氢，2oH11CH3CH3CH2CH3CH2CH2CH3CHCH3CH3CH2CH2CH2甲基乙基正丙基异丙基正丁基异丁基仲丁基叔丁基新戊基CHCH2CH3CH3CHCH3CH3CH2CH3CCH3CH3CH3CCH2CH3CH3烷烃分子从形式上去掉一个氢原子所剩下的基团叫做烷基，用R表示。如：2.2.2烷基和环烷基烷烃和环烷烃的命名12烷烃分子从形式上去掉两个氢原子所剩下的基团叫做亚烷基。例如：-CH2CH2--CH2CH2CH2CH2CH2CH2-亚甲基亚异丙基1,2-亚乙基1,6-亚己基CH2C(CH3)2CHCH3亚乙基环丙基环丁基环戊基环己基第二章饱和烃:烷烃和环烷烃132.2.3烷烃的命名(1)普通命名法普通命名法亦称为习惯命名法，适用于简单化合物。对直链烷烃，叫正某(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二)烷。例：对有支链的烷烃：有结构片断者叫异某烷；有结构片断者叫新某烷。例：CCCCCCCC新庚烷异己烷CH3-C-CH2-CH2-CH3CH3CH3CH3-CH-CH2-CH2-CH3CH3CCCCCCCCCCCCCCCCCCC正辛烷正十一烷烷烃和环烷烃的命名14(2)衍生物命名法衍生物命名法适用于简单化合物。衍生物命名法是以甲烷为母体，选择取代基最多的碳为母体碳原子。例如:CH3CHCH3CH2CH3CCH3CH3CH3CH3二甲基乙基甲烷四甲基甲烷第二章饱和烃:烷烃和环烷烃15(3)系统命名法烷烃和环烷烃的命名（Ⅰ）选择母体化合物（Ⅱ）给母体定编号（Ⅲ）写取代基用中文小写“二、三、四”表明取代基数目，采用国际通用的IUPAC（InternationalUnionofPureandAppliedChemistry，国际纯化学和应用化学联合会）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。16(3)系统命名法b.有支链时：（Ⅰ）选择母体化合物：烷烃和环烷烃的命名a.直链烷烃：与普通命名法相似,省略“正”字。如:CH3CHCH2CH2CH3CH2CH3己烷①选最长的连续碳链为主链,以主链碳原子数定为某烷.②如果有几个等长的碳链可作主链，选择取代基最多的碳链为主链CHCHCHCH3CH2CHCH2CH2CH3CH3CH3CH3CH3庚烷17②当主链编号有几种可能时，按“最低系列”原则编号（顺次逐项比较，最先遇到的位次最小者定为最低系列.）（Ⅱ）给母体定编号①主链上碳原子从靠近支链的一端依次用阿拉伯数字编号.CH3CHCHCH2CHCH3CH3CH3CH33(从左)4(从右)1245618(Ⅲ)写取代基①取代基的名称写在主链前,位次用主链上碳原子的编号表示,写在取代基名称前,两者只间用半字线“-”相连.②含有几个不同的取代基时,,按“次序规则”规定的顺序排列.③含几个相同的取代基时,相同取代基合并,用二、三、四…表示其数目，并逐个标明其所在位次，位次之间用逗号分开.CH3CHCH2CH2CH3CH2CH3烷己345612甲基3-19CH3CH2CHCHCHCHCH2CH2CH3CHCH3CH3CH2CH2CH3CH3CH2CHCH2CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CH3CH31234567893,7-二甲基-4-乙基9876545-丙基-4-异丙基壬烷壬烷321202.2.4环烷烃的命名烷烃和环烷烃的命名CH3H3CCH3CH2CH2CHCH2CH3CH3CH2CH3在相同碳数的烷烃名称前加“环”乙基环戊烷1,1,4-三甲基环己烷3-甲基-1-环己基戊烷环烷烃单环双环多环212.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性2.3.2环烷烃的结构与环的稳定性222.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性第二章饱和烃:烷烃和环烷烃23①sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。②4个sp3杂化轨道间取最大的空间距离为正四面体构型，键角为109.5°。构型——原子在空间的排列方式。③四个轨道完全相同。激发杂化(线性组合)4个sp杂化轨道3杂化的结果：σ键的形成及其特性2.3烷烃和环烷烃的结构2.3.1σ键的形成及其特性24∵CH4中的4个杂化轨道为四面体构型(sp3杂化)∴H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠(因为顶点方向电子云密度最大),形成4个σsp3-s键。σ键——电子云围绕两核间连线呈圆柱体的轴对称,可自由旋转。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃25由于sp3杂化碳的轨道夹角是109.5°，所以烷烃中的碳链是锯齿形的而不是直线。乙烷、丙烷、丁烷中的碳原子也都采取sp3杂化：乙烷CCHHHHHH-s3sp-sp3sp3丁烷σ键的形成及其特性26σ键的特点：①σ键电子云重叠程度大，键能大，不易断裂；②σ键可自由旋转(成键原子绕键轴的相对旋转不改变电子云的形状)；③两核间不能有两个或两个以上的σ键。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃27燃烧热----1mol化合物完全燃烧生成二氧化碳和水所放出的热量。燃烧热的大小可以反映分子能量的高低。开链烷烃中每个CH2的燃烧热[(ΔHc/n)/KJ·mol-1]平均为658.6KJ/mol。环烷烃：环越小，每个CH2的燃烧热越大，说明环越小，环张力越大。2.3.2环烷烃的结构与环的稳定性环烷烃的结构与环的稳定性28一些环烷烃的燃烧热如下所示：环烷烃的环张力越大，表明分子的能量越高，稳定性越差，越容易开环加成。环丙烷＜环丁烷＜环戊烷＜环己烷结构所致！!第二章饱和烃:烷烃和环烷烃？29环丙烷的结构：物理方法测得，环丙烷分子中三个碳原子共平面。显然，环丙烷中没有正常的C－C键，而是形成“弯曲键”：环烷烃的结构与环的稳定性30由于环丙烷分子中的C－C键不是沿轨道对称轴实现头对头的最大重叠，而重叠较少，张力较大，具有较高的能量。根据结构与性能的关系，环丙烷的化学性质应该活泼，容易开环加成。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃31环丁烷的结构：C：sp3杂化，轨道夹角109.5°若四个碳形成正四边形，内角应为90°角张力：109.5－90＝19.5°＜109.5－60＝49.5°环丁烷中的C－C键也是“弯曲键”，但弯曲程度较小。环烷烃的结构与环的稳定性∴环丁烷较环丙烷稳定，但仍有相当大的张力，属不稳定环，比较容易开环加成。事实上，环丁烷中四个碳原子不共平面，这样可使部分张力得以缓解。32环戊烷的结构：C：sp3杂化，轨道夹角109.5°正五边形内角为108°角张力：109.5－108＝1.5°可见，环戊烷分子中几乎没有什么角张力，故五元环比较稳定，不易开环，环戊烷的性质与开链烷烃相似。事实上，环戊烷分子中的五个碳原子亦不共平面，而是以“信封式”构象存在，使五元环的环张力可进一步得到缓解。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃332.4烷烃和环烷烃的构象2.4.1乙烷的构象2.4.2丁烷的构象2.4.3环己烷的构象342.4.1乙烷的构象2.4烷烃和环烷烃的构象第二章饱和烃:烷烃和环烷烃分子结构包括构造、构型和构象构造：分子内原子间成键的顺序构型和构象：具有一定构造的分子中各原子在空间的排列方式能够通过绕单键旋转转化的，属于构象；不能够通过绕单键旋转转化的属于构型35Newman投影式的写法：(1).从C-C单键的延线上观察：前碳后碳(2).固定“前”碳，将“后”碳沿键轴旋转，得到乙烷的各种构象。最典型的有两种：重叠式和交叉式。乙烷的构象36重叠式:HHHHHHHHHHHH注意：室温下不能将乙烷的两种构象分离，因单键旋转能垒很低(～12.6KJ/mol)交叉式:能量高，不稳定(因非键张力大)，一般含0.5%非键张力小，能量低，稳定。一般含99.5%第二章饱和烃:烷烃和环烷烃37以能量为纵坐标，以单键的旋转角度为横坐标作图，乙烷的能量变换曲线如下：60120180240300360420480量能旋转角度重叠式重叠式重叠式重叠式交叉式交叉式交叉式交叉式12.6KJ/mol乙烷的构象382.4.2丁烷的构象注意：常温下，丁烷主要是以对位交叉式存在，全重叠式实际上不存在。第二章饱和烃:烷烃和环烷烃CH3CH2CH2CH323对位交叉式(反错式)部分重叠式(反叠式)邻位交叉式(顺错式)全重叠式(顺叠式)正丁烷沿C2和C3之间的σ键键轴旋转有四种典型构象。CH3HCH3HHHCH3H3CHHHHCH3H3CHHHHH3CCH3HHHH优势构象最不稳定构象39丁烷的能量图如下：丁烷的构象402.4.3环己烷的构象环己烷分子中的六个碳不共平面，且六元环是无张力环，键角为109.5°。环己烷有两种典型构象(船式与椅式的翻转)：椅型船型