1、第一章烷烃环烷烃 有机化学竞赛辅导 由碳和氢两种元素组成的饱和烃称为烷烃 或CnH2n 2 具有同一通式 结构和化学性质相似 组成上相差一个或多个CH2的一系列化合物称为同系列 同系列中的化合物互称为同系物 第一节烷烃 一 烷烃的同系列 1 烷烃的定义 2 同系列 3 烷烃的通式 二 烷烃的同分异构现象 正丁烷 沸点 0 5 异丁烷 沸点 10 2 分子式相同而构造式不同的化合物称为同分异构体 这种现象称为同分异构现象 三 烷烃的构型 构型 是指具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况 1 碳原子的sp3杂化 2 烷烃分子的形成 键的特点 键 成键电子云沿键轴方向头碰头重叠 呈圆柱形对称重叠
2、重叠程度大 可绕键轴自由旋转而不影响电子云重叠的程度 结合的较牢固 不容易断裂 性质不活泼 3 碳原子的四面体概念 契性透视式 实线表示处在纸平面上的价键 虚契性线表示处在纸面后的价键 实契性线表示处在纸面前的价键 1 甲烷的构型 2 其它烷烃的构型 C C键长均为0 154nm C H键长为0 109nm 键角都接近于109 5 碳原子都是以sp3杂化轨道与其他原子形成 键 碳原子都为正四面体结构 碳原子的排列不是直线形的 碳链一般是曲折地排布在空间 在晶体时碳链排列整齐 呈锯齿状 在气 液态时呈多种曲折排列形式 因 键能自由旋转所致 四 烷烃的命名 书籍 期刊中经常使用普通命名法和国际纯粹
3、与应用化学联合会 InternationalUnionofPureandAppliedChemistry 命名法 简称IUPAC命名法 对于有些复杂化合物名称很长 命名时常用俗名 1 普通命名法 CH3CH2CH2CH3丁烷 含有10个或10个以下碳原子的直链烷烃 用天干顺序甲 乙 丙 丁 戊 已 庚 辛 壬 癸10个字分别表示碳原子的数目 后面加烷字 含有10个以上碳原子的直链烷烃 用大写中文数字表示碳原子的数目 对于含有支链的烷烃 则必须在某烷前面加上一个汉字来区别 在链端第2位碳原子上连有1个甲基时 称为异某烷 在链端第二位碳原子上连有2个甲基时 称为新某烷 正戊烷异戊烷新戊烷 CH3
4、CH2 10CH3正十二烷 2 系统命名法 1 碳原子的类型 在烃分子中仅与一个碳相连的碳原子叫一级碳原子 用1 C表示 或称伯碳1 C上的氢称一级氢 用1 H表示 在烃分子中与两个碳相连的碳原子叫二级碳原子 用2 C表示 或称仲碳2 C上的氢称二级氢 用2 H表示 在烃分子中与三个碳相连的碳原子叫三级碳原子 用3 C表示 或称叔碳3 C上的氢称三级氢 用3 H表示 在烃分子中与四个碳相连的碳原子叫四级碳原子 用4 C表示 或称季碳 4 C上无氢原子 2 烷基 烷基普通命名系统命名英文简写CH3 甲基甲基MeCH3CH2 乙基乙基EtCH3CH2CH2 正丙基丙基n Pr CH3 2CH 异丙
5、基1 甲 基 乙基iso PrCH3CH2CH2CH2 正丁基丁基n Bu CH3 2CHCH2 异丁基2 甲 基 丙基iso Bu仲丁基1 甲 基 丙基sec Bu 二级丁基 CH3 3C 叔丁基1 1 二甲 基 乙基 ter Bu 三级丁基 烷烃分子从形式上消除一个氢原子而剩下的原子团称为烷基 通式为CnH2n 1 常用R 表示 若烷烃分子从形式上消除两个氢原子而剩下的原子团称为亚基 3 系统命名法规则 1 直链烷烃 CH3CH2CH2CH2CH3普通命名法叫正戊烷 系统命名法叫戊烷 在系统命名法中 对于直链烷烃的命名和普通命名法是基本相同的 只是不写 正 字 2 支链烷烃的命名法的步骤
6、选择主链 母体 i 最长原则 分子中有两条以上等长碳链时 则选择支链多的一条为主链 ii 最多原则 选择含碳原子数目最多的碳链作为主链 支链作为取代基 碳原子的编号 i 最近原则 从距支链较近的一端开始 给主链上的碳原子用1 2 3 编号 ii 最简原则 从碳链任何一端开始 第一个支链的位置都相同时 则从较简单的一端开始编号 iii 最小原则 若第一个支链的位置相同 则依次比较第二 第三个支链的位置 以取代基的系列编号最小为原则 即位号之和最小原则 烷烃名称的写出 i 将支链 取代基 写在主链名称的前面 ii 取代基按 次序规则 小的基团优先列出 烷基的大小次序 甲基 乙基 丙基 丁基 戊基
7、己基 异戊基 异丁基 异丙基 iii 相同基团合并写出 位置用2 3 标出 取代基数目用二 三 标出 iv 表示位置的数字间要用逗号 隔开 位次和取代基名称之间要用 半字线 隔开 如果支链上还有取代基时 从与主链相连的碳原子开始 把支链的碳原子依次编号 支链上取代基的位置就由这个编号所得的号数来表示 这个取代了的支链的名称可放在括号中 或用带撇的数字来表明支链中的碳原子 2 甲基 5 5 二 1 1 二甲基丙基 葵烷 2 甲基 5 5 二 1 1 二甲基丙基葵烷 练习 2 7 9 三甲基 6 2 甲丙基 十一烷2 7 9 三甲基 6 异丁基十一烷 五 烷烃的物理性质 1 状态 常温常压下 C1
8、 C4的烷烃为气态 C5 C16的烷烃为液态 C17以上的烷烃为固态 2 沸点 1 直链烷烃的沸点随着分子量 碳原子数 的增加而有规律升高 2 对于烷烃的同分异构体 支链越多 沸点越低 3 熔点 碳原子数目增加 熔点升高 分子的对称性越大 熔点越高 正烷烃的熔点 同系列C1 C3不那么规则 但C4以上的是随着碳原子数的增加而升高 不过 其中偶数的升高多一些 以至含奇数和含偶数的碳原子的烷烃各构成一条熔点曲线 偶数在上 奇数在下 4 相对密度 比重 都小于1 随着分子量的增加而逐渐有所增大 最后接近于0 8 20 5 溶解度 烷烃不溶与水 能溶于某些有机溶剂 尤其是烃类中 相似相溶 结构相似 分
9、子间的引力相似 就能很好溶解 六 化学性质 漫射光 1 取代反应 反应活性为 F2 Cl2 Br2 1 氯代反应 氢原子的反应活性顺序 3 H 2 H 1 H 烷基自由基的稳定性顺序为 CH3 3C CH3 2CH CH3CH2CH2 CH3 叔 仲 伯氢在室温时的相对活性为5 4 1 1 氯丙烷 2 氯丙烷 当升高温度 450oC 时 叔 仲 伯氢的相对活性逐步接近1 1 1 2 溴代反应 叔氢 仲氢 伯氢的反应活性 相对活性为1600 82 1 3 卤代反应的机理 自由基反应 链的引发 链的增长 链的终止 Cl Cl Cl2CH3 CH3 CH3 CH3CH3 Cl CH3Cl 2 氧化反
10、应 2 氧化 在有机化学中 把有机化合物分子中引入氧或脱去氢的反应 都称为氧化反应 把失去氧或引入氢的反应 称为还原反应 1 燃烧 3 裂化反应 烷烃在高温和无氧条件下 分子中的碳碳键或碳氢键发生断裂 生成较小的分子 这种反应称为裂化反应 第二节环烷烃 1 环烷烃的结构 链烷烃中 C为sp3杂化 键角109 5 环烷烃中 C为sp3杂化 键角小于109 5 弯曲键或香蕉键 环的大小不同 键角不同 1 环丙烷的结构 一般地 五元 六元环最稳定 弯曲键与正常的 键相比 角张力 扭转张力 不稳定 易发生开环反应 2 环丁烷的结构 实验证明 环丁烷的四个碳原子不在同一平面上 通过C C键的扭转而以一个
11、折叠碳环形式存在 使环的张力相应降低 3 环戊烷的结构 信封式 构象 分子的张力不太大 因此环戊烷的化学性质比较稳定 4 环己烷的结构 椅式构象 在椅式构象中 所有键角都接近109 5 没有角张力 相邻碳上的C H键是全交叉的 无扭转张力 椅式构象中的六个C原子分别处在两个平行平面 C 1 3 5在下 2 4 6在上 分子内有一个穿过分子平面的对称轴 直立键或a键 与对称轴平行 六个交替地三个向上 三个向下和分子平面垂直 平伏键或e键 与对称轴成109 5 的倾角 六个交替地三个偏上 三个偏下 取伸向环的周围的向位 椅式构象环己烷中的12个C H键分两类 环己烷一元取代物的优势构象都是取代基在
12、e键上的椅式构象 取代基体积越大 平衡体系中 e键取代物就含量越多 例如 船式构象 船式的特点 船底共平面 无角张力 存在范德瓦尔斯斥力 扭转张力 在平衡混合物中 椅式构象占绝大多数 99 9 以上 2 环烷烃的立体异构 碳架异构 顺反异构 两个取代基在环同一侧面的称顺 cis 两个取代基不在环同一侧的称反 trans 顺 1 2二甲基环丙烷 反 1 2二甲基环丙烷 在有机分子中凡是有阻碍分子旋转的因素都可以使分子产生顺 反异构 环可以看作平面 取代基可以在环的同侧或异侧 而且不经过键的断裂是不可能改变的 所以 环状化合物有顺 反异构 二取代的 取代基可以相同也可以不同 优先基团在分子平面同侧
13、为顺 异侧为反 三取代的 取各级碳上在优先基团中位次最低的一个基团作参照 每个次序在优先基团的顺反关系和参照基团作比较 反 1 2 二甲基 1 乙基环丙烷 顺 1 4 二甲基 1 异丙基环己烷 大环环烷烃和链形烷烃的化学性质很相象 对一般试剂表现得不活泼 在发生取代反应时 由环烷烃所得的产物比链烷烃的简单 小环环烷烃与烯烃相象 分子不稳定 比较容易发生开环作用 它与氢 卤素 卤化氢都可以发生开环作用 因此小环可以比作一个双键 五元 六元环烷烃 即使在相当强烈条件下也不开环 3 环烷烃的化学性质 催化氢化 加Br2 1 开环反应 加卤化氢 规律 三元环 四元环容易开环加氢 五元环 六元环比较稳定难于开环 马氏规则 在含H最多和含H最少的键断 氢加到含氢较多的C上 溴加含氢较少的C上 2 取代反应 3 氧化反应 环丙烷 环丁烷 和烯烃不同点
