1、第二章 烷烃和环烷烃,烃：分子中只有C、H两种元素的有机化合物叫做烃。烷烃：分子中的碳除以碳碳单键相连外，碳的其他价键都为氢原子所饱和的烃叫做烷烃，也叫饱和烃。,烃的分类,分子中只有C、H两种元素的有机化合物,第一节 烷 烃,2.1烷烃的结构,碳原子外层电子排布为1s22s22px12py1,有2个未成对电子，应该是二价的，但碳原子实际上是四价的.,(1) sp3杂化,价电子层：,由于2S轨道的能量与 2p 较接近, 2s 上的1个电子可以激发到 2pz 空轨道上.,基态：,激发态的碳原子有4个单电子, 可以形成4个共价单键。,处于激发态的碳原子可以与4个H结合形成CH4。但这样形成的甲烷分子
2、的空间结构会是怎样？,假想的甲烷结构,事实上, 甲烷分子具有正四面体的空间结构：,甲烷的比例模型,甲烷的棍球模型,sp3杂化,1s22(sp3)12(sp3)12 (sp3)12(sp3)1 杂化轨道电子排布,四面体结构,轨道间夹角为 109.5o.,实际上碳原子并不直接以激发态的原子轨道参与形成共价键, 而是先杂化，再成键。形成烷烃时，碳原子取 sp3 杂化。,头碰头重叠形成CH键,动画模拟:sp3 杂化与甲烷的结构,109.5o,正四面体结构,甲烷4面体,甲烷比例-棍球,头碰头重叠形成 CC键,键: 旋转不影响轨道重叠程度, 即键可沿键轴“自由”转动; 重叠程度大, 稳定性高; 键的极化度
3、小.,乙烷 (CH3CH3),烷烃的通式：CnH2n+2,甲烷 乙烷 丙烷 丁烷CH4 C2H6 C3H8 C4H10,同系列：在分子组成上相差一个或多个系差，且结构和性质相似的一系列化合物。同系物：同系列中的化合物为同系物。,(2) 烷烃的通式、同系列,（3） 碳原子和氢原子的四种类型,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）,将饱和碳原子分为伯、仲、叔、季四种类型,分析下列化合物所含碳原子种类,结构比较简单的烷烃，用普通命名法（习惯命名法）1、10个碳以下的烷烃分别用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，10个碳以上的烷烃用
4、中文数字十一、十二、十三等表示，例： CH3-CH2-CH3 丙烷 CH3-(CH2)10-CH3 十二烷,2.2 烷烃命名,2.2.1 普通命名法,2、直链和支链分别用正异新来描述，“正”直链烃；“异” 在第二碳原子上有一甲基侧链，其余为直链；“新”在第二碳原子上有两个甲基侧链，其余为直链。,正戊烷,异戊烷,新戊烷,异丁烷,异戊烷,异己烷,异十二烷,异烷,新戊烷,新己烷,新烷,异辛烷,异辛烷中的异不符合命名的规定，是一个特例。,2.2.2 系统命名法（IUPAC命名法）,系统命名法是采用国际通用的IUPAC ( International Union of Pure and Applied
5、Chemistry ，国际纯粹和应用化学联合会)命名原则，并结合我国的文字特点制定的。,基础：习惯命名法,基本方法： 选定一条最长链作为主链（以习惯命名法命名） 其它支链作为主链上的取代基。,甲基(Me)乙基(Et)正丙基(n-Pr)异丙基(iso-Pr),丁基(n-Bu) 仲丁基(sec-Bu) 异丁基(iso-Bu) 叔丁基(tert-Bu),新戊基 叔戊基丙烯基 烯丙基,亚基:两价的烷基 次基：三价烷基,（1）选含有碳原子数最多的长链为主链，支链作为取代基，根据碳原子数命名为“某烷”； 烷烃名称前不加“碳”字 (而碳原子数大于10后，烯炔命名为“某碳烯”或“某碳炔”) （2） 分子中有两
6、条以上等长碳链时，则选择支链多的一条为主链。,系统命名法:,1. 选择主链,(1) 从最靠近取代基一端开始编号，依次标上1，2，3等数字. (2)若从碳链任何一端开始，第一个支链的位置相同时，则从较简单取代基一端开始编号。 (3) 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，以取代基系列编号数字和最小为原则。,2. 碳原子编号,(1) 将取代基（支链）写在主链名称的前面取代基按“次序规则” 的基团优先的基团在后 烷基的先后次序：甲基乙基丙基丁基戊基己基 异丙基 E交叉 E=12.1KJmol-1,2.5,其他构象的内能则介于交叉式与重叠式之间。随着乙烷分子中两个碳原子绕单键的相对
7、旋转，能量不断变化。,乙烷分子是处于交叉、重叠以及介于两者之间的无数构象的动态平衡混合体系，但各种构象体存在的比率不同。,动画模拟,（二） 正丁烷的构象,绕C-2和C-3之间的键旋转，形成的四种典型构象。,正丁烷分子能量变化曲线图,其稳定性次序为： 对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式 相对能垒: 0 3.3KJ/mol 14.6KJ/mol 18.425.5KJ/mol室温时，对位交叉式约占70%，邻位交叉式占30%，其他两种极少。,C1C4的烷烃为气态，C5C16的烷烃为液态，C17以上的烷烃为固态。 烷烃支链 ， bp 3. 烷烃对称性 ，mp4. 正烷烃密度0.8gcm-35.
8、 烷烃易溶于有机溶剂、难溶于水,2.4 烷烃的物理性质（自学）,(1) 共价键都为键，键能大 C-H 390 435 kJ/mol, C-C 345.6 kJ/mol(2) 分子中的共价键不易极化（电负性差别小 C 2.5， H 2.2） 但稳定性是相对的、有条件的，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。,烷烃的化学性质稳定（特别是正烷烃）。在一般条件下（常温、常压），与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及金属钠、钾等都不起反应，或反应速度极慢。,2.5 烷烃的卤代反应及机理,有机化合物分子中的氢原子（或其它原子、基团）被另一原子或基团取代的反应称为取代反
9、应。被卤原子取代叫卤代(halogenation)。,2.5.1卤代反应 (substitution reaction),甲烷的卤代反应,生成的一氯甲烷还会继续被氯代, 生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳四种产物的混合物.,CH3-Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl 二氯甲烷,CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl 四氯化碳,CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl 三氯甲烷,通过控制一定的反应条件和原料的用量比（用超过量的甲烷与氯气反应），可以使其中一种氯代物成为主要的产品。,反应速率: F2 Cl2 Br2 I2 （不反应）,F2 ：反应过分剧烈、较难控制Cl2 ：正常
10、（常温下可发生反应）Br2 ：稍慢（加热下可发生反应） I2 ：不反应。即使反应, 其逆反应易进行,主要讨论的内容,(1)甲烷的氯代反应过程分析,接下页,氯自由基,2.5.2 甲烷的氯代反应机制,重 复,接上页,接上页,自由基完全消失，反应终止,动画模拟,甲烷氯代反应的公认历程：,自由基型链反应（chain reaction）,或：加入少量能抑制自由基生成或降低自由基活性的抑制剂可减慢反应速度或终止反应。,2.甲烷氯代反应的能量变化,P29-30（不要求）,(2) 甲烷氯代反应过程的能量变化,反应热、活化能和过渡态,甲烷氯代反应各步的H：,(1)反应热反应前后能量的变化(H). 用键能估算.,
11、(2) 活化能与过渡态,任何反应的发生都不是直接通过反应物到达产物的过程，而是经由一个“过渡态”。过渡态是整个反应中能量最高的状态。只有提供不少于过渡态能级的能量，这个反应才能发生。,过渡态的特点:（1）能量高。（2）极不稳定，不能分离得到。（3）旧键未完全断开，新键未完全形成。,反应进程中体系能量的变化如下图：,过渡态处在反应进程位能曲线上的最高点，也就是反应所需要克服的能垒，是过渡态与反应物分子基态之间的位能差，称为反应的活化能，用(E活)表示。 E活 过渡态与反应物之间的位能差。 H 产物与反应物的内能差（反应热）。,活化能是发生一个化学反应所需要的最低限度的能量。,E活与H之间没有直接
12、的联系，不能从H的大小来预测E活的大小。活化能一般只能通过温度和反应速率的关系由实验测得；而反应热可以从反应中键能的改变近似计算出来。决定反应速度的是E活而不是H， E活越大速度越慢。即使反应是放热反应，其反应的发生仍需要一定的活化能。,E活与H不同,例如：甲烷的氯代反应中两步反应的能量变化,甲烷氯化链增长阶段能量变化图,2.5.3 烷烃卤代反应的取向,含有不同类型H的烷烃氯代时, 可得到不同的氯代烃。,伯氢与仲氢的活性比：,仲氢比伯氢活泼,反应对不同类型氢的反应选择性如何?（不同类型氢的相对反应活性如何？） 不同卤素的反应选择性有何差异?（不同卤素的相对反应活性如何?）,3o H, 2o H
13、, 1o H：哪种氢易被取代？Cl 和 Br：哪个卤素的选择性好？,如:,2.5.3 烷烃卤代反应的取向,氯代反应的选择性,只考虑氢原子的类型, 忽略烷烃结构的影响,氯代选择性（25oC）：3o H : 2o H : 1o H = 5: 4: 1,溴代选择性（127oC）：3o H : 2o H : 1o H = 1600 : 82 : 1,溴代反应的选择性P33,2.5.4 烷烃自由基的构型与稳定性,甲基、异丙基、叔丁基自由基的结构中心碳原子为sp2杂化,不同类型的CH键离解能不同，离解能越小，生成的自由基稳定性越大。其稳定性顺序：321 CH3,自由基的稳定性次序决定着反应的取向和反应活性
14、。,超共轭效应:C-H键与p轨道交盖而产生的离域，叫,p超共轭。甲基的- P超共轭效应使体系能量下降，稳定性增加。,从结构解释烷基自由基的稳定性,例:,p轨道上的未成对电子未成对电子,具有取得电子的倾向,3 R 2 R 1 R CH3,第二节 环 烷 烃 环烃又称闭链烃，为碳骨架成环状结构的一类碳氢化合物。根据结构和性质，又可分为：,环烃,脂环烃(alicyclic hydrocarbon),芳香烃(aromatic hydrocarbon),性质似脂肪烃,单脂环烃多脂环烃,性质似苯,苯型芳香烃非苯型芳香烃,2.6 环烷烃的结构,环烷烃的稳定性顺序：三元环 四元环 五元环 99.9% (优势构象)环丁烷环戊烷。6环烷烃更难。,2.11.2 环丙烷和环丁烷的开环反应,2、加卤素,3、加卤化氢,环丙烷的烷基取代物与HX加成按马氏规则开环加成，环的开裂总是在含最多H和最少H的碳原子间进行，同时氢加氢多。,Problem : 鉴别下列化合物. 1. CH3CH2CH2CH2CH3; CH3CH2CH=CH-CH3,2.,、 和,作业P42,1(1)(3)(5)9121314,
