1、第二章 烷烃和环烷烃,主要内容烷烃的结构，同分异构体烷烃的命名（普通命名法， IUPAC命名法） 烷烃的物理性质 烷烃的化学性质烷烃的卤代反应历程,主要内容环烷烃的分类与命名环烷烃的性质 环烷烃的结构与稳定性 烷烃和环烷烃的构象异构,教学步骤：,概念：,烃分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物。,同系列：有相同通式、结构上相差一定的“原子团”的一系列化合物。 同系物：同系列中的化合物为同系物。 系差：CH2,2.1烷烃的同系列及同分异构现象,2.1.1 烷烃的同系列,2.2.2 烷烃的同分异构现象,同分异构现象：化合物的分子式相同，分子的结构和性质 不同的现象称为同分异构现象。,同分异构体：具
2、有同分异构现象的化合物称为同分异构体。,分子的构造：分子中原子间相互连接的顺序称为分子的构 造，表示分子构造的化学式称为构造式,构造异构现象：分子式相同，分子中原子相互连接顺序不 同现象称为构造异构现象。,2.3.3伯、仲、叔、季碳原子,在烃分之中，按照碳原子与所连碳原子的不同，可分为四类： 仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子（或一级碳原子，用1表示） 与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2表示） 与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（或三级碳原子，用3表示） 与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4表示） 与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子，不同类
3、型的氢原子的反应性能有一定的差别。,碳原子的四种类型,2.2烷烃的命名,普通命名法用于简单化合物的命名IUPAC命名法（系统命名法） （IUPAC: 国际纯粹与应用化学联合会，International Union of Pure and Applied Chemistry） 基础：普通命名法,2.2.1普通命名法,2.2.2 烷基,1.选择主链：选择含碳原子数目最多的碳链作为主链，称为某烷。 支链作为取代基，若有两条以上等长碳链时，则选择支链多的一 条为主链。,2.2.3 系统命名法（IUPAC命名法）,2.碳原子的编号：,从最接近取代基的一端开始，将主链碳原子用1、2、3编号,从碳链任何一
4、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。, 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（最低系列原则：碳链从不同方向 编号时，得到两种不同编号系列，则顺次逐项比较两系列的不同 位次，最先遇到的位数最小者，定为“最低系列”。）,取代基位号：2，4，7 （正确）2，5，7,将支链（取代基）写在主链名称的前面 取代基按“次序规则”，次序优先的基团优先放在最后写出。 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。 表示位置的数字间要用“，”隔开，位次和取代基名称之间要 用“”隔开。,3.烷烃的名称,2.2.4次序规则,次序
5、规则的要点： 1.单原子取代基,按原子序数大小排列。原子序数大,顺序大;原子 次序小,顺序小；同位素中质量高的,顺序大。 例如： I Br Cl S P F O N C D H； -Br -OH -NH2 -CH3 H 2. 多原子基团第一个原子相同,则要依次比较第二、第三顺序原子的原子序数，来决定基团的大小顺序。 例如： CH3CH2- CH3- （因第一顺序原子均为C，故必须比较与碳相连基团的大小）CH3- 中与碳相连的是 C(H、H、H)； CH3CH2- 中与碳相连的是 C(C、H、H)，所以CH3CH2-优先。,同理：(CH3)3C- CH3CH(CH3)CH- (CH3)2CHCH
6、2- CH3CH2CH2CH2- 3.当取代基为不饱和基团时，则把双键、三键原子看成是它与 多个某原子相连。,课堂作业：比较以下基团的优先顺序,用系统命名法命名下列化合物,2.3.1 碳原子的四面体构型,2.3烷烃的结构,构型是指具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况，烷烃 分子中碳原子为正四面体构型，甲烷的正四面体构型如下图所 示。,乙烷的结构和模型：,2.3.2碳原子的SP3杂化,杂化：就是几个轨道放到一起，进行充分混合，再平均分配， 不但进行能量均分，而且轨道成份也平均分配，形成数目相 等的几个能量和轨道成份都相同的新轨道即杂化轨道。,2.3.3 烷烃分子的形成,键有如下几个的特点：
7、1.键有方向性，两个成键原子必须沿着对称轴方向接近，才能达到最大 重叠。 2.成键电子云沿键轴对称分布，两端的原子可以沿轴自由旋转而不改变电 子云的分布。 3.键是头碰头的重叠，与其它键相比，重叠程度大，键能大，其中 C-H键, 键能 415.3KJ/mol；C-C键, 键能 345.6KJ/mol，因此，化学性质稳定。,2.3.4其它烷烃的构型,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。 2. C-C键长均为0.154nm, C-H键长为0.109nm,键角都接近于 109.5。 3. 碳链一般是曲折地排布在空间。,2.4烷烃的物理性质,2.4.1 状态,常温(2
8、5)常压(760mmHg)下含有四个碳以下的烷烃为气体， 含五到十六个碳的直链烷烃为液体，含十七个碳以上直链烷烃 为固体。,2.4.2 沸点,1.直链烷烃的沸点随着相对分子质量的增加而有规律地升高 。 2.同数碳原子的构造异构体中，分子的支链越多，沸点越低。,2.4.3熔点,1.固体分子其熔点也随相对分子质量增加而增高 。 2.支链烷烃的熔点比直链烷烃的低。但有的带支链的烷烃有高度 的对称性，它们的熔点则比同数碳原子的直链烷烃高 。,M.P. -129.8 -159.9 -16.8,2.5.4 相对密度（比重）都小于1，随着分子量的增加而增加，最后接近于0.8（20）。2.5.6 溶解度不溶与
9、水，溶于某些有机溶剂，尤其是烃类中。,2.5烷烃的化学性质,烷烃的结构,一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱（常用作低极性溶剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应）,2.5.1 甲烷的卤代反应,反应特点: (1)反应需光照或加热。 (2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。 (3)反应速率: F2 Cl2 Br2 I2 （不反应）。,2.5.2其他烷烃的卤代反应,伯、仲、叔氢的相对反应活性：,如果定义：氢的相对活性 = 产物的数量被取代的等价氢的个数。,故室温时三种氢的相对活性为： 3H ：2H ：1H = 5 ：4 ：1。,与溴的反
10、应：,溴代反应时（光照，127），三种氢的相对活性为： 3H ：2H ：1H = 1600 ：82 ：1,不同卤原子与不同氢原子反应的相对速率(以伯氢为标准)如下：,总结：烷烃卤代反应的选择性 卤代反应中不同类型氢的反应活性 3o H 2o H 1o H CH4 (温度升高，选择性变差) 不同卤素的反应选择性: 溴代 氯代 合成上的应用价值： 溴代 氯代（反应的选择性好，可得到 较高纯度的产物）,2.6 烷烃的卤代反应历程,什么是反应机理：反应机理是对反应过程的详细描述，应解释以下问题：,研究反应机理的意义：了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。发现反应的一些规律，指导研究的深入。
11、,2.6.1甲烷的氯代历程,定义：由化学键均裂引起的反应称为自由基反应。其特点为： （1）反应机理包括链引发、链增长、链终止三个阶段。 （2）反应必须在光、热或自由基引发剂的作用下发生。 （3）溶剂的极性、酸或碱催化剂对反应无影响。 （4）氧气是自由基反应的抑制剂。,甲烷氯代的机理表达：,引发剂：容易产生自由基的试剂。如：过氧化物 抑制剂：降低自由基活性或抑制自由基生成的试剂。,2.6.2甲烷氯代反应过程中的能量变化（过渡态理论、反应热、 活化能）,2.6.2.1过渡状态理论,过渡状态理论认为 每一个反应的反应进程分为三个阶段： 始态、过渡态和终态。即一个反应由反应物到产物的转变 过程中，需要
12、经过一个过渡状态，如下反应通式所示：,用字母表示则为：,反应进程中体系能量的变化如下图：,反应能量进程图的函义： 1.曲线上的每一点都对应着一种反应的状态和这种状态所具有的 能量。 2.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。 3.由图还可以看出H 就是反应热。反应热即反应物与产物之间 的能量差(H)。,2.6.2.2甲烷氯代反应过程中的能量变化,反应进程-位能曲线图如下：,1.在多步骤反应中，反应分多少步进行能量进程图上就有多少 个峰。 2.两峰之间的谷点表示反应活性中间体 3.活化能最高的
13、那步反应决定着整个反应的速率,过渡态与中间体的区别：,过渡态：反应物转变为产物的中间状态，（推测的）势能最高 处的原子排列，寿命= 0，无法测得。 中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中间 体一般很活泼，但可通过实验方法观察到。,思考： 1.链增长阶段是吸热还是放热？ 2.哪个过渡态是决定速率的一步？ 3.CH4， CH3，CH3Cl中哪一个是最稳定的化合物？ 哪一个最不稳定？。,2.6.3烷基自由基的构型和稳定性,自由基的构型：中心C sp2杂化,稳定性：,键的离解能（Kj/mol ）,自由基的稳定性大小顺序为：,3 R 2 R 1 R CH3,小结： 1.烷烃的卤代（氯代和溴
14、代）反应。 2.烷烃的卤代机理自由基取代机理（自由基链反应机理）， 机理的各个步骤及表示方法。 3.不同类型H的反应选择性或不同类型H的反应活性，自由基 的稳定性 4.烷烃的氯代和溴代在选择性上的差别,2.7环烷烃的分类和命名,2.7.1环烷烃的分类,2.7.2环烷烃的命名,2.7.2.1单环烷烃的命名,根据分之中成环碳原子数目，称为环某烷；把取代基的名称写 在环烷烃的前面；取代基位次按“最低系列”原则列出，基团顺 序按“次序规则”排序在后的优先列出。 侧链比较简单, 以环为母体, 链为取代基, 侧链比较复杂, 以链为 母体, 环为取代基。,乙基环己烷 2-甲基-4-环己基己烷,让次序规则中顺
15、序较小的基团位次尽可能小。,1，3-二甲基-5-乙基环己烷,受环的限制，键不能自由旋转。环上取代基在空间的位置不同，产生顺反(几何)异构。 顺(cis)： 两个取代基在环同侧； 反(trans)： 两个取代基在环异侧,2.7.2.2双环化合物的命名,桥环烃：分子内环与环之间有两个或两个以上共用碳原子的多环烃。 桥 头 碳：几个环共用的碳原子， 环的数目：断裂二根CC键可成链状烷烃为二环；断裂三根CC键可成链状烷烃为三环 桥：两个桥头碳原子间的碳链或一个键 环的编号方法：从桥头开始，先长链后短链,命名： 1.根据组成桥环的碳原子总数称为“某烷”，再加上词头“二环”字。 2.从桥头碳开始，绕最长的
16、桥到另一个桥头，再绕次长桥回来，最后再编最短的桥。 3.可能的情况下给取代基以尽可能小的编号 4.母体名称前冠以“环数”，后接 ,方括中表明环内除桥头碳原子外的碳原子数目，从大到小排列，之间用圆点分开。,2,8,8-三甲基二环3.2.1辛烷,螺环化合物： 螺环烃：两个环共用一个碳原子的多环烷烃叫作螺环烃。 螺原子：被供用的碳原子为螺原子命名： 1.根据组成螺环的碳原子总数称为“某烷”，再加上词头“螺”字。 2.从小环中与螺原子相连的碳原子开始编号，经过螺碳原子，在 由较大环回到螺碳原子。 3.尽可能使取代基处在最小的位次 4.母体名称前冠以“螺”，后接 ,方括内注明环中除螺碳原子以外 的碳原子
17、数，由小到大，之间用圆点隔开。,2.8环烷烃的结构与稳定性,2.8.1拜耳(Baeyer)的张力学说,基本假定：所有的环碳原子都具有四面体的结构,都在同一个平 面上,且排列成正多边形。 张力学说:任何与10928正常键角的偏离都会使分子产生恢复 正常键角的作用力,这种作用力就称为角张力。与正常键角的偏 差越大,张力就越大。,2.8.2环烷烃的燃烧热,燃烧热：1mol纯烷烃完全燃烧生成CO2和水时放出的热。每个CH2-的燃烧热应该是相同的，约为658.6KJmol-1。 环上每molCH2的张力能：指环上每mol CH2的燃烧热值与开 链烷烃 每mol CH2的燃烧热值（659KJ/mol)之差
18、。,2.8.3环丙烷的结构,成键方式:轨道在轴线(两核连线）之外头碰头、斜侧式重迭, 重迭程度较小,形成的键比通常 的-键弱，比-键强，称弯 曲键。,特点： “弯曲键”重叠程度小，键能下降，从而产生角张力恢复正常 键的倾向； “弯曲键”使电子云暴露在成键两原子的外侧，类似于烯烃中 的键， 易受亲电试剂的进攻。,角张力（angle strain）：环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力,所有C-H 键均为重叠式构象，有扭转张力,三员环的张力能是由以下几种因素造成的： 1.由于二个氢原子之间的距离小于范德华半径之和，所以产生非 键作用(non-bonding interaction)，造成内能升高
19、； 2.轨道没有按轴向重迭，导致键长伸长或缩短，电子云重叠减少，造成内能升高； 3.由于键角偏离平衡值引起的张力能（即角张力）。 4.由扭转角变化(全重叠构象)引起的（扭转张力）。,2.9环烷烃性质,2.9.1与烷烃相似的性质,2.9.2与烯烃相似的性质,催化加氢,与卤素的反应,与HX反应,环丙烷若环上有取代基时，与卤化氢的加成时，环的破裂发 生在含氢最多和含氢最少（或取代基最多与最少）的两个碳原子 之间。氢总是加在含氢多的碳上,卤原子加在含氢少的碳上.符合马 氏规则.四碳环不易开环，在常温下与卤素，卤化氢不反应。,小结：环丙烷比较活泼，类似烯烃，易于开环加成。但它 不能被高锰酸钾氧化，可用此
20、法区别环丙烷和烯烃。如:三 元环不能使高锰酸钾溶液褪色，能使溴水褪色。,思考题：如何鉴别丙烷、环丙烷、丙烯和丙炔？,2.10烷烃和环烷烃的构象异构,定义：因碳碳单键的旋转引起分子中的原子（团）在空间产生 不同的排列方式称构象，各种不同的空间排列互称为构象异构 体。,1.10.1乙烷的构象,能量分析：,2H之间的距离： 0.250nm 0.229nm 2H原子的范德华半径之和： 0.24nm 交叉式： 0.250nm 0.24nm 无范氏张力； 重叠式0.229nm0.24nm 有范氏张力，所以 稳定性比较：交叉式重叠式。,乙烷构象转换与势能关系图,能量最低的一种构象，称作优势构象。能量最高的一
21、种构象，称作最不稳定构象,1.10.2正丁烷的构象,丁烷构象转换与势能关系图,稳定性：对位交叉式邻位交叉式部分重叠式完全重叠式,1.10.3环己烷的构象,环己烷的结构：环己烷6个杂化的碳原子不是呈平面六角形， 而是居于多面上，每个C-C-C键角保持109o28，主要有椅式 和船式两种排列方式，这两种构象都是很稳定无张力的环。,环己烷的两个经典构象：船式和椅式,1.10.3.1椅式构象,特点 : 6个碳分别处于两个相互平行的平面上。其中，C 1，3，5在 一个平面上，C 2，4，6在一个平面上，有一个对称轴垂直于这 两个平面。,所有的键都是正常的键,所有的键角都是109.5,无角张力 所有相邻的
22、碳上，CH键都处于交叉式位置，也无扭转张力,范氏张力:相互邻近氢之间的距离都大于两个氢原子 的范氏半径之和0.24nm无范氏张力。,12个CH键分为两类，其中6个与对称轴平行，垂直于两 个平面，叫直立键，又叫a键。6个a键上下交替排列。另外6 个与对称轴成109.5度，斜着伸向环的外侧，叫平伏键，又叫 e键。6个e键也是上下交替排列。,两个椅式构象可以自由翻转，翻转后，上面的三个碳转 到下面，下面的三个碳转到上面。6个a键全部变成e 键， 6个e键全部变成a键。(动画),椅式构象中C-H键的顺反关系 :,1.10.3.2船式构象：,特点： 所有的键角都是109.5度，无角张力。 C2和C3，C
23、5和C6上的氢叫船梆氢，处于重叠式位置，有扭 转张力。,(C)C1和C4上斜着向上的两个氢叫旗杆氢。两者相距较近， 只有0.183nm，小于两氢原子的范德华半径之和(0.240nm)， 存在着一种斥力。这种由于两个原子靠得太近，小于两个原 子的范德华半径之和而引起的张力，叫做范德华张力。,1.10.4取代环己烷的构象,1.10.4.1单取代环己烷的构象分析,甲基环己烷：,叔丁基环己烷：,e a R=甲基 95% 5% =异丙基 97% 3% =叔丁基 100%,1.10.4.2二取代环己烷的构象分析,cis-1, 2-二甲基环己烷,trans-1, 2-二甲基环己烷：,cis-1, 3-二甲基
24、环己烷：,trans-1, 3-二甲基环己烷：,如果环上有两个相同的基团时，它们的稳定性顺序为： eeaeaa,不同基团二取代环己烷： 反-1-甲基-3-异丙基环己烷:,顺-1-甲基-4-叔丁基环己烷：,顺-1-甲基-2-叔丁基环己烷：,规律： 1.具有一个取代基的环己烷,取代基在e键上时为稳定构象。 2.具有多个相同取代基的环己烷,取代基在e键上越多,构象越稳定。 3.环上有不同取代基时,大基团在e键上的构象是稳定构象。,课堂练习： 比较下列各对构象的稳定性：,小结： 1、烷烃的命名。伯、仲、叔碳原子和氢原子。 2、烷烃的结构特征：键；乙烷与正丁烷的构象。 3、卤代自由基反应机理，伯、仲、叔氢的反应活性，伯、仲、 叔碳自由基的相对稳定性； 3、脂环烃的命名（单环、螺环与桥环） ，三元、四元环的开 环加成。 4、环己烷的椅式构象以及取代环己烷的优势构象规律。,作业：P39：7、8、9、12P109：5（2，4）；6（1） 预习：第3章 烯烃,
