第二章烷烴和環(huán)烷烴

1、第二章 烷烴和環(huán)烷烴v 碳、氫兩種元素組成的有機(jī)化合物叫做碳?xì)浠衔?，簡稱烴。v 烴脂肪烴飽和脂肪烴不飽和脂肪烴烷烴環(huán)烷烴烯烴炔烴二烯烴芳香烴單環(huán)芳烴多環(huán)芳烴稠環(huán)芳烴2-1烷烴烷烴(methane Series) 一、烷烴的概況一、烷烴的概況 （烷烴的來源、用途、通式、同系列、異構(gòu)現(xiàn)象）（烷烴的來源、用途、通式、同系列、異構(gòu)現(xiàn)象） 1. 烷烴的來源、用途、通式、同系列烷烴的來源、用途、通式、同系列 主要來源主要來源石油和天然氣產(chǎn)業(yè)（分餾），提石油和天然氣產(chǎn)業(yè)（分餾），提供能源，作為溶劑供能源，作為溶劑 、化工原料，還有防腐防銹、化工原料，還有防腐防銹及藥用價值。及藥用價值。 通式：通式：CnH

2、2n+2 同系物：同系物：結(jié)構(gòu)相似，但分子組成相差結(jié)構(gòu)相似，但分子組成相差1個或個或幾個幾個CH2系差。系差。 最簡單的烷烴：最簡單的烷烴：CH4 2.烷烴的異構(gòu)現(xiàn)象（碳胳異構(gòu)）烷烴的異構(gòu)現(xiàn)象（碳胳異構(gòu)）不是所有烷烴都有同分異構(gòu)體。不是所有烷烴都有同分異構(gòu)體。如： CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3正丁烷異丁烷CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3正戊烷異戊烷CH3CH3CH3CH3C新戊烷隨著碳原子數(shù)目的增多，異構(gòu)體的數(shù)目也增多。隨著碳原子數(shù)目的增多，異構(gòu)體的數(shù)目也增多。 v雖然雖然C都是都是SP3飽和的碳原子，但所處的周圍環(huán)境不同，把飽和的碳原子，但所處的周

3、圍環(huán)境不同，把碳原子可分為碳原子可分為4種。種。H CCCHCCCCCHHHHHHC1o2o33233322o1o1o1o4o3o1o 伯、仲、叔、季碳原子伯、仲、叔、季碳原子 伯、仲、叔氫原子伯、仲、叔氫原子 1c 2c 3c 4c 1H 2H 3H一級一級 二級二級 三級三級 四級四級 一級一級 二級二級 三級三級 二、烷烴中碳原子和氫原子的類型二、烷烴中碳原子和氫原子的類型認(rèn)識常見烴基 CH4甲烷甲烷 CH3 甲基甲基 CH3CH3乙烷乙烷 CH3CH2 乙基乙基 CH3CH2CH3丙烷丙烷 CH3CH2CH2 正丙基正丙基 CH3CHCH3 異丙基異丙基 vCH3CH2CH2CH3正丁

4、烷正丁烷 CH3CH2CH2CH2 正丁基正丁基v CH3CHCH2CH3 仲丁基仲丁基 CH3CHCH3異丁烷異丁烷 CH3CHCH2 異丁基異丁基 CH3 CH3 CH3CCH3 叔丁基叔丁基 CH3三、烷烴的命名三、烷烴的命名1.普通命名法普通命名法 常用于常用于簡單烷烴簡單烷烴和和烷基烷基的命名的命名 命名原則命名原則: 根據(jù)烷烴分子中的碳原子總數(shù)叫做某烷根據(jù)烷烴分子中的碳原子總數(shù)叫做某烷. 甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二 “正正”某烷某烷: 直鏈烷烴直鏈烷烴, “正正”字可省略字可省略. 以以“正正”、“異異”、“

5、新新”等區(qū)別不同的構(gòu)造異構(gòu)體。等區(qū)別不同的構(gòu)造異構(gòu)體。 2. 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)命名法 重點掌握重點掌握 命名原則命名原則: (結(jié)合書中例子結(jié)合書中例子) 支鏈烷烴支鏈烷烴的命名是的命名是以主鏈為母體以主鏈為母體, 所連的支鏈做取代基所連的支鏈做取代基. (1)主鏈的選擇主鏈的選擇: 選擇選擇最長的最長的含取代基最多的碳鏈含取代基最多的碳鏈做主鏈做主鏈, 以此作為母體以此作為母體, 按其碳原子數(shù)稱某烷按其碳原子數(shù)稱某烷. (2)主鏈的編號主鏈的編號:從靠近支鏈最近的一端開始編號，將主從靠近支鏈最近的一端開始編號，將主鏈碳原子依次用阿拉伯?dāng)?shù)字鏈碳原子依次用阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，3，編號編號.把取代基把取

6、代基的位次和名稱寫在母體名稱的前面，阿拉伯?dāng)?shù)字和漢字的位次和名稱寫在母體名稱的前面，阿拉伯?dāng)?shù)字和漢字之間用半字線之間用半字線“-”相連。相連。 CH3CHCH2CH3CH32-甲基丁烷CH3CHCH2CH2CHCH2CHCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH323456781CH3CHCH2CHCH2CH2CH3CH32,4-二甲基庚烷CH32,4,7-三甲基辛烷v 如果有兩個以上可供選擇的長鏈，應(yīng)選擇含取如果有兩個以上可供選擇的長鏈，應(yīng)選擇含取代基最多的一個為主鏈。例如：代基最多的一個為主鏈。例如：CH3CH3CCH3CCH2CH2CH3CH2CH3CH32,2,3-三甲基-3-乙基

7、己烷2,5-二甲基-3-乙基庚烷CH3CH2 CHCH3CH-CH3CH3CH2CHCH2CH3激發(fā)激發(fā)雜化雜化2P 2P 2P2P 2P 2P2S2S基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)SP3雜化態(tài)雜化態(tài)1S1S1S1. CH4的形成的形成HHHH 甲烷的結(jié)構(gòu)甲烷的結(jié)構(gòu): 分子中的碳原子以四個分子中的碳原子以四個sp3雜化軌雜化軌道分別與四個氫原子的道分別與四個氫原子的1s軌道重疊軌道重疊, 形成四個形成四個等同的等同的CH 鍵鍵, 鍵角為鍵角為109.5, 呈正四面體呈正四面體的空間結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu), 體系最穩(wěn)定體系最穩(wěn)定.球棒模型 比例模型四、烷烴結(jié)構(gòu)四、烷烴結(jié)構(gòu)五、烷烴的構(gòu)象五、烷烴的構(gòu)象v1.乙烷的構(gòu)

8、象：構(gòu)象定義構(gòu)象定義 (comformation) 和構(gòu)象和構(gòu)象異構(gòu)體異構(gòu)體乙烷的兩種構(gòu)象乙烷的兩種構(gòu)象交叉交叉 式和重疊式式和重疊式l CHHCHHHH12HHHHHH1212HHHHHH1von der waals排斥力，排斥力，60oC1旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)-250oC): 單個乙烷分子：絕大部分時間單個乙烷分子：絕大部分時間在穩(wěn)定構(gòu)象式上。在穩(wěn)定構(gòu)象式上。一群乙烷分子：某一時刻，絕一群乙烷分子：某一時刻，絕大多數(shù)分子在穩(wěn)定的構(gòu)象式上。大多數(shù)分子在穩(wěn)定的構(gòu)象式上。（4）正丁烷的構(gòu)象）正丁烷的構(gòu)象CH3H3CHHHHCH3HCH3HHHCH3H3CHHHHH3CCH3HHHH反交叉式反交叉式部分重疊式

9、部分重疊式順交叉式順交叉式全重疊式全重疊式(正丁烷沿正丁烷沿C2和和C3之間的之間的鍵鍵軸旋轉(zhuǎn)有四種典型構(gòu)象。鍵鍵軸旋轉(zhuǎn)有四種典型構(gòu)象。*穩(wěn)定性：對位交叉式 鄰位交叉式 部分重疊式 全重疊式丁烷構(gòu)象的能量變化圖060120degrees of rotation36030024018014.63.822.614.63.8potential energy (KJ/mol)CH3HHHCH3HCH3HHHCH3HCH3HHHHH3CCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHHHH3CCH3HHHCH3H穩(wěn)定性穩(wěn)定性: 反交叉式反交叉式順交叉式順交叉式部分重疊部分重疊 式式全重疊式全重疊式CH

10、3CH3CH3CH3CH3CH3H3CCH3反交叉式順交叉式部分重疊式全重疊式1.氧化反應(yīng) v2. 裂化反應(yīng)裂化反應(yīng) 在隔絕空氣及高溫、高壓條件下，使烷烴分子發(fā)生分解生成小分子的過程稱為裂化。 燃燒燃燒 燃燒燃燒CHCHCH CHCHCHCHCH CHCH CHCHCHCHCHCHH332243223222+33+2+CHOC OH OCHOC OH O4222+8901kJ222+Qnn+22六、烷烴的化學(xué)性質(zhì)六、烷烴的化學(xué)性質(zhì)六、烷烴的化學(xué)性質(zhì)六、烷烴的化學(xué)性質(zhì) 3.取代反應(yīng)取代反應(yīng) 烷烴分子中的氫原子被其他原子或基團(tuán)所取代的反應(yīng)，稱烷烴分子中的氫原子被其他原子或基團(tuán)所取代的反應(yīng)，稱為取代

11、反應(yīng)。為取代反應(yīng)。 （常見為鹵代）（常見為鹵代）反應(yīng)產(chǎn)物為混合物反應(yīng)產(chǎn)物為混合物, 但控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件但控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件, 可使反應(yīng)主要可使反應(yīng)主要生成一種鹵代物生成一種鹵代物. 分子中氫原子被鹵素取代的反應(yīng)分子中氫原子被鹵素取代的反應(yīng) 稱為鹵稱為鹵代反應(yīng)。代反應(yīng)。 + X2R X+ HXR H光照CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl光照或加熱光照或加熱 七、烷烴的鹵代反應(yīng)機(jī)理七、烷烴的鹵代反應(yīng)機(jī)理自由基取代反應(yīng)自由基取代反應(yīng) 反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理(反應(yīng)歷程反應(yīng)歷程): 化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的途徑或過程化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的途徑或過程. 只有了解反應(yīng)機(jī)理只有了解反應(yīng)機(jī)理, 才能認(rèn)清反應(yīng)的本質(zhì)才能認(rèn)清

12、反應(yīng)的本質(zhì), 掌握反應(yīng)的掌握反應(yīng)的規(guī)律規(guī)律, 從而達(dá)到控制和利用反應(yīng)的目的從而達(dá)到控制和利用反應(yīng)的目的.v異裂:另一種斷裂方式是成鍵的一對電子保留在一個原子上，稱為異裂。例如：C:YCY+: + -有機(jī)反應(yīng)的基本類型有機(jī)反應(yīng)的基本類型 均裂:即一個共價鍵斷裂時，組成該鍵的一對電子由成鍵的兩個原子各留一個，例如：均裂C:YCY.+CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl光照或加熱光照或加熱異裂異裂 1. 以甲烷的氯代反應(yīng)為例以甲烷的氯代反應(yīng)為例, 自由基鏈反應(yīng)包括三個階段自由基鏈反應(yīng)包括三個階段: (1) 鏈引發(fā)鏈引發(fā): Cl2 2 Cl 吸熱 (2) 鏈增長鏈增長: Cl + CH4 CH3

13、 + HCl CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl 放熱 類似地 Cl + CH3Cl CH2Cl + HCl CH2Cl + Cl2 CH2Cl2 + Cl 同理 生成 CHCl3 和 CCl4 (3) 鏈終止鏈終止: Cl + Cl Cl2 CH3 + CH3 CH3CH3 CH3 + Cl CH3Cl （4）取代反應(yīng)活性）取代反應(yīng)活性 :光或熱叔氫叔氫 仲氫仲氫 伯氫伯氫 甲烷甲烷2-2環(huán)烷烴環(huán)烷烴v主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：v 1. 一、環(huán)烷烴的分類和命名一、環(huán)烷烴的分類和命名 分子中含有碳環(huán)結(jié)構(gòu)，而性質(zhì)與脂肪烴相分子中含有碳環(huán)結(jié)構(gòu)，而性質(zhì)與脂肪烴相似的烴類，稱為脂環(huán)烴。按照碳環(huán)多少，可

14、分似的烴類，稱為脂環(huán)烴。按照碳環(huán)多少，可分為單環(huán)烷烴和多環(huán)烷烴（二環(huán)為主）。為單環(huán)烷烴和多環(huán)烷烴（二環(huán)為主）。1.單環(huán)烷烴單環(huán)烷烴 （1）分類）分類 以環(huán)為母體，名稱以環(huán)為母體，名稱用用“環(huán)環(huán)” （英文（英文用用 “cyclo”）開）開頭。頭。 環(huán)外基團(tuán)作為環(huán)上環(huán)外基團(tuán)作為環(huán)上的取代基的取代基1231234 取代基位置數(shù)字取取代基位置數(shù)字取最小最小CH3（2）命名）命名CH3HCH3HCH3HCH3HCH3HCH3HH3CCH3H3CCH3HHH3CCH3CH3H3C 順反異構(gòu)用順反異構(gòu)用“順順”或或“反反”注明基團(tuán)相對位注明基團(tuán)相對位置。置。 英文用英文用 “cis”和和“trans”表示。

15、表示。2.多環(huán)烷烴多環(huán)烷烴 螺環(huán)和橋環(huán)螺環(huán)和橋環(huán)v螺環(huán)化合物的命名規(guī)則螺環(huán)化合物的命名規(guī)則:v構(gòu)成螺環(huán)母體的兩個環(huán)的總碳數(shù)稱為構(gòu)成螺環(huán)母體的兩個環(huán)的總碳數(shù)稱為“螺螺 某烷某烷”;v 內(nèi)標(biāo)數(shù)字，用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)出大環(huán)和小環(huán)的含碳數(shù)內(nèi)標(biāo)數(shù)字，用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)出大環(huán)和小環(huán)的含碳數(shù)目目（螺原子除外），（螺原子除外），小數(shù)在前，大數(shù)在后，數(shù)字之間小數(shù)在前，大數(shù)在后，數(shù)字之間用小圓點隔開；用小圓點隔開； “螺螺 小小 大大 某烷某烷”有取代基時要編號，編號從小環(huán)中與螺原子相鄰的碳有取代基時要編號，編號從小環(huán)中與螺原子相鄰的碳開始，經(jīng)過螺原子到大環(huán)。使取代基位次最小。開始，經(jīng)過螺原子到大環(huán)。使取代基位次最小。結(jié)

16、構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：螺環(huán)化合物是兩個碳環(huán)螺環(huán)化合物是兩個碳環(huán)共用一個共用一個碳原子的化合物。碳原子的化合物。 共用的碳原子叫螺原子。共用的碳原子叫螺原子。 編號從小環(huán)開始編號從小環(huán)開始 取代基數(shù)目取小，取代基數(shù)目取小， (用用.隔開隔開)123456789101234567v結(jié)構(gòu)特點：兩個環(huán)共用兩個或兩個以上碳原子。結(jié)構(gòu)特點：兩個環(huán)共用兩個或兩個以上碳原子。v 共用的碳原子叫共用的碳原子叫橋頭碳橋頭碳。v橋環(huán)化合物的命名規(guī)則橋環(huán)化合物的命名規(guī)則:構(gòu)成橋環(huán)母體上總碳數(shù)稱構(gòu)成橋環(huán)母體上總碳數(shù)稱“二環(huán)二環(huán)【 】某烷某烷” 【 】內(nèi)標(biāo)數(shù)字，標(biāo)出橋上的碳原子數(shù)目內(nèi)標(biāo)數(shù)字，標(biāo)出橋上的碳原子數(shù)目（橋頭碳除外）

17、，（橋頭碳除外），大在前，小在后，數(shù)字之間用下角圓點隔開大在前，小在后，數(shù)字之間用下角圓點隔開;(橋上無碳用零橋上無碳用零補(bǔ)位補(bǔ)位) “二環(huán)二環(huán)【大大 小小】某烷某烷”v v 二環(huán)4.4.0癸烷 二環(huán)3.2.1辛烷16543298710v 有取代基時要編號，編號是從第一橋頭碳開始，有取代基時要編號，編號是從第一橋頭碳開始，沿最長的橋到另一個橋頭碳，再沿次長的橋回到第沿最長的橋到另一個橋頭碳，再沿次長的橋回到第一個橋頭碳，最短的橋最后編號。使取代基位次最一個橋頭碳，最短的橋最后編號。使取代基位次最小。例如：小。例如：1345826712345671234567橋橋 頭頭 碳：碳：幾個環(huán)共用的碳原

18、子，幾個環(huán)共用的碳原子，環(huán)的數(shù)目：環(huán)的數(shù)目：斷裂二根斷裂二根CC鍵可成鏈狀烷烴為二環(huán)；斷裂三根鍵可成鏈狀烷烴為二環(huán)；斷裂三根CC 鍵可成鏈狀烷烴為三環(huán)鍵可成鏈狀烷烴為三環(huán)橋頭碳原子數(shù)：橋頭碳原子數(shù)：不包括橋頭不包括橋頭C，由多到少列出，由多到少列出環(huán)的編號方法：環(huán)的編號方法：從橋頭開始，先長鏈后短鏈從橋頭開始，先長鏈后短鏈12345678910 (用用.隔開隔開)二、環(huán)烷烴的二、環(huán)烷烴的化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)v 1.開環(huán)反應(yīng)開環(huán)反應(yīng) 三元環(huán)和四元環(huán)容易與實際加三元環(huán)和四元環(huán)容易與實際加 成，成，開環(huán)而生成鏈狀化合物。開環(huán)而生成鏈狀化合物。（1）催化氫化）催化氫化 H2 / Pt, 50oCor Ni

19、, 80oCCH2CH3H2 / Pt, 50oCor Ni, 80oCCH3CHCH2CH3CH3H2 / Pt, 120oCor Ni, 200oCCH3CH2CH2CH3CH3CH2CH3213231（打開一根（打開一根 C- -C 鍵）鍵）支鏈多支鏈多較穩(wěn)定較穩(wěn)定（2）與鹵素和鹵化氫加成）與鹵素和鹵化氫加成 CH3+HBrCH3CHCH2CH3Br1,3-二溴丙烷CHCHCHBrCCH CH CHCHCHCHCHBrCHClBrBrCClCH CH CHBrBr222+22222222+22442221,4-二溴丁烷2-溴丁烷2.鹵代反應(yīng)鹵代反應(yīng)+ Br2300。CBr+HBr+ Cl

20、2紫外光Cl+HClCHCH2CH2CH3CH3CH3+HBrCH3CBrCH3CH CH2HCH3三、環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性三、環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性CCC鍵角鍵角60軌道夾角軌道夾角105. 5不等性不等性sp3雜化雜化:形成形成C-C鍵鍵sp3雜化軌道具有較多雜化軌道具有較多p成分。成分。環(huán)丙烷分子軌道圖環(huán)丙烷分子軌道圖The molecular orbital of cyclopropane蝴蝶型蝴蝶型(環(huán)丁烷環(huán)丁烷)信封型信封型扭曲型扭曲型環(huán)戊烷環(huán)戊烷從環(huán)丁烷開始，成環(huán)碳原子均不在同一平面上。從環(huán)丁烷開始，成環(huán)碳原子均不在同一平面上。 四、環(huán)己烷的構(gòu)象四、環(huán)己烷的構(gòu)象 環(huán)己烷的六個成環(huán)碳

21、原子不共平面，環(huán)己烷的六個成環(huán)碳原子不共平面，CCC鍵角為鍵角為109.5，是無張力環(huán)。，是無張力環(huán)。 環(huán)己烷有椅式和船式兩種典型構(gòu)象：環(huán)己烷有椅式和船式兩種典型構(gòu)象：椅式（優(yōu)勢）椅式（優(yōu)勢）船式（不穩(wěn)定）船式（不穩(wěn)定）船頭船頭H-H183nm240nm每個每個C都是交叉式都是交叉式排斥力最小排斥力最小HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHNewman投影式投影式a 鍵鍵 和和 e 鍵鍵eeeeee 環(huán)己烷中的碳?xì)滏I可分為兩種類型，每個環(huán)己烷中的碳?xì)滏I可分為兩種類型，每個 碳原子上有一個碳原子上有一個a鍵和一個鍵和一個e鍵，鍵， a鍵和鍵和e鍵夾鍵夾角角109 28在環(huán)中上下交替排列。在環(huán)中上下交替排列。aaaaaa12條條C-H鍵鍵6條條a鍵：與中心軸相平行，鍵：與中心軸相平行，3上上3下，下， 相鄰方向相反，相隔方向相同相鄰方向相反，相隔方向相同6條條e鍵：與鍵：與a鍵成鍵成109 28 3上上3下，相鄰方向相反，相隔方向相同下，相鄰方向相反，相隔方向相同 環(huán)己烷由一種椅式構(gòu)象翻轉(zhuǎn)為另一種