有机化学烷烃和环烷烃.ppt

第二章 烷烃和环烷烃,烃：只由碳和氢两种元素组成的化合物。,烃的主要来源：,烷烃、环烷烃均属于饱和烃，化学性质很稳定，常用作溶剂、润滑剂、眼膏及化妆品的基质。烷烃广泛存在于石油、天然气中，是人们生活中最常用的燃料。,石蜡,环已烷,汽油、柴油等,凡士林,打火机,润滑油,1、链烷烃：分子中碳与碳原子之间连接成链的烷烃称为链烷烃，也称开链烷烃或脂肪烷烃。2、环烷烃：（1）单环烷烃：（2）双环烷烃：（3）多环烷烃：,烷烃的分类：,联二环己烷,十氢化萘,螺3.4辛烷,二环2.2.1庚烷,环丙烷,正戊烷,或,联环烷烃：稠环烷烃：螺环烷烃：桥环烷烃：,本章学习要求,熟练掌握系统命名法的原则、方法；掌握烷烃、环烷烃的构象异构及其表示，以及取代烷烃和取代环己烷的优势构象；理解并掌握自由基的构型及其稳定性。熟悉烃的分类、烷烃、环烷烃的结构；理解键离解能、活化能、角张力等概念；理解构象的概念、产生原因；理解烷烃的自由基取代反应历程。了解烷烃的物理性质及其变化规律；烃的来源及其在日常生活、医学上的用途以及小环烷烃的特殊性。,第一节 烷烃,一、烷烃的结构1、碳的sp3杂化和键的形成,sp3杂化,成键,实际上，碳原子形成烷烃时，先杂化（取 sp3杂化），再以“头碰头”方式重叠形成键。,（1）甲烷（CH4）分子的结构,(s-sp3),键角为109.5,（2）乙烷（CH3CH3）分子的结构 除了H原子的s轨道电子与C原子的sp3轨道电子以“头碰头”方式重叠形成s-sp3共价键外，也存在两个C原子的sp3轨道电子之间的配对。,(s-sp3),(s-sp3),(s-sp3),(sp3-sp3),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；键的极化度小。,小结烷烃分子中所有碳原子均为sp3杂化，各原子之间以单键（键）相连；甲烷是最简单的烷烃分子，从乙烷开始，分子中除具有C-H（s-sp3型）键外，开始出现C-C（sp3-sp3型）键，键角略有变化。,键角10928，正四面体构型,由于C上所连基团不同，键角有所变化，但也接近10928。,甲烷CH4，,乙烷CH3CH3，,烷烃分子立体形状表示方法：实线-键在纸平面上；楔线-键在纸平面前；虚线-键在纸平面后。,2、碳原子的类型伯碳(1)：只与1个其他碳原子直接相连；仲碳(2)：只与2个其他碳原子直接相连；叔碳(3)：与3个其他碳原子直接相连；季碳(4)：与4个其他碳原子直接相连。,请指出以下化合物中碳原子的类型。,伯氢(1H)：伯碳上的H仲氢(2H)：仲碳上的H叔氢(3H)：叔碳上的H,不同类型的氢反应活性不一样：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,3、氢原子的类型,叔氢仲氢伯氢,二、烷烃的构造异构和命名,（一）烷烃的碳链异构构造：分子中原子间相互连接的次序和方式。构造异构：分子式相同，分子中原子相互连接的次序和方式不同而形成不同化合物的现象。碳链异构是构造异构的一种。如戊烷：,有机化合物异构现象的关系,（二）烷烃的命名1、普通命名法，适用于简单的链烃。（1）按分子中碳原子总数叫“某烷”。10C 用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 表示，10C 用十一、十二等中文数字表示。（2）用“正”、“异”、“新”等字区别异构体。,2、系统命名法直连烷烃的系统命名法与普通命名法相同，只是省去“正”字：支链烷烃可看作直连烷烃的烷基取代衍生物。系统命名时,主要是确定主链以及烃基取代的位次、数目和名称。,2,4-二甲基庚烷,取代基的位次,取代基的数目,取代基的名称,以主链形式的主体名称,烃基及其命名烃分子中去掉一个氢原子后剩下的原子团叫做烃基。用“R-”表示；烃基的名称由相应的烃名而来，把相应烷烃的“烷”字改为“基”字。注意烃基碳的类型！,甲烷,乙烷,丙烷,异丁烷,甲基,乙基,叔丁基,丙基,异丙基,烷烃系统命名法要点：（1）选主链：取最长碳链为主链，支链作取代基，确定母体名为某烷。（2）编号：从靠近取代基的一端开始编号；编号尽量使较小取代基的位次较小。（3）命名：取代基先小后大（次序规则）。,2,4-二甲基庚烷,取代基的位次,取代基的数目,取代基的名称,以主链形式的主体名称,1,2,3,4,5,6,7,书写注意：（1）相同取代基数目用汉文数字表示；（2）取代基位置用阿拉伯数字表示；（3）阿拉伯数字与汉字之间用短横线分开；（4）阿拉伯数字之间必须用逗号分开。,2,4-二甲基庚烷,取代基的位次,取代基的数目,取代基的名称,以主链形式的主体名称,1,2,3,4,5,6,7,a)选 主 链 碳链最长原则,2,5,7-三甲基壬烷,1,2,3,4,5,6,7,8,9,b)若长度相等，则以支链最多的为主链。,2,5-二甲基-3,4-二乙基已烷,c)若支链数相同，则选支链具有最低位次的链。,1,2,3,4,5,6,7,d)复杂支链的烷烃命名后，需要加括号。,2,5-二甲基-4-(1-甲基丙基)庚烷3,5-二甲基-4-异丁基庚烷,3,3-二甲基-4-乙基-5-(1,2-二甲基丙基)壬烷,e)主链上连有不同取代基，结合次序规则命名。,基团优先次序规则：与母体直接相连的原子，序数大者为优先；与母体直接相连原子相同，比较其所连其它原子的序数，序数大的为优先；以双、叁键相连的原子，可视为与两个或叁个相同的原子相连。,I Br Cl F O N C H,异丙基,甲基,丙基,乙基,主要烷基的优先顺序：异丙基丙基乙基甲基,3-甲基-3-乙基-5-丙基-4-异丙基辛烷,优先基团简在前！,课堂练习：写出化合物的名称，并指出各碳原子的类型。,2,4-二甲基-3-乙基戊烷,2,2,4,4-四甲基戊烷,三、烷烃的构象异构,构像：因单键旋转而使分子中原子或基团在空间产生不同的排列形象。构像异构：因构象不同而产生的异构现象。（一）乙烷的构象,两种典型构象,构象的表示方法：锯架式和纽曼投影式锯架式：从分子模型的侧面观察；立体的表达式；纽曼投影式：沿着C-C键轴观察；平面的表达方式。,从C-C单键的延长线上观察；固定“前”碳，旋转“后”碳，得到各种构象。,“前”碳,“后”碳,乙烷分子重叠式构象,乙烷分子交叉式构象,Newman投影式？,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。,乙烷构象的能量变化曲线与优势构象,室温下，构象异构体处于迅速转化的动态平衡中，不能分离。,乙烷的交叉式内能最低，最为稳定。这种构象称为优势构象。,乙烷分子主要以优势构象体（交叉式）存在。,（二）正丁烷的构象,转绕C2-C3之间键旋转时，有4种典型的构象异构体：正丁烷各种构象在室温下可迅速转化；对位交叉式为优势构象，约占70%，邻位交叉式约占30%，其他构象所占比例极小。,旋转轴,（二）正丁烷的构象,对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式,正丁烷分子构象的能量曲线,（三）高碳数正烷烃的构象,当正烷烃碳原子数增加时，尽管构象也随之更复杂，但仍主要以对位交叉式构象状态存在。所以直链烷烃绝大多数是锯齿形的。高碳数正构烷烃的优势构象：相邻碳的结构均为对位交叉。,四、烷烃的物理性质（自学）,熔点：直链烷烃m.p.随碳原子数增加而升高；沸点：正烷烃的b.p.随碳原子数增加而呈现规律性的升高；密度：随碳原子数增多而增大，在0.8gcm-3左右趋于稳定，是密度最小的一类有机化合物；溶解度：非极性或弱极性化合物，易溶于非极性或极性较小的苯、氯仿、乙醚等有机溶剂。,五、烷烃的化学性质,（一）稳定性表现：室温下，一般不与强氧化剂、强还原剂、强酸、强碱等起反应；但在一定条件下，可氧化、卤化、裂解等。原因：烷烃分子中只有的C-C键和C-H键；键电子云分布均匀，不易极化，不易断裂。,（二）卤代反应有机化合物分子中的氢原子（或其它原子）被另一原子或基团取代的反应称为取代反应。被卤原子取代的反应叫卤代反应。1、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。,旧键断裂,新键生成,一氯甲烷,（二）卤代反应2、卤代反应的反应机制反应机制（反应历程）：化学反应所经历的途径或过程，是根据实验事实，对反应做出的详细描述和理论解释。研究反应机理的目的是认清反应本质，掌握反应规律，从而达到控制和利用反应的目的。烷烃的卤代反应机理是自由基取代机理。,以甲烷的氯代反应为例，有如下反应事实：（1）在室温、黑暗中不反应；加热或光照下进行，一经开始便可自动进行；（2）产物中有少量乙烷；（3）如有氧或有一些能捕捉自由基的杂质存在，会推迟反应的进行。以上实验事实，说明该反应是为自由基反应!自由基反应大多可被光照、高温、过氧化物所催化，一般在气相或非极性溶剂中进行。,自由基概念：带有孤电子的原子或原子团称为自由基结构特点：三种可能结构（1）刚性角锥体，（2）迅速翻转的角锥体，（3）平面型。自由基非常活泼，具有很强的反应活性。,（稳定性顺序）,自由基碳自由基：含有孤电子碳的体系。稳定性顺序：321 CH3,3碳自由基,2碳自由基,1碳自由基,烷烃卤代反应的自由基的反应历程共分 3步：（1）链引发：氯分子在光照或高温下裂解（均裂），产生氯自由基；（2）链增长：,产生甲基自由基,新的氯自由基,氯甲基自由基,烷烃卤代反应的自由基的反应历程共分 3步：（3）链终止：自由基之间碰撞，消除自由基，形成稳定分子，反应终止。,链终止,在自由基链反应中，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。甲烷的溴代及其它烷烃的卤代反应机制与氯代相似。,（二）卤代反应3、卤代反应的取向含有不同类型氢的烷烃氯代时，可得到多种氯代烃异构体的混合物，产物比例相关不大。CH3CH2CH3+Cl2 CH3CH2CH2Cl+CH3CHClCH3溴的活泼性较小，选择性较强。CH3CH2CH3+Br2 CH3CH2CH2Br+CH3CHBrCH3卤代反应活性：叔氢仲氢伯氢;F2 Cl2 Br2 I2,hv,（45%）,（55%）,hv,（3%）,（97%）,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：脂环烃性质似脂肪烃，芳香烃性质似苯。,第二节 环烷烃,脂环烃,芳香烃,十氢化萘,蓝烷,一、环烷烃的命名,1、单脂环烃：在相应的烃名前加“环”字；环上有取代时，应使环上取代在的位次最小；,环丙烷,环丁烷,环戊烷,环己烷,一、环烷烃的命名,当环上有复杂取代时，可将环作为取代基；,2-甲基-1-环丙基-5-环戊基戊烷,1,4-二环丙基丁烷,1-环丁基丁烷,一、环烷烃的命名,当成环的两个碳原子各连上一个取代基，可产生顺反异构（立体异构）。两个取代基位于环平面同侧顺式异构体两个取代基位于环平面异侧反式异构体,二、环烷烃的结构与稳定性,饱和碳原子之间都是以sp3杂化轨道成键，轨道重叠程度越大，分子越稳定；,开链或较大脂环化合物中轨道可达到最大重叠,环丙烷分子中轨道部分重叠,香蕉键,二、环烷烃的结构与稳定性,脂环烃的稳定性顺序（由小到大）：三元环四元环五元环六元环及以上对于环丙烷等小环烷烃，由于分子不稳定，容易发生开环加成反应（加氢，加卤素等）。,三、环烷烃的性质,（一）物理性质（自学）。（二）化学性质：1、小环烷烃（三元环、四元环）开环加成（1）催化加氢,三、环烷烃的性质,（2）加卤素（3）加卤化氢,氢碘酸也能在常温下与环丙烷及其衍生物进行加成。,三、环烷烃的性质,注意：当环上有取代基时，环的开裂总是在含氢最多和最少的碳原子间进行，氢加到含氢多的碳原子上。2、五元环、六元环等较大环的自由基取代反应,马氏规则,四、环烷烃的构象,环烷烃分子中，除了环丙烷以外，其它环烷烃的碳原子都不在同一平面上。（一）环戊烷的构象,通常四个C处在同一平面上，另一个C离开平面，时而在上，时而在下，呈动态平衡；离开平面C上的H与相邻C上的H呈交叉式为优势构象。,典型构象船式和椅式,透视式,棒球模型,（二）环已烷的构象,（二）环已烷的构象,环己烷的椅式构象和船式构象可以通过分子中CC 键的扭转互相转化。,椅式,半椅式,椅式,半椅式,扭船式,船式,（二）环已烷的构象,椅式构象的环乙烷是一种广泛存在于自然界的稳定性高的优势构象；室温下椅式构象环已烷占99%以上。,183pm,230pm,典型构象的稳定性分析,优势构象,（二）环已烷的构象,椅式构象中，与对称轴平行的6条CH键，用a键（竖键或直立键）表示。与对称轴几乎垂直的6条CH键，用e键（横键或平伏键）表示。,椅式构象的横键与竖键,C1C3C5的键竖直向上；C2C4C6的键垂直向下。,对称轴,C1C3C5的键下翘；C2C4C6的键上翘。,（二）环已烷的构象,环上的每个碳原子各有1条a键和1条e键，a键和e键之间可以相互转化。翻环前后，a键变e键，e键变a键。,椅式构象的横键与竖键,翻环,a,e,e,a,五、取代环乙烷的构象分析,（一）一取代环已烷的构象分析处于e键碳上的取代甲基与环中C3和C5位上的竖键H距离较远，相互间排斥力较小，较稳定；取代基在e键上的构象比在a键上稳定，是优势构象。,C,H,3,H,H,H,H,H,H,2,1,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,C,H,3,优势构象,（二）二取代环已烷的构象分析,当环乙烷分子中两上C上的H被其他原子或基团取代时，存在顺反异构体：,e键取代基最多的构象是优势构象；反式异构体比顺式异构体稍稳定。,（三）小结,带有相同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那么在两个构象异构体之间，总是有e键取代基较多的构象为优势构象。带有不同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那到其优势构象总是趋向于使作用最强的和较强的基团尽可能多地处于e键。,环烷烃构象分析总结：1.环己烷的椅式构象为最稳定的构象；2.多取代环己烷的优势构象是e 键取代基最多的构象;3.有不同取代基时，较大取代基团处于e 键的构象为优势构象。,课堂练习：指出下列构象异构体中哪一个是优势构象。,提示：较大的基团处于e键的构象相对稳定。,课堂练习：写出下列化合物的优势构象。,