脂肪（环）烃的结构同分异构和命名课件.ppt

第2章 脂肪(环)烃的结构、同分异构和命名 目录 2.1 烃的分类 2.4 脂肪（环）烃的命名 2.4.1 烷烃的命名 2.4.2 烯烃的命名 2.2 脂肪烃的结构 2.4.3 炔烃的命名 2.2.1 碳原子的杂化轨道 2.4.4 脂环烃的分类和命名 2.2.2 烷烃、烯烃、炔烃的结构 2.2.3 二烯烃的结构 2.2.4 烷烃和环烷烃的构象 2.3 脂肪烃的同分异构 2.3.1 构造异构现象 2.3.2 顺反异构现象,,,,判断下列碳原子的杂化态,2.1 烃的分类,按照分子中碳原子连接方式不同，烃可以按如下分类：,,,,,,,共价键按照原子轨道重叠方式，可分为：,s键,p键,,,,“头碰头”,“肩并肩”,,,,,,sp3杂化轨道的形状见图 (a)，它相当于1/4的s成分和3/4的p成分为了使成键电子之间的斥力最小，最稳定，四个sp3杂化轨道在空间的取向是以碳原子为中心，四个轨道分别指正四面体的四个顶点，其对称轴之间互成109.5，使sp3杂化轨道有方向性。

碳原子sp3杂化轨道的构型见图 (b)a) sp3杂化轨道的形状,(b) 碳原子轨道的sp3杂化,1 .sp3杂化,,2.2.1 碳原子的杂化轨道,,2.2 脂肪烃的结构,,,,,,（a）sp2杂化轨道的形状,(b) sp2杂化轨道与p轨道的关系,2 .sp2杂化,三个sp2杂化轨道的对称轴分布在同一平面上，并以碳原子为中心，分别指向 三角形的三个顶点对称轴之间的夹角为120sp2杂化轨道的形状与sp3杂化轨道相似，也是一头大一头小，见图（a）sp2杂化轨道的形状以及与p轨道的关系 见图（b）sp杂化轨道的形状与sp3和sp2杂化轨道相似，也是一头大一头小每个sp杂 化轨道相当于1/2 s成分和1/2 p成分，s成分在sp3、sp2及sp三种杂化轨道中sp杂化是最多的 sp杂化轨道的形状及与p轨道的关系见图 :,3.sp杂化,2.2.2 烷烃、烯烃、炔烃的结构,1. 烷烃的结构 (1)甲烷和乙烷的形成 甲烷分子中的碳原子以sp3杂化轨道成键，分别沿对称轴方向与4个氢原子的1s 轨道相互交盖形成四个相等的碳氢键，即为甲烷分子. 为了帮助了解分子的立体形象，可以使用分子模型常使用的有凯库勒球棒模型 (左)和斯陶特比例模型(右) 。

凯库勒模型,斯陶特模型,乙烷分子中碳原子也是以sp3杂化，两个碳原子各以1个sp3杂化轨道沿着对称轴 方向重叠形成CC 键（键长0.154nm），所有的碳氢键都是以sp3杂化轨道沿 着对称轴方向氢分子1s轨道重叠形成的，乙烷分子的构型见图: 由于sp3杂化轨道的构型为正四面体，轨道对称轴夹角为109.5，这就决定了 碳链不可能是直线形的例如，正戊烷的碳链可以表示如下：,,,,,(2)烷烃分子立体构型的表示方法： 烷烃分子是四面体构型，具有三维立体形状，常见的表示方法有以下几种： 锯架透视式、楔形透视式、纽曼（Newman）投影式和费歇尔(Fischer）投影式实线-键在纸平面上; 楔线-键在纸平面前; 虚线-键在纸平面后楔形式,球棒模型,斯陶特模型,锯架透视式(沿分子侧面看得到 )：所有键均用实线,纽曼（Newman）投影式(沿C-C看得到)表示法：,前面的碳原子：,后面的碳原子：,2 . 烯烃的结构 乙烯的键长和键角分别为： (1) 乙烯的形成 当两个碳原子结合成乙烯时，彼此各用一个sp2杂化轨道互相重叠形成CC 键，两个碳原子又各以两个sp2杂化轨道与两个氢原子的1s轨道形成两个CH 键，乙烯分子的键见图。

图2-11 乙烯分子中的键,乙烯分子结构见下图键的电子云分布在键所在平面的上方和下方 碳碳键的形成也可以用分子轨道法来解释 键分子轨道能级图见下图：,,,,,(2)键的特征 由于键是由两个p轨道侧面平行重叠形成的，所以重叠程度不如键大，键 不如键稳定，比较容易破裂；以双键相连的两原子不能自由旋转，如果旋转，两 个p轨道就不能平行，键就会被破坏；由于键的电子云是分散在键所在平面 的上方和下方，所以原子核对电子束缚力较小，即电子流动性较大，容易受外 来试剂的影响，电子云容易发生极化，化学活性比键大得多3. 炔烃的结构 乙炔是炔烃中最简单的分子，其分子式为C2H2，构造式为HCCH乙炔的键 长和键角如下： 乙炔分子的键形成见图每个碳原子上还剩下两个未参与杂化的p轨道，且彼此相互垂直，两个碳原子分 别以两个p轨道两两相互侧面平行重叠，形成两个互相垂直的键乙炔的键形 成见图 乙炔的两个键并不是彼此孤立的，由于两个键相互垂直电子云对称分布 在CC键键轴周围，形成类似圆柱形状的电子云，见图: 乙炔分子可以用球棒模型（见左）和比例模型（见右）表示:,,,,2.2.3 二烯烃的结构,(1)孤立二烯烃：两个双键被两个或两个以上单键隔开的二烯烃，结构通式为：,,,,,,,例如： （1，4-戊二烯）。

2)累积二烯烃：两个双键连接在同一碳原子上的二烯烃，结构通式为：,(3)共轭二烯烃：两个双键被一个单键隔开的二烯烃，结构通式为,,,,,,,例如：,,,1. 累积二烯烃的结构 丙二烯是最简单的累积二烯烃其结构见图 2. 共轭二烯烃的结构 现代物理实验方法测定结果表明，1,3-丁二烯分子中4个碳原子和6个氢原子均在 同一平面上其键长和键角如下： 1,3-丁二烯的键和键见图分子轨道理论认为，1,3-丁二烯的4个p原子轨道可以线性组合成4个分子轨道， 其中2个成键轨道（1和2），2个反键轨道（3和4），见图：,,,,,2.2.4 烷烃和环烷烃的构象 构造式:表示有机分子原子间的连接次序和方式, 如电子式, 凯库勒式, 构造简式, P2页. 构型式或构象式:表示有机分子中各原子在空间的排列状态构象构造一定的分子，通过单键的旋转而引起的 分子之中各原子在空间的不同排布称为构象构型与构象的区别：构型由键长与键角确定，分子的构型固定不变 如甲烷为正四面体型 而构象由C-C单键旋转而产生的而乙烷分子没有固定的形状，所以用构象描述 一个分子常有无数种构象 所以甲烷没有构象，乙烷没有构型。

一、 乙烷的构象,,有两种极端构象：重叠式， 交叉式,理论上讲，乙烷分子中碳碳单键的自由旋转可以产生无数种构象 （用模型操作示意）， 但极限构象只有两种，即交叉式和重叠式1、构象的表示方法： 纽曼式（Newman） 楔形式， 锯架式，,,,2、构象的稳定性,分析乙烷两个极端构象,排斥力最大 排斥力最小 内能高 内能低,非键连相互作用力：不直接相连的原子间的作用力构象的稳定性与内能有关内能低,稳定；内能高,不稳定 内能最低的构象称优势构象其它构象的内能介于这两者之间交叉式构象为乙烷的优势构象,原因：,重叠式比交叉式的能垒（扭转能）高12.5KJ/mol 单键旋转的能垒一般为12-42KL/mol，在室温时，乙烷分之中的C-C键能迅速的旋转，构象异构体处于迅速转化的动态平衡中因此不能分离出乙烷的某一构象在低温时，交叉式增加如乙烷在-170时，基本上是交叉式),原子间的斥力小，能量最低由交叉式转变为重叠式需要吸收12.5 kJmol-1的能量，相反，由重叠式转变为 交叉式时要放出12.5 kJmol-1的能量，这种关系可以用能量曲线图表示，见图:,,,,,(2) 正丁烷的构象 其典型构象有如下四种：,绕C-2和C-3之间的键旋转，形成的四种典型构象。

对位交叉式 邻位交叉式 全重叠式 部分重叠式,构象稳定性： 对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式,室温下，正丁烷构象异构体处于迅速转化的动态平衡中， 不能分离最稳定的对位交叉构象是优势构象返回,从下图可以看到，正丁烷的对位交叉式的能量最低，为正丁烷的优势构象； 其次是邻位交叉式能量最高的是全重叠式练习：写出正戊烷优势构象的纽曼投影式、锲形透视式、 锯架透视式2. 环烷烃的构象和稳定性 (1)环烷烃的稳定性 和其他有机化合物一样环烷烃的稳定性，也可以通过精确测量分子的燃烧热来 判断为了比较环烷烃的相对稳定性，用燃烧热除以CH2数目，结果是单位CH2的 燃烧热，通过比较环烷烃中每个亚甲基的相对稳定性来比较环烷烃的相对稳定性， 常见环烷烃的每个亚甲基的燃烧热及总张力能见表 由表可以看出，从环丙烷到环己烷，随着环的增大，每个CH2的燃烧热值依次 降低，表明环的稳定性依次升高环丙烷和环丁烷不稳定，环戊烷和环己烷较稳定， 其中环己烷最稳定稳定性的不同，说明碳数不同的环烷烃的结构存在差异环丙烷分子中碳原子也是以sp3 杂化，为了使三个碳原子同处于一个平面上， 其键角就无法维持在109.5，而且成键的两个碳原子的sp3杂化轨道对称轴不可 能在同一直线上，而是弯曲方向重叠，因此重叠程度较少，键的稳定性就差。

见图: 环丁烷分子也存在着角张力，但比环丙烷小一些例如，环丁烷是蝴蝶型结构， 环戊烷有信封型结构2）环己烷的构象,在环己烷分子中，六个碳原子不在同一平面内，碳碳键之间的夹角可以保持109.5因此环很稳定1两种极限构象椅式和船式,稳定性：椅式构象环己烷 船式构象环己烷,一.环己烷的构象,椅式构象稳定的原因：,船式构象不稳定的原因：,2平伏键（e键）与直立键（a键）,在椅式构象中C-H键分为两类第一类六个C-H键与分子的对称轴平行，叫做直立键或a键（其中三个向环平面上方伸展，另外三个相反，向环平面下方伸展）；第二类六个C-H键与直立键形成接近109.5的夹角，平伏着相环外伸展，叫做平伏键或e键如下图：,在室温时，环己烷的椅式构象可通过C-C键的转动（而不经过碳碳键的断裂），由一种椅式构象变为另一种椅式构象，在互相转变中，原来的a键变成了e键，而原来的e键变成了a键但上、下关系没变当六个碳原子上连的都是氢时，两种构象是同一构象连有不同基团时，则构象不同3、环己烷的椅式构象的翻转,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,a键变e键，e键变a键，上下关系不变,椅式构象的画法:,问题：写出二个甲基取代的环己烷的异构体。

3)取代环己烷的构象 1）一元取代环己烷的构象 一元取代环己烷中，取代基可占据a键，也可占据e键，但占据e键的构象更稳定例如：,,原因：a键取代基结构中的非键原子间斥力比e键取代基的大（因非键原子间的距离小于正常原子键的距离所致）从下图中原子在空间的距离数据可清楚看出取代基越大e键型构象为主的趋势越明显1，2-二取代,最稳定的构象是e键上取代基最多的构象,2）二元取代环己烷的构象,1，3-二取代,其他 二元、三元等取代环己烷的稳定构象，可用上述同样方法得知小结： 1环己烷有两种极限构象（椅式和船式），椅式为优势构象 2一元取代基主要以e键和环相连 3多元取代环己烷最稳定的构象是e键上取代基最多的构象 4环上有不同取代基时，大的取代基在e键上构象最稳定讨论,1. 指出下列构象异构体中哪一个是优势构象例2：顺-1-甲基-2-乙基环己烷，也可以有以下两种构象： （4）十氢化萘的构象 十氢化萘现已分离出两种异构体，一种是顺十氢化萘，另一种是反十氢化萘：,,,,,,经过进一步用X射线衍射法研究证明，顺式和反式异构体都是由两个椅式构象 稠合的，若把一个六元环看成是首、尾相连的两个取代基，不难看出反式十氢化萘 为e、e键型，顺式十氢化萘为e、a键型。