《有机化学》课件￥02烷烃和环烷烃.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,第二章,中国医科大学化学教研室 夏阳,Alkane and Cycloalkane,烷烃和环烷烃,,,,,烃,脂肪烃,脂环烃,芳香烃,饱和烃,不饱和烃,——,,烷烃,烯烃,炔烃,苯型芳香烃,非苯型芳香烃,,仅由碳和氢两种元素组成的有机化合物称为,烃,烃可分为：,,,链烃,环烃,烷 烃,第一节,一、烷烃的结构,(,一,),烷烃的结构,,,烷烃（,alkane,）,是指分子中的碳原子以单键相连，其余的价键都与氢完全结合而成的化合物甲烷分子：碳,sp,3,杂化，四个,C-Hσ,键呈正四面体构型，键角,109,º,28,′,C-H,键长为,110pm,乙烷,(CH,3,-CH,3,),分子中的两碳原子各出一个,sp,3,杂化轨道而重叠形成,C-Cσ,键，键长,154pm,，各碳余下的,sp,3,杂化轨道与氢的,1s,轨道相重叠形成,C-H,σ,键C,C,H,H,H,H,H,H,,甲烷的分子为正四面体的构型，随着碳链的增长，,高级烷烃是呈锯齿状,二,),分子通式和同系列,烷烃的分子通式为,C,n,H,2n+2,。

凡是具有同一分子通式和相同结构特征的一系列化合物称为,同系列,（,homologous series,）同系列中的化合物互称,同系物,（,homolog,）相邻两同系物之间的组成差别称,同系差,同系物具有相似的化学性质，物理性质也随着碳链的增长而表现出有规律的变化三,),饱和碳原子的类型,,碳链中碳原子按照与它直接相连的其它碳原子的个数不同而分为四种类型如：,,碳原子类型,伯碳,(1,o,),：,只与,1,个其它碳原子直接相连,仲碳,(2,o,),：,只与,2,个其它碳原子直接相连,叔碳,(3,o,),：,只与,3,个其它碳原子直接相连,季碳,(4,o,),：,只与,4,个其它碳原子直接相连,C,H,3,C,H,2,C,H,C,C,H,3,C,H,3,C,H,3,C,H,3,1,o,2,o,3,o,4,o,,氢原子类型,伯氢,(1,o,),：伯碳上的氢原子,仲氢,(2,o,),：仲碳上的氢原子,叔氢,(3,o,),：叔碳上的氢原子,二、烷烃的命名法,烷烃的命名方法有两种：,,普通命名法和系统命名法,命名法,普通命名法,系统命名法,俗名,,普通命名法仅适合简单的烷烃,它的命名方法是,1~10,以内的碳原子数用天干：“,甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸”,表示。

从十一个碳原子开始用中文,小写,数字表示称为,正某烷,，“正”（,n-,）字一般略去如：,,,CH,3,CH,2,CH,3,,丙烷,,,CH,3,(CH,2,),10,CH,3,,十二烷,(,一,),普通命名法,(common nomenclature),,烷烃的英文名称：表示碳原子数的词头,+ane,词尾组成如：,Methane,（甲烷）,,Ethane,（乙烷）,,Propane,（丙烷）,,Butane,（丁烷）,C,H,3,C,H,C,H,3,C,H,3,C,H,3,C,H,C,H,3,C,H,2,C,H,3,如带有支链时，两种情况可用“异”（,iso-,）、“新”（,neo-,）字表示含有 端基，而别无其它支链的烷,,烃，则按碳原子总数称“异某烷”异丁烷,(isobutane),异戊烷,,(isopentane),C,H,3,C,C,H,3,C,H,3,C,H,3,C,H,3,C,C,H,3,C,H,3,C,H,2,C,H,3,,含有 端基，而别无其它支,,,链的烷烃，则称“新某烷”新戊烷,(neopentane),新己烷,(neohexane),,烃基：,烃分子中去掉一个氢原子所剩下的原子团称为烃基。

脂肪烃去掉一个氢原子所剩下的部分叫,脂肪烃基,，通常用“,R-”,表示芳香烃去掉一个氢原子后所剩下的基团叫,芳香烃基,，用,Ar-,表示烷基：,烷烃去掉一个氢所剩下的原子团称为烷基二,),烃基的命名,甲基,(Me),乙基,(Et),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),,烷烃同一碳原子上去掉二个氢原子或三个氢原子后，分别称为,亚基,、,次基,，如：,,亚甲基 亚乙基 次甲基 次乙基,(,三,),系统命名,(IUPAC,命名法,),,系统命法是根据国际纯粹和应用化学联合会,(,I,nternational,U,nion of,P,ure and,A,pplied,C,hemistry),命名原则，并结合我国的文字特点而制定的直链烷烃,的系统命名法与普通命名法相似支链烷烃,命名原则,:,,1,、选主链,,,2,、编号,,,3,、命名,烷烃系统命名法的要点是：,1,、选主链,最长的；,,连续不断的；,,取代基最多的根据主链碳原子个数称做“某烷”。

2,、编号,从靠近取代基的一端开始；,,两端同时遇到,取代基,，从小的一端开始；,(,只有两个取代基,),,两端同时遇到取代基，看第三个取代基含有两个以上取代基,),,例如：,6 5 4 3 2 1,6 5 4 3 2 1,在等距离处遇到取代基，则比较第二个取代基的位置从最先遇到取代基的一侧开始编号,10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,3,、命名,n — m s p,取代基的位次,取代基的数目,取代基的名称,主链化合物名称,相同的取代基合并,,2,4-,二甲基已烷,（最长，编号方向──最低位次先决权，哪头先遇到取代基就从哪头开始编号相同的取代基合并）,2,3,5-,三甲基已烷,三、烷烃的同分异构现象,,同分异构现象,(isomerism),是指分子式同，分子中各原子的排列次序或空间位置不同，性质也不同而产生一些不同化合物的现象。

有机化合物的同分异构现象可概括为：,异构现象,构造异构,立体异构,碳链异构,位置异构,官能团异构,互变异构,构型异构,构象异构,顺反异构,对映异构,,由于碳链的连接次序不同而产生的异构现象称为碳链异构正戊烷,异戊烷,新戊烷,（一）烷烃的碳链异构,(carbon-chain isomerism),（二）烷烃的构象异构,(conformational isomerism),,单键旋转而使分子中原子或原子团在空间产生不同的排列的状态称为构象因构象不同而产生的异构现象称为构象异构重叠式,交叉式,1,、乙烷的两种典型构象式： 重叠式和交叉式,构象的表示方法：,,锯架式,(sawhorse formula),：,,重叠式,,H,H,H,H,H,H,,H,H,H,H,H,H,交叉式,纽曼,(Newman),投影式：,,在交叉式中，两个碳原子上的氢原子间的距离最远，相互之间的作用力最小，内能最低，这种构象叫优势构象（或稳定构象）H,H,H,H,H,H,,在重叠式中，两个碳上的氢两两相对，距离最近，相互作用力最大，因而内能最高，是不稳定的构象交叉式和重叠式是乙烷的两种典型构象，其它构象介于这两种构象之间。

交叉式和重叠式是乙烷的两种典型构象，其它构象介于这两种构象之间C,H,3,H,H,H,,C,H,3,H,,,C,H,3,,C,H,3,H,H,H,H,,,C,H,3,H,H,H,H,,C,H,3,H,C,H,3,,,C,H,3,H,H,H,H,2,、丁烷的构象,丁烷的四种典型构象：,,对位交叉式 部分重叠式 邻位交叉式 全重叠式,四种典型构象的稳定性次序：,,对位交叉式,>,邻位交叉式,>,部分重叠式,>,全重叠式,四、烷烃的化学性质,,烷烃的化学性质很,稳定,，即在常温常压下与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂等试剂都不发生反应但在一定条件下也能发生某些反应，如：取代反应一）烷烃的卤代反应,,,取代反应,(substitution reaction),：有机化合物中氢原子（或其它原子或原子团）被另一原子或原子团取代的化学反应称取代反应卤代反应,(halogenation),即有机化合物中氢原子被卤素取代通常指氯代和溴代CH,4,Cl,2,紫,外,光,,CH,3,Cl,,CH,2,Cl,2,,CHCl,3,CCl,4,（二）烷烃的卤代反应机理,,,反应机理：对某个化学反应逐步变化过程的详细描述。

烷烃的卤代反应机理：是自由基的链反应,(free-radical chain reaction),，它的历程分三步进行：,,,链的引发；,,链的增长；,,链的终止C,l,2,光或热,2,,C,l,1,、链的引发,C,H,4,+,,C,l,+,H,C,l,C,H,3,,C,H,2,C,l,,+,C,l,2,C,H,2,C,l,2,,C,l,+,C,H,2,C,l,2,,C,l,+,C,H,C,l,2,,H,C,l,+,C,H,C,l,2,,+,C,l,2,C,H,C,l,3,,C,l,+,C,H,C,l,3,,C,l,+,C,C,l,3,,H,C,l,+,C,C,l,3,,+,C,l,2,C,C,l,4,,C,l,+,2,、　链的增长：,C,H,3,,+,,C,l,+,C,l,2,C,H,3,C,l,,C,l,+,C,H,3,C,l,C,H,2,C,l,,H,C,l,+,,C,l,+,,C,l,C,l,2,C,H,3,,+,,C,l,C,H,3,C,l,C,H,3,,+,C,H,3,,C,H,3,C,H,3,3,、链的终止,,其它烷烃的卤代反应也是游离基反应过程但不同的氢被卤代的难易是不一样的，它们的次序是（易到难）：,,叔氢,>,仲氢,>,伯氢,,另外，不同碳所生成的自由基稳定性次序为（易到难）：,,,3,o,> 2,o,> 1,o,> ·CH,3,第二节,环 烷 烃,,,,一、脂环烃的分类和命名,1,、分类,脂环烃,单环脂烃,多环脂烃,大环,12,个碳以上,中环,5,～,12,个碳,小环,3,～,4,个碳,螺环,桥环,稠环,（,1,）根据环数分,,环烷烃,环烯烃,环炔烃,（,2,）根据饱和与不饱和程度分,脂环烃,2,、命名,,（,1,）单环脂烃的命名,,环烃的命名只是在相应的烷烃或烯烃之前加环字。

英文命名则加词头,cyclo,环丙烷 （,cyclopropane,）,环戊烯,(cyclopentene),,环烷烃上若有取代基时，使取代基位次最小，有多个烷烃取代基时，以较小的数字表示较小取代基的位次1-,甲基,-2-,乙基环戊烷,4-,甲基环已烯,在环烯烃中以双键的位次最小,H,3,C,（,2,）螺环烃,(spiro hydrocarbon),命名,,两个碳环共用一个碳原子的环烃称螺环烃,,其中共用的碳原子称为螺原子1,2,3,4,5,6,7,,螺环烃的命名是根据螺环上碳原子的总数称为,螺某烷,，然后按先小环后大环原则（不包括螺原子），用方括号标出各环的碳原子数目（阿拉伯数之间用下角圆点隔开）编号从靠近螺原子的小环碳开始，先从小环螺原子，然后经过螺原子编大环，如有取代基，在不违反上述原则的情况下，使取代基的位号最小①,两环共用的一个碳原子为螺原子；,,②命名：从小环到大环标记螺环；,,③编号：靠近螺原子从小环到大环依次编号CH,3,,,螺,[2.4],庚烷,2-,甲基螺,[4.5]-6-,癸烯,spiro[2.4]heptane,,2-methylspiro[4.5]-6-decane,,（,3,）桥环烃,(bridged hydrocarbon),命名,,两个碳环共用两个或两个以上碳原子的环烃称桥环烃。

其中桥碳链的交汇点原子称为桥头碳原子，,桥头碳之间的碳链称桥路,桥环烃命名时按成环的碳数称为,二环某烷（或双环某烷）,，然后按先大后小原则（不包括桥头碳原子）用方括号标出各桥路的碳原子数目（阿拉伯数之间用下角圆点隔开）编号从一个桥头碳开始，先从最长的桥路编到第二个桥头碳原子，然后编次长的桥路，回到原来的起点桥头碳原子，最后编最短的桥路二环,[3.2.1],辛烷,二环,[2.2.2]-2-,辛烯,①,两桥交会的两个碳原子为桥头碳原子；,,②命名：从大到小标记桥路；,,③编号：从一个桥头碳开始由大环到小环依次编号bicyclo[3.1.0]hexane,,bicyclo[2.2.1]heptane,,有些桥环烃的命名常用习惯名：,,环烷烃的稳定性及其解释：,,1,、张力学说：,,为解释三、四元环不稳定，而五、六元环稳定的原因，提出了张力学说，它的基本点是：,,（,1,）按照碳原子的正四面体模型，碳碳键之间的夹角为,109,º,28',2,）假设碳原子成环后，原子都处于一个平面上二、环烷烃的结构与稳定性,,环丙烷,——,三角形，键间夹角为,60,º,，键向内偏转,24,º,44',环丁烷,——,四边形，键间夹角为,90,º,，键向内转,9,º,44',。

五元环,——,五边形，键间夹角为,108,º,，接近,109,º,28',22 44',0,22 44',0,0,9,,4,4,',0,9,,4,4,',,键角的偏转使分子内产生了角张力，偏转角度越大，张力越大分子越不稳定结论,：三、四元环为张力环，而五、六元环为无张力环， 故三、四元环不稳定，而五、六元环稳定张力学说虽然能成功解释一些现象但它假设成环的原子都在同一平面与事实不符，因此存在局限性2,、现代理论解释：,,在所有的环烷烃分子中，碳采取,sp,3,杂化，键角都接近,109,º,28 ',在环丙烷分子中，成键的电子云并不沿轴向重叠，而是形成了一种,弯曲键,，称,香蕉键,由于几何形状上的限制，键角与轨道的正常夹角有偏差，造成重叠程度小，键能下降，产生角张力四元以上的脂环烃的碳原子皆不在同一平面上，故成键电子云重叠程度大，环较稳定环丙烷分子中轨道部分重叠开链或大环化合物中轨道达到最大重叠环丙烷,(Cyclopropane,),Large ring strain due to angle compression,,Very reactive, weak bonds,=>,环丙烷,(Cyclopropane,),Torsional strain because of eclipsed hydrogens,Angle strain due to compression,,Torsional strain partially relieved by ring-puckering,,环丁烷,(Cyclobutane),环戊烷,(Cyclopentane),If planar, angles would be 108,,, but all hydrogens would be eclipsed.,,Puckered conformer reduces torsional strain.,,燃烧热：,,Alkane + O,2,,CO,2,+ H,2,O,,长链,157.4,,,157.4,,166.6,,164.0,,158.7,158.3,,,综合各方面的因素，环的稳定性可归纳如下：,,①三元环最不稳定，四元环次之。

②在十元环以内，六元环最稳定③七元环以上的环也是稳定的这一点不符合张力学说，这是由于张力学说错误的假设所致环烷烃的化学性质,与链状烷烃,相似,，能发生自由基取代反应；与强酸、强碱、强氧化剂等试剂都不发生反应但小环的环烷烃不稳定，由于张力较大，易开环进行,加成反应,三、环烷烃的化学性质,Cl,2,+,C,l,光,+,HCl,1,、取代反应,,环烷烃的化学性质与烷烃相似，可进行游离基取代反应B,r,2,H,B,r,B,r,C,H,2,C,H,2,C,H,2,B,r,B,r,C,H,2,C,H,2,C,H,3,2,、加成反应,(,加,H,2,、,X,2,或,HX),,大环的环烷烃是稳定的，而小环的环烷烃不稳定，由于张力较大，易开环进行加成反应如：,,环丙烷与溴或溴化氢易发生加成,C,H,3,C,H,C,H,2,C,H,3,B,r,H,B,r,+,C,H,C,H,2,C,H,2,C,H,3,,当环丙烷的烷基取代物与卤化氢作用时，开环加成时遵守马氏规则环的断裂总是在最多氢和最少氢之间的碳原子间进行C,H,3,C,H,C,H,3,C,C,H,3,C,H,3,B,r,H,B,r,+,C,H,C,H,2,C,C,H,3,C,H,3,C,H,3,B,r,2,褪色,褪色,K,M,n,O,4,褪色,（－）,,小环环烃可与溴加成，而所有的环烷烃都不被高锰酸钾氧化，故可用作鉴别。

如：,（－）,C,H,2,C,H,2,C,H,C,H,C,H,2,B,r,B,r,B,r,B,r,B,r,2,+,C,H,C,H,2,,此外，如在一个分子内有二个部位可以加成时，要完成两部位的反应H,C,H,3,C,H,3,H,H,3,C,H,C,H,3,H,,顺,-1,2-,二甲基环丙烷,反,-1,2-,二甲基环丙烷,四、环烷烃的异构现象,1,、脂环烃的顺反异构,,脂环分子中由于成环的键不能自由旋转，故当环上两个碳原子连有两个不同的基团时，就会产生顺反异构例如：,船式,,环已烷分子中典型的构象有两种，一种是椅式构象（,chair conformation,），另一种为船式构象,(boat conformation),：,2,、环已烷及取代环己烷的构象,椅式,椅式,,在椅式构象中，所有相邻的氢都处于交叉式构象，再加上环的对角上的氢原子距离最大，这些因素都使得环已烷的椅式构象具有较高的稳定性H,H,CH,2,H,CH,2,H,H,H,H,H,椅式构象,(Chair Conformer),船式构象,(Boat Conformer),构象能,(Conformational Energy),,而在船式构象中,C,2,-C,3,、,C,5,-C,6,之间的氢处于重叠式状态，产生的相斥力较大。

因此船式不如椅式稳定分析结果表明，环己烷船式的内能要比椅式高,29.7kJ/mol,H,H,CH,2,H,CH,2,H,H,H,H,H,船式,,环已烷结构中有,12,个,C-H,键，这,12,个,C-H,键伸展方向是不一样的，可以分为两类在,12,个碳氢键中，有,6,个键与对称轴平行，叫,直立键或称,a,键,另外,6,个键几乎垂直于对称轴，叫做,平伏键或,e,键,a,a,a,a,a,a,e,e,e,e,e,3,2,4,5,6,e,1,a,a,a,a,a,a,e,e,e,e,e,e,1,5,3,4,2,6,,当环已烷的一个椅式构象转变为另一个椅式构象时，原来的,a,键将转变为,e,键，而,e,键也相应转变为,a,键C,H,3,C,H,3,优势构象,,当环已烷分子中的一个氢被其它基团取代时，可取代,a,键，也可以取代,e,键得到两种不同的构象单取代环己烷,H,C,H,3,C,H,3,H,C,H,3,H,C,H,3,H,H,C,H,3,H,C,H,3,下面何者为优势构象？,顺,(a,、,e,取代,),（优势构象）,反,(e,、,e,取代,),反,(a,、,a,取代,),①,环已烷多元取代物最稳定的构象是,e,取代基最多的构象。

②有不同取代基时，大的取代基在,e,键上的稳定优势构象判断的两条规则：,顺,-,、反,-,十氢化萘,,(,Cis,- and,Trans,-,Decalin),cis,-decalin,H,H,trans,-decalin,H,H,下课啦！,。