《大学有机化学》PPT课件

第二章 烷烃和环烷烃
(三) 碳原子的类型
伯碳(1°)：只与1个其他碳原子直接相连, 一级碳原子 仲碳(2°)：只与2个其他碳原子直接相连, 二级碳原子 叔碳(3°)：与3个其他碳原子直接相连, 三级碳原子 季碳(4°)：与4个其他碳原子直接相连, 四级碳原子
第一节 烷烃(一、结构
1° CH3
1°
2°
一些原子或基团的范德华半径(pm)
H
C
N
O
Cl
CH3
120 150 150 140 180
200
249 227
306
289
乙烷的重叠式内能最高，最不稳定，而交 叉式内能最低，最为稳定。这种构象称为优势构象。
*: 为选学内容。下同
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第二章 烷烃和环烷烃
12.5kJ/mol
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(三、构象异
60° 0°
交叉式(Staggered)
重叠式(Eclipsed)
Newman投影式
邓健 制作 张静夏 审校
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Байду номын сангаас
第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(三、构象异
*构象的能量分析：非键合的两原子或基团接近到相当于范德华半 径之和时, 二者间以弱的引力相互作用 ,体系能量较低；如果 接近到这一距离以内,斥力就会急剧增大,体系能量升高。
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(三、构象异
当正烷烃碳原子数增加时，尽管构象也随之更复杂，但仍然主要以对 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。如正戊烷主要以第 1 种构象形式存在，第 3 种为全重叠构象，最不稳定。
正戊烷在液态和气态碳架运动的几种形式
第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷 烃
一、烷烃的结构 二、异构和命名 三、构象异构 四、烷烃的物理性质 五、烷烃的化学性质
第二节 环烷烃
一、脂环烃分类和命名 二、结构和稳定性 三、环烷烃的性质 四、环己烷的构象异构
邓健 制作 张静夏 审校
1
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(hydrocarbons).
1. 乙烷的构象
H
H
H
C
H
C
HH
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第二章 烷烃和环烷烃 乙烷的两种典型构象
第一节 烷烃(三、构象异
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第二章 烷烃和环烷烃 构象的表示方法：锯架式和纽曼投影式
第一节 烷烃(三、构象异
交叉式
锯架式
重叠式
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CH3 1°
CH3 1°
不同类型的氢反应活性不一样
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(二、异构，
二、烷烃的构造异构和命名
构 造：分子中原子间相互连列的次序和方式。
构造异构：分子式相同，分子中原子间相互连接的 不同化合物的现象。
次序和方式不同而形成
碳链异构是构造异构的一种。如戊烷有3种碳链异构体：
第一节 烷烃(一、结构
实际上碳原子并不直接以激发态的原子轨道参与形成共价
键, 而是先杂化，再成键。形成烷烃时，碳原子取 sp3 杂化。
z
四面体结构, 轨道间夹角
为 109.5o.
sp3杂化
x
y
激发态: 2s1 + 2px1 + 2py1 + 2pz1
1s22(sp3)12(sp3)12 (sp3)12(sp3)1
3°
2°
4°
CH3—CH2—CH—CH2—C—C1°H3
1° CH3
1° CH3
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第二章 烷烃和环烷烃
伯氢(1°H)：伯碳上的H 仲氢(2°H)：仲碳上的H 叔氢(3°H)：叔碳上的H
第一节 烷烃(一、结构
1°
CH3
2°
3°
2°
CH1°3—CH2—CH—CH2—C—CH13°
同系物(homolog): 同系列中的化合物互称同系物 同系差：相邻两同系物之间的组成差别。烷烃同系物的系差为CH2
同系物具有相似的化学性质，但反应速率往往有
较大的差异；物理性质一般随碳原子数的增加而呈现规
律性变化。同系列中的第一个化合物往往具有明显的特
性。
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CH3CH2CH2CH2CH3
正戊烷
CH3
CH3
CH3CHCH2CH3 CH3-C-CH3
CH3
异戊烷
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第二章 烷烃和环烷烃 (一) 普通命名法(习惯命名法)，适用于简单的链烃。
第一节 烷烃(二、异构，
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。
第一节 烷烃(二、异构，
(1) H3C
C2H5 CH3
CH3 CH3
CH3 CH3 (2) CH3CCH2CCH3
CH3 CH3
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(三、构象异
三、烷烃的构象异构(conformational isomerism)
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称为构象。每 一种空间排列形象就是一种构象, 因构象不同而产生的异构现象称构象异构。
CH3CH2CH2CH3
普通命名：正丁烷 系统命名：丁烷
CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3
正庚烷 庚烷
支链烷烃可看作是直连烷烃的烷基取代衍生物。系统 命名时, 主要是确定主链及取代基的位次、数目和名称。
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第二章 烷烃和环烷烃
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。 脂肪烃基：脂肪烃去掉1个H所剩下的部分。“R-” 烷基：烷烃分子中去掉一个氢原子后剩下的部分。
z
x
y
90℃
激发态: 2s1 + 2px1 + 2py1 + 2pz1
假想的甲烷结构
设计与制作 邓健 张静夏
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第二章 烷烃和环烷烃 事实上, 甲烷分子具有正四面体的空间结构：
第一节 烷烃(一、结
甲烷的棍球模型
甲烷的比例模型
设计与制作 邓健 张静夏
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第二章 烷烃和环烷烃
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(二、异构，
CH3
CH3CCH2— CH3
新戊基 Neopentyl
CH3
CH3CH2C— CH3
叔戊基 tert-Pentyl, t-Pentyl
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(二、异构，
第一节 烷烃(二、异构，
烃基的名称由相应的烃名确定。 当烃分子中含有不同类型的氢时, 会出现不同的烃基。
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(二、异构，
CH3 , CH3CH2 , CH3CH2CH2
甲基
乙基
丙基
Methyl (Me)
Ethyl (Et)
Propyl (Pr)
烷烃系统命名法的要点 分为三步：一选二编三配基。 1. 选母体：碳链最长，取代最多 2. 编号：位次最低(最低系列原则) 3. 取代基：先小后大 (优基置后)
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8
例1 CH3-CH2 5
32 1
CH2-CH-CH2 -CH-CH2-CH3
CH2
CH3
CH3
杂化轨道电子排布
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(一、结构
头碰头重叠 形成C—Hσ键
109.5 o
动画模拟:sp3 杂化与甲烷的结构
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乙烷 (CH3CH3)
第σ二键章:烷旋烃和转环不烷烃影响轨道重叠第程一度节 ,烷烃即(一、结构 σ键可沿键轴“自由”转动; 重叠程 度大, 稳定性高; 键的极化度小.
头碰头重叠形成 C－Cσ键
分子中所有键角约为 109.5oC(四面体构型)
H bond H H
110pm
H 154pm
H
H
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(一、结构
(二) 通式和同系 列 烷烃的通式：CnH2n+2
同系列(homologous series)：具有同一分子通式和相同结构特征的一系 列化合物
1s
2s
2px
2py
2pz
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(一、结构)
由于2S轨道的能量与 2p 较接近,
2s 上的1个电子可以激发到 2pz 空轨
道上.
z
2s
2px
2py
2pz
激 发
激发态:
2s1
+
2px1 + 2py1
+ 2pz1
x
y
2s
2px
2py
2pz
第二章 烷烃和环烷烃 2. 丁烷的构象
第一节 烷烃(三、构象异
全重叠式 邻位交叉式 部分重叠式 对位交叉式
正丁烷各种构象的能差不大, 室温下可迅速转化,
正丁烷实际上是各种构象异构体的混合物, 但对位交叉式为
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。
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CH3CHCH3
异丙基
Isopropyl (i-Pr)
CH3
CH3CH2CH2CH2— CH3CHCH2CH3 CH3CHCH2— CH3-C—
丁基 异But丁yl基
(Bu)
CH3
仲丁基
sec-Butyl 叔丁基Isobutyl
(s-butyl,s-Bu)
(i-Bu)
CH3
tert-Butyl (t-butyl,t-Bu)
2,5-二甲基-3-异丙基己 烷
CH3 CH3
2,5-二甲基-4-异丙基己
烷
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(二、异构，
CH3 CH3-CH CH3
CH3-CH2-CH2—CH—CH—C—CH2-CH3
CH2
CH2
CH2
CH3
CH3
3-甲基-3-乙基-5-丙基-4-异丙基
石蜡C18-30, 沥青C30-40
煤
芳香烃等
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷 烃
一、烷烃的结构
(一) sp3杂化
碳原子外层电子排布为1s22s22px12py1,
有2个未成对电子，应该是二价的，但碳原子
实际上是四价的.
y
第一节 烷烃(一、结构)
z
x
价电子层：2s2 + 2px1+ 2py1+ 2pz0
脂肪烃
饱和烃 —— 烷烃
不饱和烃
烯烃 炔烃
链烃
脂环烃（环烷烃,环烯烃,环炔烃）
芳香烃
苯型芳香烃 非苯型芳烃
环烃
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第二章 烷烃和环烷烃
烃的主要来源
天然气 甲烷（主要）、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷
石油
各种烃的混合物：
汽油 C5-11，煤油C11-15， 柴油C15-18, 润滑油C16-20,
辛烷
主要烷基的优先顺序：异丙基>丙基>乙基>甲基
在英文命名中，取代基按词首的字母排列顺序先后列出
3-ethyl-4-isopropyl-3-methyl-5-propyloctane
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第二章 烷烃和环烷烃 课堂练习:写出化合物的名称,并指出各碳原子的类型。
3-甲基-5-乙 辛烷
次 取 基读 连 基 母
代作 字 名 体
基： 符
名
位位
例2 CH3-CH2-CH—CH-CH2-CH3 CH3-CH CH-CH3 CH3 CH3
2,5-二甲基-3,4-二乙基己 烷2,5-甲基-3,4二乙基己烷
2,5-2甲基 3,4-2乙基己烷
12
456
例3 6CH3-5CCHH-3CH2—3CCHH—2CCHH—3 1CH3
2. 用“正”、“异”、“新” 等字区别同分异构体。
CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3
正 戊烷
异 戊烷
CH3 CH3-C-CH3
CH3
新 戊烷
邓健 制作 张静夏 审校
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(二、异构，
（二）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：
基态：2s2 + 2px1+ 2py1+ 2pz0
激发态: 2s1 + 2px1 + 2py1 + 2pz1
激发态的碳原子有4个单电子, 可以形成4个共价单键。
设计与制作 邓健 张静夏
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第二章 烷烃和环烷烃
第一节 烷烃(一、结构
处于激发态的碳原子可以与4个H结合形成CH4。但这样形成的甲烷分子的空 间结构会是怎样？
第一节 烷烃(三、构象异
乙烷其它构象的内能 介于交叉式与重叠式之间。 随着乙烷分子中两个碳原子 绕单键的相对旋转，能量不 断变化。
动画模拟：乙烷的构象异构及能量变化
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, 但各种构象体存在的比率不
同。
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