有机化学第二章饱和烃

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第二章 饱和烃
四、乙烷和丁烷的构象 看书回答：乙烷交叉式和重叠式之间的内能差相有多大？ 室温下两种构象能否完成转化？几乎全都是交叉式构象 的条件是什么？在常温条件能否将它们分离？
概念：扭转能（torsional energy）；扭张力 （torsional strain）
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第二章 饱和烃
四、乙烷和丁烷的构象 乙烷构象间转换时的能量变化。
E
重叠式构象
HH
H H
H
HH
HH
交叉式构象
H
H
H
HH
HH
HH
H
H
H
H
H
H
12.1 kJ / mol
60120Fra bibliotek180
240 旋转角度
能量最低的构象最稳定，最稳定的构象称为优势构象。
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第二章 饱和烃
丁烷的构象：P20中间的图
支链化的结果是接触部分减少见，沸点降低，见表2-3。
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第二章 饱和烃
五、烷烃的物理性质 另外：分子的动能是气态的大于液态的，液态的大于 固态的。相对分子质量增大后，使分子动起来的能量 要增大，所以要提高温度。
1．状态：室温下，碳原子数：1—4 气态；5—17 液 态；18以上 固态。同分异构体中，有支链者沸点低； 支链越多，沸点越低。
C原子的杂化轨道
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第二章 饱和烃
C的sp3杂化轨道与H的1s轨道重叠示意图
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第二章 饱和烃
乙烷分子中原子轨道重叠示意图
C-H键或C-C键中成键原子的电子云是沿着它们的轴 向重叠的，这样形成的键叫做σ键。
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第二章 饱和烃
在饱和烷烃中C和C之间均以两个SP3杂化轨道形成σ键 结合，碳和氢之间是一个SP3杂化轨道和一个S轨道形成 C-Hσ键。
由此可知，饱和烷烃并不是象我们用结构式表达的那样， 是直线型的，而应该是曲折的。直链烷烃中的直链只代 表不含有支链的意思。
饱和烷烃中碳-碳单键的键长0.154nm，键能 354.6kJ/mol
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第二章 饱和烃
五、乙烷和丁烷的构象
首先研究一下简单的C-C单键化合物，乙烷。
假设乙烷中的一个碳固定，另一个碳以两个原子的中心 连线为轴旋转，这样一个碳上的氢相对于另一个碳上的 氢就可以有无数个空间排列方式，即构象。每一个特定 的构象就叫做一个构象异构体。
根据科学家的研究发现：C 在正四面体的中心，H在四 面体的顶点上。碳氢键的夹 角109.5°。
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第二章 饱和烃
为了更清楚的表示分子三度空间的立体形状， IUPAC建 议可选用两种表示方法书写结构式：
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第二章 饱和烃
用杂化轨道理论解释甲烷的分子构型：
SP3杂化轨道形状
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第二章 饱 和 烃 （烷烃）
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第二章 饱和烃
饱和烃
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本章主要内容
自然界中的饱和烷烃
同系列及同分异构 饱和烷烃的命名及结构 乙烷及丁烷的构象 饱和烷烃的物理性质 饱和烷烃的化学性质
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第二章 饱和烃
一、自燃界中的烷烃
汽车所加汽油
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第二章 饱和烃
甲烷在高压、低温条件下可与水形成水合物，（一 个甲烷分子对8个水分子），即可燃冰。已经探明海 底中存在着比石油还多的可燃冰。
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第二章 饱和烃
异构体
构象异构体： 属立体异构，原子
连接顺序相同
构造异构体： 原子连接顺序不同
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第二章 饱和烃
在乙烷的无数个构象中，从能量的角度分析，存在两种 极端情况，一种是能量最低的交叉式构象，另一种是能 量最高的重叠式构象。这里所说的能量指分子的内能。
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第二章 饱和烃
烃的分类
分子中的碳 架连接方式
碳原子间的 结合方式
开链烃
环烃
aliphatic hydrocarbon cyclic hydrocarbon
饱和烃 不饱和烃
saturated hydrocarbon unsaturated hydrocarbon
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第二章 饱和烃
烷烃（alkane） ：开链的饱和烃叫做烷烃。 在烷烃中碳原子之间以单键链接，其余价 键都与氢结合。
同分异构体：分子式相同，而原子的连接次 序不同的化合物。简称异构体。
IUPAC建议：由于原子的连接次序不同而产生的异构体叫做 构造异构(体)，constitutional isomers。还有一种立体异构， 涉及空间排列顺序问题，以后要学到。
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第二章 饱和烃
碳原子数
1~3 4 5 6 7
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第二章 饱和烃
一个反应机理通常是用一系列反应式及反应过程中的能 量变化图来描述。必要时包括分子的几何形状，键断裂 与生成时电子的转移情况。
试验证明，甲烷氯代的反应机理是游离基机理，具体反 应过程如下：……
Cl2
hv
2Cl
CH4 + Cl
CH3 ＋ Cl2
Cl ＋ Cl
CH3 ＋ CH3
2.
在距离支链最近的 一端开始，对碳原 子进行编号（1、2、 3……），用以表达
取代基的位置。
3.
根据优先原则 及位置号数字 最小原则排列 取代基顺序。
4.
全名=取代其 的位置+取代 基的个数和名 称+主碳链的 名称。中间用 短线-隔开。
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第二章 饱和烃
注意：位置号用阿拉伯数字，多个位置连续表达时用逗 号隔开，位置号与取代基名称之间用短线隔开。取代基 个数用汉字，取代基名称和主碳链的名称直接相联。
1、氯代
在日光(或紫外光)照射下，或高温下，烷烃分子中的氢原子能逐步 被氯取代，得到不同的产物。如甲烷：
CH4 + Cl2
CH3Cl (一氯甲烷) + HCl ；
CH3Cl + Cl2
CH2Cl2 (二氯甲烷) + HCl ；
CH2Cl2 + Cl2
CHCl3 (三氯甲烷) + HCl ；
CHCl3 + Cl2
二 丁烷不同构象的能量曲线图
CH3 CH3
CH3 CH3
E
H H
HH
1
CHH3
CH3
H H
3 CH3H
H
CH3
CHH3
H H
1 HH
CH3 H
5
HH
CH3
CH3
H
H
H
H
2
CH3
H
H
H
H
CH3
4
H
H
H
6
3.7 kJ/mol 15.9 kJ/mol
18.8 kJ/mol
60
120
180
240
300
360 旋转角度
四、乙烷和丁烷的构象
CH3 CH3 60O
H
CH3 CH3 60O
CH3 H
60O
H
H
HH
1
全重叠式
H
H
H 2
邻位交叉式
H
H
CH3 H
3
部分重叠式
CH3
H
H 60O
CH3
CH3
H
CH3
H
60O
H
H
CH3
4
CHH3
HH
5
H
H
H
6
对位交叉式
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部分重叠式
邻位交叉式 34 第二章 饱和烃
四、乙烷和丁烷的构象
我们从甲烷氯代的四个反应式无法弄明白为什么会有上 面提到的副产物生成，为了解释上述现象和预测类似反 应会有什么产物生成，就要找出反应的根源——反应机 理（reation mechanism）。
它是一种能够解释试验现象的理论假说，并且能够预测 类似的反应，还要经过试验验证。反应机理是对由反应 物至产物所经历的途径的详细描述。
同系物中的第一个化合物性质上有其特殊性。
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第二章 饱和烃
烷烃中C—C、C—H较稳定，C和H的电负性相差 很少，所以C—H的极性也很少，相对于其它有机 物，烷烃不怕离子型试剂的攻击。只有在高温或 催化剂存在的情况下才能和一些试剂发生化学反 应。与石墨、氢气的性质有相似之处。
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第二章 饱和烃 39
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第二章 饱和烃
二、命名
（2）系统命名法 对于直链烷烃系统命名法与普通命名法相同，只是把 “正”字取消。对于带支链的烷烃采用主链名称前加取 代基名的办法解决。
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第二章 饱和烃
带支链的烷烃命名方法
1. 选一个最长的碳链为 主，根据其碳原子数 目叫做某烷。主链 以外的碳链看作是 取代基。
烷烃构造异构体的数目
异构体数 碳原子数
1
8
2
9
3
10
5
15
9
20
异构体数
18 35 75 4,347 366,319
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第二章 饱和烃
三、饱和烷烃的命名
命名方法有两种，即普通命名法和系统命名法。
烷烃中的碳原子分为四种：
1°碳、伯碳：只与一个C相连的碳原子。 2°碳、仲碳：与两个C相连的碳原子。 3°碳、叔碳：与三个C相连的碳原子。 4°碳、季碳：与三个C相连的碳原子。