有机化学第2章_烷烃和环烷烃

HH
H H
C H
H H
C
H
H
C H
H
H
H
C
H H
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。
9 8
7
3 21
6
4
5
H2C C
原因：烷烃分子中只有的C-Cσ键和C-Hσ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
H 旧键断裂
hv H—C—H + Cl2 or heat
H
H 新键生成 H—C—Cl + HCl
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
课堂练习：写出化合物的名称，并指出各碳原子的类型。
(1) H3C
C2H5 CH3
CH3 CH3
2,4-二甲基-3-乙基戊烷
CH3 CH3 (2) CH3CCH2CCH3
CH3 CH3
2,2,4,4-四甲基戊烷
三、烷烃的构象异构
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 。
戊烷分子结构
癸烷C10H22
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
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σ键的形成
sp3杂化
四面体结构， 键角为109.5°。
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σ键。
s
sp3
（1）甲烷（CH4）分子的结构
汽油、柴油等
环已烷 打火机
凡士林
润滑油
石蜡
烷烃的分类：Fra Baidu bibliotek
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。
CH3CH2CH2CH2CH3 或
正戊烷
2、环烷烃： （1）单环烷烃：
环丙烷
① 联环烷烃：
联二环己烷 十氢化萘
（2）双环烷烃： ② 稠环烷烃：
③ 螺环烷烃：
螺[3.4]辛烷
CH2CH2CH3 ＜ CHCH3
CH2Cl ＞ CH2F
CH3
③ 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。
C CH
C(CH3)3
CH CH
异丙基
CH3
甲基
CH3-CH CH3
CH3-CH2-CH2—CH—CH—C—CH2-CH3
CH2
优先基团简在前！ CH2
丙基 CH3
CH2
CH3 乙基
CH3CH2CH2CH2CH3
正戊烷
CH3 CH3CHCH2CH3
异戊烷
CH3
CH3-C-CH3
CH3
新戊烷
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：
CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3
普通命名 正丁烷
正庚烷
系统命名 丁烷
庚烷
支链烷烃可看作直连烷烃的烷基取代衍生物。
σ(s-sp3)
键角为109.5°
σ(s-sp3)
（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
。σ(s-spσσ3) 键键可：沿旋键转轴不“影自响由轨道”重转叠动程；度重叠，程即
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。
CH3
H3C
76 H3C
54
CH3 3 2 C1H3
2,5-二甲基-4-(1-甲基丙基)庚烷
3,5-二甲基-4-异丁基庚烷 ×
CH3
d)复杂支链的烷烃命名后，需要加括号。
H3C CH2CH3 CH3CH2C CHCHCH2CH2CH2CH3
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σ键旋转时， 有4种典型的构象异构体：
旋转轴
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。
（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
H 一氯甲烷
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。
CH2Cl2
二氯甲烷
CHCl3
三氯甲烷
CCl4
四氯甲烷
（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。
CH3 CH3 C1 H3C2 HC3 H2C4 HC5 H2C6 H2C7 H3
2,4-二甲基庚烷
以主链形式的主体名称
取代基的位次 取代基的数目 取代基的名称
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。
律性的升高； 密度：随碳原子数增多而增大，在0.8g·cm-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。
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
H
H
H
C
C
HH
H 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。
CH3 CH3 C1 H3C2 HC3 H2C4 HC5 H2C6 H2C7 H3
2,4-二甲基庚烷
以主链形式的主体名称 取代基的位次 取代基的数目 取代基的名称
a) 选 主 链 碳链最长原则
1 2 3 4 5 67
8 9
2,5,7-三甲基壬烷 取代基最多
b)若长度相等，则以支链最多的为主链。
CH3CH2CH CHCH2CH3 CH3 CH CHCH3 CH3 CH3
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。
CH3 CH3 CH3CHCH2CHCH2CH2CH3
2,4-二甲基庚烷
以主链形式 的主体名称
取代基的位次 取代基的数目 取代基的名称
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！！！
CH4
甲烷 CH3
甲基
CH3CH3 乙烷 CH3CH2 乙基
CH3CH2CH3 丙烷 CH3CH2CH2 丙基 CH3CH
CH3 CH3CHCH3 异丁烷
CH3 CH3C 叔丁基
CH3
异丙基
CH3
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）。
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。
C
C
C
自由基非常活泼，具有很强的反应活性。
CH2 > CH2 CHCH2 > (CH3)3C > (CH3)2CH
> CH3CH2 > CH3 >
（稳定性顺序）
自由基
碳自由基：含有孤电子碳的体系。
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：
天
然
甲烷（主要）、乙烷、丙烷、 丁烷、戊烷
气
各种烃的混合物：
石 汽油 C5-11，煤油C11-15，
油 油C15-18，润滑油C16-20，
石蜡C18-30，沥青C30-40。
煤 芳香烃等
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。
CH3 CHCH3 3,3-二甲基-4-乙基-5-(1,2-二甲 CHCH3 基丙基)壬烷
CH3
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： ① 与母体直接相连的原子，序数大者为优先；
I＞ Br ＞ Cl ＞ F ＞ O ＞ N ＞ C ＞ H
② 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；
度大，稳定性高；键的极化度小。
σ(sp3-sp3)
σ(s-sp3) σ(s-sp3)
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（σ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）σ键外，开始出 现C-C（sp3-sp3型）σ键，键角略有变化。
H
甲烷CH4， H C H
CH3CH2
1°碳自由基
CH3CHCH3
2°碳自由基
CH3CCH3
CH3
3°碳自由基
稳定性顺序：3°>2°>1°> ·CH3
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；
Cl2
hv or
2 Cl
碳链异构是构造异构的一种。如戊烷：
CH3
CH3
CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3 CH3-C-CH3
正戊烷
异戊烷
CH3
新戊烷
有机化合物异构现象的关系
碳架异构
OH
构造异构
位置异构
CH3CH2CH2 OH H3C CH CH3 O
异
官能团异构 CH3CH2 CH H2C CH CH2OH
构 现
互变异构
C C OH ↔ H C C O
象
构型异构 顺反异构
立体异构
构象异构
对映异构
（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。
“前”碳 “后”碳
乙烷分子重叠式构象
Newman投影式？
乙烷分子交叉式构象
乙烷构象的能量变化曲线与优势构象
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。
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。
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。
H
σ sp3-s
键角109º28’，正四面体构型
HH
由于C上所连基团不同，键角
乙烷CH3CH3， H
C H
C H
H σsp3-s
σsp3-sp3
有所变化，但也接近109º28’。
烷烃分子立体形状表示方法： 实线-键在纸平面上； H 楔线-键在纸平面前； C
H
虚线-键在纸平面后。 H H
H C
④ 桥环烷烃：
（3）多环烷烃：
二环[2.2.1]庚烷
立方烷 棱烷 蓝烷 金刚烷 扭烷
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。
CH3 CH3
H2C H C CH3
H2C CH2
3、氢原子的类型 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
不同类型的氢反应活性不一样： 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。