四、烷烴和環(huán)烷烴

1、11 1、掌握烷烴的結構、命名法。、掌握烷烴的結構、命名法。2 2、掌握碳鏈異構和構象異構（紐曼投影式）。、掌握碳鏈異構和構象異構（紐曼投影式）。3 3、掌握環(huán)烷烴的命名。、掌握環(huán)烷烴的命名。4 4、掌握環(huán)烷烴的化學性質(zhì)和環(huán)己烷的構象。、掌握環(huán)烷烴的化學性質(zhì)和環(huán)己烷的構象。5 5、熟悉自由基反應機理。、熟悉自由基反應機理。6 6、熟悉環(huán)烷烴的結構與穩(wěn)定性的關系。、熟悉環(huán)烷烴的結構與穩(wěn)定性的關系。7 7、了解烷烴的來源、在醫(yī)學上的應用；烷烴、了解烷烴的來源、在醫(yī)學上的應用；烷烴、 環(huán)烷烴的物理性質(zhì)；環(huán)戊烷的構象。環(huán)烷烴的物理性質(zhì)；環(huán)戊烷的構象。2烴類化合物的分類： 飽和烴：烷烴 脂肪烴 不飽和烴

2、：烯烴、炔烴 鏈烴 烴 脂環(huán)烴 芳香烴 苯型芳香烴 環(huán)烴 非苯型芳香烴34.1 烷烴1.烷烴的結構烷烴分子中的化學鍵xyz碳原子基態(tài)最外層電子排布碳原子基態(tài)最外層電子排布4xyz乙烷碳原子碳原子SP3雜化態(tài)最外層電子排布雜化態(tài)最外層電子排布碳原子激發(fā)態(tài)最外層電子排布碳原子激發(fā)態(tài)最外層電子排布5 烷烴的通式通式：CnH2n+2同系列同系列（homologous series）：具有同一分子通式和相同結構特征的一系列化合物同系物同系物（homolog）：同系列中的化合物互稱為同系物同系差同系差：相鄰兩個同系物之間的組成差別。烷烴同系物的系差為CH2 同系物具有相似的化學性質(zhì)，但反應速率往往同系物具

3、有相似的化學性質(zhì)，但反應速率往往有較大的差異；物理性質(zhì)一般隨碳原子數(shù)的增加而有較大的差異；物理性質(zhì)一般隨碳原子數(shù)的增加而呈呈現(xiàn)規(guī)律性變化。同系列中的第一個化合物往往呈呈現(xiàn)規(guī)律性變化。同系列中的第一個化合物往往具有明顯的特性。具有明顯的特性。烷烴的通式和同系列6烷烴中碳原子的類型 伯碳(1)：只與1個其它碳原子直接相連, 一級碳原子 仲碳(2)：只與2個其它碳原子直接相連, 二級碳原子 叔碳(3)：只與3個其它碳原子直接相連, 三級碳原子 季碳(4)：只與4個其它碳原子直接相連, 四級碳原子伯氫(1H)：伯碳上的H仲氫(2H)：仲碳上的H叔氫(3H)：叔碳上的H不同類型的氫反應活性不同7 飽和飽

4、和碳原子分為伯、仲、叔、季四種類型。 CH3 CH3CH3 C CH2 C CH3 H CH382. 烷烴的構造異構和命名烷烴的碳鏈異構 同分異構同分異構(isomerism)：分子式相同，但原子的 排列次序、結合方式或空間位置不同。異構現(xiàn)象構造異構構造異構：原子的排列順序、結合方式不同碳鏈異構位置異構官能團異構（包括互變異構）立體異構立體異構：構造相同構造相同，原子的空間排布方式不同構型異構順反異構旋光異構構象異構9 碳鏈異構碳鏈異構(carbon-chain isomerism) 碳原子之間的連接次序和方式不同 例1 C5H12（3種） CH3 CH3CH3CH2CH2CH2CH3 CH3

5、CHCH2CH3 CH3-C-CH3 CH3例2 C6H14（5種）10烷烴的命名 普通命名法普通命名法(common nomenclature)，又叫習慣習慣命名法命名法，適用于簡單的鏈烴。 1. 按分子中碳原子總數(shù)叫按分子中碳原子總數(shù)叫“某烷某烷”。10C 用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 表示，10C 用十一、十二等小寫中文數(shù)字表示。 2. 用用“正正”、“異異”、“新新”等字區(qū)別同分異構體等字區(qū)別同分異構體。CH3CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3 CH3-C-CH3CH3 CH3n-pentane iso-pentane neo-pentane戊烷戊烷戊烷

6、正異新11烷烴的英文名稱： 表示碳原子數(shù)的詞頭 ane 詞尾組成。從1-10個碳原子數(shù)的詞頭為：meth-，eth-，prop-，but-，pent-，hex-，hept-，oct-，non-，dec-。12 烴分子中去掉一個氫原子后剩下的原子團叫烴基。脂肪烴基： “R-” ；芳香烴基： “Ar-”。烷基：烷烴同一碳上去掉2個H或3個H后, 分別稱為 亞基和次基。如：CH2CHCH3 CHC-CH3亞甲基亞乙基 次甲基 次乙基13 CH3 CH3CH2 CH3CH2CH2 CH3-CH-CH3甲基(Me)乙基(Et)正丙基(n-Pr)異丙基(iso-Pr)正丁基(n-Bu) 仲丁基(sec-B

7、u) 異丁基(iso-Bu) 叔丁基(tert-Bu) CH3CH3CH2CH2CH2 CH3CHCH2CH3 CH3CHCH2 CH3-C CH3 CH314新戊基 叔戊基丙烯基 烯丙基 CH3 CH3 CH3-C-CH2 CH3CH2-C CH3CH=CH CH2=CH-CH2 CH3 CH3 主要烷基優(yōu)先順序：異丙基丙基乙基甲基15系統(tǒng)命名法系統(tǒng)命名法關鍵是如何確定主鏈和處理取代基的位置關鍵是如何確定主鏈和處理取代基的位置適用于各類有機化合物分為三步分為三步：一選二編三配基。1. 選母體：碳鏈最長，取代最多2. 編號：位次最低3. 配基：先小后大，同基合并16例例1 CH3-CH2 CH

8、2-CH-CH2 -CH-CH2-CH3 CH2 CH3 CH3辛烷3-甲基-5-乙基母體名基名 半字線讀作：位取代基位次1235817例例2 CH3-CH2-CHCH-CH2-CH3 CH3-CH CH-CH3CH3 CH32,5-二甲基-3,4-二乙基己烷2,5-2甲基 3,4-2乙基己烷2,5-甲基-3,4二乙基己烷18例例3 CH3-CH-CH2CHCHCH3 CH3 CH CH3 CH3 CH32,5-二甲基-3-異丙基己烷2,5-二甲基-4-異丙基己烷 1235612654193-甲基-3-乙基-5-丙基-4-異丙基辛烷 CH3 CH3-CH CH3CH3-CH2-CH2CHCHC

9、CH2-CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 CH33-ethyl-4-isopropyl-3-methyl-5-propyloctane在英文命名中，取代基按詞首的字母排列順序先后列出。di-,tri-,tetra-分別表示二，三，四。例例4 4203. 烷烴的構象異構乙烷的構象 21構象的表示方法構象的表示方法鋸架式 sawhorse formula交叉式重疊式Newman投影式60022227289249306優(yōu)勢構象優(yōu)勢構象 其它構象的內(nèi)能則介于交叉式與重疊式之間。其它構象的內(nèi)能則介于交叉式與重疊式之間。隨著乙烷分子中兩個碳原子繞單鍵的相對旋轉(zhuǎn)，能隨著乙烷分子中兩個碳原子繞單鍵的相對

10、旋轉(zhuǎn)，能量不斷變化。量不斷變化。23 乙烷分子是交叉式、重疊式以及介于兩者之間的無數(shù)乙烷分子是交叉式、重疊式以及介于兩者之間的無數(shù)構象的動態(tài)平衡混合體系，但各種構象存在的比率不同。構象的動態(tài)平衡混合體系，但各種構象存在的比率不同。12.6kJ/mol24正丁烷的構象 正丁烷分子圍繞C2-C3鍵旋轉(zhuǎn)時，有4種典型的構象異構體。全重疊式 鄰位交叉式 部分重疊式 對位交叉式KJ/molKJ/molKJ/mol25 正丁烷各種構象的能量差不大，室溫下可迅速轉(zhuǎn)化，對位交叉式(Anti)為優(yōu)勢構象，約占70%，鄰位交叉式(Gauche)約占30%，其它構象所占比例極小。26 正烷烴主要以正烷烴主要以對位交

11、叉式對位交叉式構象存在。構象存在。所以絕大多數(shù)是所以絕大多數(shù)是鋸齒形鋸齒形的。如正戊烷主要的。如正戊烷主要以第以第 1 種構象形式存在。種構象形式存在。274. 烷烴的物理性質(zhì)狀態(tài)：常溫常壓下，正烷烴C1-C4是氣體，C5-C17是液 體，C18以上是固體。 沸點：正烷烴沸點隨碳原子增加而升高。同碳原子數(shù) 異構體，支鏈越多沸點越低。熔點：正烷烴熔點隨碳原子增加而升高。其中偶數(shù)碳 的比奇數(shù)碳的升高幅度大。密度：正烷烴密度隨碳原子增加而升高。在0.8g.cm-3 左右趨于穩(wěn)定。溶解度：易溶于苯、氯仿、四氯化碳、乙醚等有機溶 劑，難溶于水等極性溶劑。 28295. 烷烴的化學性質(zhì)穩(wěn)定性 烷烴很穩(wěn)定，

12、分子沒有極性，不易發(fā)生離子型反應，條件合適可發(fā)生自由基型反應。 主要來源于石油、天然氣。30在醫(yī)學上的應用： 石油醚（低級烷烴混合物）用作有機溶劑。 液體石蠟（C18-C24液體烷烴混合物）用作緩瀉劑。 凡士林（C18-C22烷烴混合物）用作軟膏基質(zhì)。31鹵代反應甲烷的鹵代 在紫外光或加熱條件下，甲烷和氯氣可劇烈地發(fā)生反應，得到四種取代混合物。 32 H HHCH + Cl2 光HCCl + HCl H H 一氯甲烷CH3-Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl 二氯甲烷CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl 三氯甲烷CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl 四氯化碳33 有

13、機化合物中的原子（或原子團）被其它原子或基團取代的化學反應叫取代反應。 烷烴分子中的氫原子被鹵素原子取代的反應稱為鹵代反應。鹵代反應活性次序：F2 Cl2 Br2 I234鹵代反應機制（ reaction mechanism ） 反應機制(反應歷程反應歷程) ，是對某個化學反應逐步變化過程的詳細描述。 烷烴鹵代反應機制是游離基的鏈反應(free-radical chain reaction), 其歷程分3步進行：35鏈引發(fā)鏈引發(fā)(chain-initiating step)： 形成自由基。（需要光、熱或引發(fā)劑） Cl:Cl 光或熱 Cl + Cl DH= +242.7kJ mol-1鏈增長鏈增

14、長(chain-propagating step)： 延續(xù)自由基，形成產(chǎn)物。 Cl + CH4 CH3 + HCl DH= +4.1kJ mol-1 CH3 + Cl2 CH3Cl+ Cl DH= -109.1kJ mol-1 36 在鏈增長階段，當一氯甲烷達到一定濃度時，氯原子除了同甲烷作用外，也可同一氯甲烷作用，結果生成二氯甲烷。以同樣方式，可生成氯仿及四氯化碳。Cl + CH3Cl CH2Cl + HClCH2Cl + Cl2 CH2Cl2 + Cl Cl + CH2Cl2 CHCl2 + HCl CHCl2 + Cl2 CHCl3 + Cl Cl + CHCl3 CCl3 + HCl

15、CCl3 + Cl2 CCl4 + Cl37 Cl + Cl Cl:Cl CH3 + Cl CH3Cl CH3 + CH3 CH3CH3 加入少量能抑制自由基生成或降低自由基活性的抑制劑可減慢反應速度或終止反應。鏈終止鏈終止(chain-terminating step)： 消除自由基。38鹵代反應的取向 含有不同類型H的烷烴氯代時，可得到不同的氯代烴。CH3-CH2-CH3 + Cl2 光，25 CH3CH2CH2-Cl + CH3-CH-CH3 Cl 1-氯丙烷(43%)2-氯丙烷(57%)仲氫與伯氫的活性比：2H/1H=（57/2）（43/6）= 4/1 仲氫比伯氫活潑仲氫比伯氫活潑39

16、 實驗結果表明：室溫下3H：2H：1H相對活性之比約為5：4：1，并與烷烴的結構基本無關。根據(jù)各類H的相對活性，可預測烷烴各氯代產(chǎn)物異構體的得率。如正丁烷的氯代：1-氯丁烷得率2-氯丁烷得率=1o H的總數(shù)2o H的總數(shù)1o H相對反應活性2o H相對反應活性=6 1 34 4 8=1-氯丁烷得率：3/(3+8) 100% = 27%2-氯丁烷得率：8/(3+8) 100% = 72%40 127時，溴代反應3H：2H：1H相對反應活性比為1600：82：1，因而溴代反應的選擇性高于氯代反應。 溴代反應的活化能大于氯代反應，因此溴代反應活性小于氯代反應（溴代反應速率小于氯代反應）。41烷基自由

17、基的構型與穩(wěn)定性 自由基的空間構型自由基的空間構型: 中心碳中心碳 雜化雜化sp242CH3H RCH2H R2CHH R3CHECH3RCH2R2CHR3CDH=435kJ/molDH=397DH=410DH=385 烷基游離基的能量比較43 氧化反應 常溫常壓下，烷烴在空氣中的燃燒是劇烈的氧化反應，反應最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，同時放出大量熱。 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O D=-881kJ/molCH3CH3 + 7O2 4CO2 + 6H2O D=-1538kJ/mol444.2環(huán)烷烴1.環(huán)烷烴的分類和命名 單環(huán)環(huán)烷烴根據(jù)碳環(huán)數(shù)目分類 雙環(huán)環(huán)烷烴 多環(huán)環(huán)烷烴單環(huán)按成環(huán)碳原子數(shù)

18、分類 小 環(huán)（三元環(huán)、四元環(huán)） 常見環(huán)（五元環(huán)、六元環(huán)） 中 環(huán)（七元環(huán)十二元環(huán)） 大 環(huán)（十二元環(huán)以上）45單環(huán)環(huán)烷烴命名： 在相應的烴名前加“環(huán)”字；英文名加詞頭cyclo-。環(huán)丙烷環(huán)丁烷環(huán)戊烷環(huán)己烷環(huán)辛烷cyclopropanecyclobutane cyclopentane cyclohexane cyclooctane以較小數(shù)字表示較小基團的位次1-甲基-3-叔丁基環(huán)戊烷1-methyl-3-tert-butylcyclopentane462-甲基-1-環(huán)丙基-5-環(huán)戊基戊烷 (5-cyclopentyl-1-cyclopropyl-2-methylpentane) CH2-CH2

19、-CH2 -CH-CH2 CH3環(huán)烯烴中以雙鍵的位次最小5,5-二甲基-1,3-環(huán)己二烯1-甲基-3-異丙基環(huán)己烯47 由于碳環(huán)不能自由旋轉(zhuǎn)，所以環(huán)上的兩個碳原子各連一個取代基時，可產(chǎn)生順反異構體。是立體異構中的一種。順-1-甲基-4-異丙基環(huán)己烷反-1-甲基-4-異丙基環(huán)己烷482.環(huán)烷烴的結構與穩(wěn)定性 拜爾（Johann Friedrich Wilhem Adolf Von Baeyer）（1835-1917）柏林大學博士，第一個合成巴比妥酸，最早開發(fā)出靛紅合成路線，1905年由于在研究有機染料和芳香族化合物方面的成就，獲得諾貝爾化學獎。49拜爾的張力學說 環(huán)上CC之間的鍵角偏離正常鍵角1

20、0928，就會產(chǎn)生角張力角張力(angle strain)，偏差角越大張力越大，分子越不穩(wěn)定。 結論：三、四元環(huán)為張力環(huán)張力環(huán)(strained rings) ，五元環(huán)為無張力環(huán)，六元環(huán)及其更大的環(huán)也是張力環(huán)。1885年，Baeyer AV 假定，環(huán)烷烴具有平面正多邊形的結構：60 90 108 120128.6 135Bond angle50kJmol-1 從環(huán)丙烷到環(huán)戊烷，每個CH2的燃燒熱逐漸降低，說明環(huán)越小越不穩(wěn)定。從環(huán)己烷到更大的環(huán)烷烴，每個CH2的燃燒熱與環(huán)戊烷接近，說明大于五元的環(huán)并不是張力環(huán)，而是穩(wěn)定的。圖2-1：各種環(huán)烷烴燃燒時每個CH2的燃燒熱51現(xiàn)代理論解釋現(xiàn)代理論解釋

21、分子中碳碳之間的鍵角能夠保持或盡可能接近10928。因此除了三、四元環(huán)為張力環(huán)以外，環(huán)戊烷及其以上的環(huán)烷烴都是穩(wěn)定的。52大環(huán)烷烴的結構大環(huán)烷烴的結構53 鍵角與軌道的正常夾角有偏差, 造成重疊程度小, 鍵能下降,產(chǎn)生角張力。Banana bond脂環(huán)烴的穩(wěn)定性順序脂環(huán)烴的穩(wěn)定性順序(由小到大由小到大)：三元環(huán)三元環(huán) 四元環(huán)四元環(huán) + HClCl光+ Br2 + HBrBr30055（2）加氫）加氫+ H2 Ni/80 CH3CH2 CH3+ H2 Ni/120 CH3CH2 CH2 CH3+ H2 Ni/300 CH3CH2CH2CH2 CH3催化加氫易到難：環(huán)丙烷環(huán)丁烷環(huán)戊烷。6環(huán)烷烴更難

22、。（3）加鹵素）加鹵素 + Br2 常溫 Br Br + Br2 BrBr56（4）加鹵化氫）加鹵化氫+ HBr 常溫 Br 環(huán)丙烷的烷基衍生物與HX按馬氏規(guī)則開環(huán)加成，環(huán)的開裂總是在含H最多和最少的碳原子間進行。HBr+CHCH2CCH3CH3CH3CH2CHCH3CCH3CH3B rH57比較下列反應，你能得出什么結論？CH=C(CH3)2 KMnO4/H+ COOH+ O=C(CH3)2CH2CH2CHCHCH2BrBrBrBrBr2+CHCH2584. 環(huán)烷烴的構象環(huán)戊烷 50pm59環(huán)己烷椅式構象和船式構象512346123456球棒模型124356HHHHHHHHHHHH鋸架式124356HHHHHHHHHHHH60H124356HHHHHHHHHHH鋸架式230pm124356HHHHHHHHHHHH183pm紐曼投影式CH2CH2234561HHHHHHHH椅式構象占椅式構象占99.9