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1、第二章 烷烃和环烷烃vv主要内容：主要内容：vv 烷烃的结构，同分异构体烷烃的结构，同分异构体vv 烷烃的命名（普通命名法，烷烃的命名（普通命名法，IUPAC命名法）命名法）vv 构象和构象异构体，构象式的表示法构象和构象异构体，构象式的表示法v 碳、氢两种元素组成的有机化合物叫做碳氢化合物，简称烃。v 2-1烷烃烷烃(methane Series)一、烷烃的概况一、烷烃的概况（烷烃的来源、用途、通式、同系列、异构现象）（烷烃的来源、用途、通式、同系列、异构现象）1.烷烃的来源、用途、通式、同系列烷烃的来源、用途、通式、同系列 主要来源主要来源石油和天然气产业（分馏），提石油和天然气产业（分馏
2、），提供能源，作为溶剂供能源，作为溶剂、化工原料，还有防腐防锈、化工原料，还有防腐防锈及药用价值。及药用价值。通式：通式：CnH2n+2 同系物：同系物：结构相似，但分子组成相差结构相似，但分子组成相差1个或个或几个几个CH2系差。系差。最简单的烷烃：最简单的烷烃：CH4 2.烷烃的异构现象（碳胳异构）烷烃的异构现象（碳胳异构）不是所有烷烃都有同分异构体。不是所有烷烃都有同分异构体。随着碳原子数目的增多，异构体的数目也增多。随着碳原子数目的增多，异构体的数目也增多。v虽然虽然C都是都是SP3饱和的碳原子，但所处的周围环境不同，把碳饱和的碳原子，但所处的周围环境不同，把碳原子可分为原子可分为4种
3、。种。伯、仲、叔、季碳原子伯、仲、叔、季碳原子 伯、仲、叔氢原子伯、仲、叔氢原子 1c 2c 3c 4c 1H 2H 3H一级一级 二级二级 三级三级 四级四级 一级一级 二级二级 三级三级 二、烷烃中碳原子和氢原子的类型二、烷烃中碳原子和氢原子的类型认识常见烃基 CH4甲烷甲烷 CH3 甲基甲基 CH3CH3乙烷乙烷 CH3CH2 乙基乙基 CH3CH2CH3丙烷丙烷 CH3CH2CH2 正丙基正丙基 CH3CHCH3 异丙基异丙基 vCH3CH2CH2CH3正丁烷正丁烷 CH3CH2CH2CH2 正丁基正丁基v CH3CHCH2CH3 仲丁基仲丁基 CH3CHCH3异丁烷异丁烷 CH3CH
4、CH2 异丁基异丁基 CH3 CH3 CH3CCH3 叔丁基叔丁基 CH3三、烷烃的命名三、烷烃的命名1.普通命名法普通命名法 常用于常用于简单烷烃简单烷烃和和烷基烷基的命名的命名 命名原则命名原则:根据烷烃分子中的碳原子总数叫做某烷根据烷烃分子中的碳原子总数叫做某烷.甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二 “正正”某烷某烷:直链烷烃直链烷烃,“正正”字可省略字可省略.以以“正正”、“异异”、“新新”等区别不同的构造异构体。等区别不同的构造异构体。2.系统命名法系统命名法 重点掌握重点掌握 命名原则命名原则:(结合书中例子结合书中例
5、子)支链烷烃支链烷烃的命名是的命名是以主链为母体以主链为母体,所连的支链做取代基所连的支链做取代基.(1)主链的选择主链的选择:选择选择最长的最长的含取代基最多的碳链含取代基最多的碳链做主链做主链,以此作为母体以此作为母体,按其碳原子数称某烷按其碳原子数称某烷.(2)主链的编号主链的编号:从靠近支链最近的一端开始编号，将主从靠近支链最近的一端开始编号，将主链碳原子依次用阿拉伯数字链碳原子依次用阿拉伯数字1，2，3，编号编号.把取代基把取代基的位次和名称写在母体名称的前面，阿拉伯数字和汉字的位次和名称写在母体名称的前面，阿拉伯数字和汉字之间用半字线之间用半字线“-”相连。相连。v 如果有两个以上
6、可供选择的长链，应选择含取如果有两个以上可供选择的长链，应选择含取代基最多的一个为主链。例如：代基最多的一个为主链。例如：激发激发杂化杂化2P 2P 2P2P 2P 2P2S2S基态基态激发态激发态SP3杂化态杂化态1S1S1S1.CH4的形成的形成HHHH 甲烷的结构甲烷的结构:分子中的碳原子以四个分子中的碳原子以四个sp3杂化轨杂化轨道分别与四个氢原子的道分别与四个氢原子的1s轨道重叠轨道重叠,形成四个形成四个等同的等同的CH 键键,键角为键角为109.5,呈正四面体的呈正四面体的空间结构空间结构,体系最稳定体系最稳定.球棒模型 比例模型四、烷烃结构四、烷烃结构五、烷烃的构象五、烷烃的构象
7、v1.乙烷的构象：构象定义构象定义(comformation)和构象和构象异构体异构体 C-C C-C C-C C-C之间之间之间之间 单键的旋转使分子中的原子或基团在单键的旋转使分子中的原子或基团在单键的旋转使分子中的原子或基团在单键的旋转使分子中的原子或基团在空间产生不同的排列方式（构象）空间产生不同的排列方式（构象）空间产生不同的排列方式（构象）空间产生不同的排列方式（构象）CCCC单键是可以旋转的单键是可以旋转的单键是可以旋转的单键是可以旋转的 不同的构象之间为构象异构关系（一类立体异不同的构象之间为构象异构关系（一类立体异不同的构象之间为构象异构关系（一类立体异不同的构象之间为构象异
8、构关系（一类立体异构现象）构现象）构现象）构现象）构象异构体的数目，典型构象，优势构象，表构象异构体的数目，典型构象，优势构象，表构象异构体的数目，典型构象，优势构象，表构象异构体的数目，典型构象，优势构象，表示方法示方法示方法示方法乙烷的两种构象乙烷的两种构象交叉交叉 式和重叠式式和重叠式l 描述立体结构的几种方式描述立体结构的几种方式描述立体结构的几种方式描述立体结构的几种方式伞形式伞形式伞形式伞形式透视式透视式透视式透视式NewmanNewman投影式投影式投影式投影式键电子云排斥，键电子云排斥，键电子云排斥，键电子云排斥，von der waals排斥力，排斥力，内能较高内能较高内能较
9、高内能较高（最不稳定）（最不稳定）（最不稳定）（最不稳定）交叉式构象交叉式构象交叉式构象交叉式构象扭曲式构象扭曲式构象扭曲式构象扭曲式构象重叠式构象重叠式构象重叠式构象重叠式构象staggeredstaggeredconformerconformerskewedskewedconformerconformereclipsedeclipsedconformerconformer原子间距离最远原子间距离最远原子间距离最远原子间距离最远内能较低内能较低内能较低内能较低（最稳定）（最稳定）（最稳定）（最稳定）（有无数个）（有无数个）（有无数个）（有无数个）乙烷的乙烷的乙烷的乙烷的NewmanNewma
10、n投影式投影式投影式投影式l l 乙烷构象转换与势能关系图乙烷构象转换与势能关系图乙烷构象转换与势能关系图乙烷构象转换与势能关系图一般情况下一般情况下(T-250oC):单个乙烷分子：绝大部分时间单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。在稳定构象式上。一群乙烷分子：某一时刻，绝一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。大多数分子在稳定的构象式上。（4）正丁烷的构象）正丁烷的构象反交叉式反交叉式部分重叠式部分重叠式顺交叉式顺交叉式全重叠式全重叠式(正丁烷沿正丁烷沿C2和和C3之间的之间的键键轴旋转有四种典型构象。键键轴旋转有四种典型构象。*稳定性：对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式
11、 全重叠式丁烷构象的能量变化图稳定性稳定性:反交叉式反交叉式顺交叉式交叉式部分重叠部分重叠 式式全重叠式全重叠式1.氧化反应 v2.裂化反应裂化反应 在隔绝空气及高温、高压条件下，使烷烃分子发生分解生成小分子的过程称为裂化。燃烧燃烧 燃烧燃烧CHOC OH OCHOC OH O4222+8901kJ222+Qnn+22六、烷烃的化学性质六、烷烃的化学性质六、烷烃的化学性质六、烷烃的化学性质 3.取代反应取代反应 烷烃分子中的氢原子被其他原子或基团所取代的反应，称烷烃分子中的氢原子被其他原子或基团所取代的反应，称为取代反应。为取代反应。（常见为卤代）（常见为卤代）反应产物为混合物反应产物为混合物
12、,但控制适当的反应条件但控制适当的反应条件,可使反应主要可使反应主要生成一种卤代物生成一种卤代物.分子中氢原子被卤素取代的反应分子中氢原子被卤素取代的反应 称为卤称为卤代反应。代反应。CH4 +Cl2 CH3Cl +HCl光照或加热光照或加热 七、烷烃的卤代反应机理七、烷烃的卤代反应机理自由基取代反应自由基取代反应 反应机理反应机理(反应历程反应历程):化学反应所经历的途径或过程化学反应所经历的途径或过程.只有了解反应机理只有了解反应机理,才能认清反应的本质才能认清反应的本质,掌握反应的掌握反应的规律规律,从而达到控制和利用反应的目的从而达到控制和利用反应的目的.v异裂:另一种断裂方式是成键的
13、一对电子保留在一个原子上，称为异裂。例如：C:YCY+:+-有机反应的基本类型有机反应的基本类型 均裂:即一个共价键断裂时，组成该键的一对电子由成键的两个原子各留一个，例如：均裂CH4 +Cl2 CH3Cl +HCl光照或加热光照或加热异裂异裂 1.以甲烷的氯代反应为例以甲烷的氯代反应为例,自由基链反应包括三个阶段自由基链反应包括三个阶段:(1)链引发链引发:Cl2 2 Cl 吸热 (2)链增长链增长:Cl +CH4 CH3 +HCl CH3 +Cl2 CH3Cl +Cl 放热 类似地 Cl +CH3Cl CH2Cl +HCl CH2Cl +Cl2 CH2Cl2 +Cl 同理 生成 CHCl3
14、 和 CCl4 (3)链终止链终止:Cl +Cl Cl2 CH3 +CH3 CH3CH3 CH3 +Cl CH3Cl （4）取代反应活性）取代反应活性:光或热叔氢叔氢 仲氢仲氢 伯氢伯氢 甲烷甲烷2-2环烷烃v主要内容：主要内容：v 1.环烷烃分类及命名环烷烃分类及命名vv 2.单环烷烃化合物的结构单环烷烃化合物的结构vv 3.单环烷烃化合物的化学性质单环烷烃化合物的化学性质vv 4.环己烷的构象（椅式、船式、半椅式和扭环己烷的构象（椅式、船式、半椅式和扭船式构象）船式构象）一、环烷烃的分类和命名一、环烷烃的分类和命名 分子中含有碳环结构，而性质与脂肪烃相分子中含有碳环结构，而性质与脂肪烃相似
15、的烃类，称为脂环烃。按照碳环多少，可分似的烃类，称为脂环烃。按照碳环多少，可分为单环烷烃和多环烷烃（二环为主）。为单环烷烃和多环烷烃（二环为主）。1.单环烷烃单环烷烃(单单单单)环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃通式：通式：通式：通式：C Cn nH H2n2n（与烯烃通式相同）（与烯烃通式相同）（与烯烃通式相同）（与烯烃通式相同）桥环烃（稠环）桥环烃（稠环）桥环烃（稠环）桥环烃（稠环）桥环烃桥环烃桥环烃桥环烃螺环烃螺环烃螺环烃螺环烃 (多多多多)环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃（1）分类）分类以环为母体，名称以环为母体，名称用用“环环”（英文（英文用用 “cyclo”）开）开头。头。环外基团作为环上环外基团作
16、为环上的取代基的取代基环环环环丙烷丙烷丙烷丙烷环环环环己烷己烷己烷己烷甲基甲基甲基甲基环环环环丙烷丙烷丙烷丙烷命名与烷烃相似，环为母体，称为命名与烷烃相似，环为母体，称为命名与烷烃相似，环为母体，称为命名与烷烃相似，环为母体，称为“环某烷环某烷环某烷环某烷”环上有环上有环上有环上有1 1个取代基不必编号，有个取代基不必编号，有个取代基不必编号，有个取代基不必编号，有2 2个或个或个或个或2 2个以上取代基要编号，个以上取代基要编号，个以上取代基要编号，个以上取代基要编号，使其位次最小。取代基不同时，使连接小取代基的碳编号为使其位次最小。取代基不同时，使连接小取代基的碳编号为使其位次最小。取代基
17、不同时，使连接小取代基的碳编号为使其位次最小。取代基不同时，使连接小取代基的碳编号为1 1位。位。位。位。1,3-1,3-1,3-1,3-二甲基二甲基二甲基二甲基环己烷环己烷环己烷环己烷1 1 1 1-甲基甲基甲基甲基-4 4 4 4-异丙基异丙基异丙基异丙基环己烷环己烷环己烷环己烷 取代基位置数字取取代基位置数字取最小最小n n 普通环烷烃的普通环烷烃的普通环烷烃的普通环烷烃的命名命名命名命名（2）命名）命名 顺反异构用顺反异构用“顺顺”或或“反反”注注明基团相对位置。明基团相对位置。英文用英文用“cis”和和“trans”表表示。示。顺顺顺顺-1,3-1,3-1,3-1,3-二甲基环戊烷二
18、甲基环戊烷二甲基环戊烷二甲基环戊烷取代基有类似烯烃的顺反异构体时，取代基有类似烯烃的顺反异构体时，取代基有类似烯烃的顺反异构体时，取代基有类似烯烃的顺反异构体时，2 2个相同取代基位于环平面同侧个相同取代基位于环平面同侧个相同取代基位于环平面同侧个相同取代基位于环平面同侧顺式顺式顺式顺式2 2个相同取代基位于环平面异侧个相同取代基位于环平面异侧个相同取代基位于环平面异侧个相同取代基位于环平面异侧反式反式反式反式反反反反-1,3-1,3-1,3-1,3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷二甲基环戊烷二甲基环戊烷（两者为对映异构体）（两者为对映异构体）（两者为对映异构体）（两者为对映异构体）顺反异构体顺反异
19、构体顺反异构体顺反异构体2.多环烷烃多环烷烃 螺环和桥环螺环和桥环v螺环化合物的命名规则螺环化合物的命名规则:构成螺环母体的两个环的总碳数称为构成螺环母体的两个环的总碳数称为“螺螺 某烷某烷”;内标数字，用阿拉伯数字标出大环和小环的含碳数内标数字，用阿拉伯数字标出大环和小环的含碳数目目（螺原子除外），（螺原子除外），小数在前，大数在后，数字之间用小数在前，大数在后，数字之间用小圆点隔开；小圆点隔开；“螺螺 小小 大大 某烷某烷”有取代基时要编号，编号从小环中与螺原子相邻的碳开有取代基时要编号，编号从小环中与螺原子相邻的碳开始，经过螺原子到大环。使取代基位次最小。始，经过螺原子到大环。使取代基位
20、次最小。n n 螺环烃（螺环烃（螺环烃（螺环烃（spiro hydrocarbonspiro hydrocarbon）的命名的命名的命名的命名结构特点：结构特点：螺环化合物是两个碳环螺环化合物是两个碳环共用一个共用一个碳原子的化合物。碳原子的化合物。共用的碳原子叫螺原子。共用的碳原子叫螺原子。编号从小环开始编号从小环开始 取代基数目取小，取代基数目取小，螺螺螺螺4.54.5癸烷癸烷癸烷癸烷spirospiro4.5decane4.5decane4 4-甲基甲基甲基甲基螺螺螺螺2.42.4庚烷庚烷庚烷庚烷4 4-methylmethylspirospiro2.4heptane2.4heptane
21、除螺除螺除螺除螺C C外的碳原子数外的碳原子数外的碳原子数外的碳原子数 (用用.隔开隔开)v结构特点：两个环共用两个或两个以上碳原子。结构特点：两个环共用两个或两个以上碳原子。v 共用的碳原子叫共用的碳原子叫桥头碳桥头碳。v桥环化合物的命名规则桥环化合物的命名规则:构成桥环母体上总碳数称构成桥环母体上总碳数称“二环二环【】某烷某烷”【】内标数字，标出桥上的碳原子数目内标数字，标出桥上的碳原子数目（桥头碳除外），（桥头碳除外），大在前，小在后，数字之间用下角圆点隔开大在前，小在后，数字之间用下角圆点隔开;(桥上无碳用零桥上无碳用零补位补位)“二环二环【大大 小小】某烷某烷”v n n桥环烃（桥环
22、烃（桥环烃（桥环烃（Bridged hydrocarbonBridged hydrocarbon）的命名）的命名）的命名）的命名v 二环4.4.0癸烷 二环3.2.1辛烷v 有取代基时要编号，编号是从第一桥头碳开始，有取代基时要编号，编号是从第一桥头碳开始，沿最长的桥到另一个桥头碳，再沿次长的桥回到第沿最长的桥到另一个桥头碳，再沿次长的桥回到第一个桥头碳，最短的桥最后编号。使取代基位次最一个桥头碳，最短的桥最后编号。使取代基位次最小。例如：小。例如：bicyclo2.2.1heptanebicyclo2.2.1heptane二环二环二环二环2.2.12.2.1庚烷庚烷庚烷庚烷2,7,72,7,
23、7-三甲基三甲基三甲基三甲基二环二环二环二环2.2.12.2.1庚烷庚烷庚烷庚烷 2,7,72,7,7-trimethyltrimethylbicyclobicyclo 2.2.1heptane 2.2.1heptane桥桥 头头 碳：碳：几个环共用的碳原子，几个环共用的碳原子，环的数目：环的数目：断裂二根断裂二根CC键可成链状烷烃为二环；断裂三根键可成链状烷烃为二环；断裂三根CC 键可成链状烷烃为三环键可成链状烷烃为三环桥头碳原子数：桥头碳原子数：不包括桥头不包括桥头C，由多到少列出，由多到少列出环的编号方法：环的编号方法：从桥头开始，先长链后短链从桥头开始，先长链后短链桥头碳原子桥头碳原子
24、桥头碳原子桥头碳原子十氢萘十氢萘十氢萘十氢萘二环二环二环二环4.4.04.4.0癸烷癸烷癸烷癸烷bicyclobicyclo4.4.04.4.0decanedecane桥头间的碳原子数桥头间的碳原子数桥头间的碳原子数桥头间的碳原子数 (用用.隔开隔开)环的数目环的数目环的数目环的数目组成桥环的组成桥环的组成桥环的组成桥环的碳原子总数碳原子总数碳原子总数碳原子总数二、环烷烃的二、环烷烃的化学性质化学性质v 1.开环反应开环反应 三元环和四元环容易与实际加三元环和四元环容易与实际加 成，成，开环而生成链状化合物。开环而生成链状化合物。（1）催化氢化）催化氢化（打开一根（打开一根 C-C 键）键）主
25、要产物主要产物主要产物主要产物支链多支链多较稳定较稳定（2）与卤素和卤化氢加成）与卤素和卤化氢加成 1,3-二溴丙烷1,4-二溴丁烷2.卤代反应卤代反应三、环烷烃的结构与稳定性三、环烷烃的结构与稳定性键角键角60轨道夹角轨道夹角105.5不等性不等性sp3杂化杂化:形成形成C-C键键sp3杂化轨道具有较多杂化轨道具有较多p成分。成分。环丙烷分子轨道图环丙烷分子轨道图The molecular orbital of cyclopropane蝴蝶型蝴蝶型(环丁烷环丁烷)信封型信封型扭曲型扭曲型环戊烷环戊烷从环丁烷开始，成环碳原子均不在同一平面上。从环丁烷开始，成环碳原子均不在同一平面上。四、环己烷
26、的构象四、环己烷的构象 环己烷的六个成环碳原子不共平面，环己烷的六个成环碳原子不共平面，CCC键角为键角为109.5，是无张力环。，是无张力环。环己烷有椅式和船式两种典型构象：环己烷有椅式和船式两种典型构象：椅式（优势）椅式（优势）船式（不稳定）船式（不稳定）船头船头H-H183nm240nm每个每个C都是交叉式都是交叉式排斥力最小排斥力最小椅式椅式椅式椅式船式船式船式船式Newman投影式投影式a 键键 和和 e 键键 环己烷中的碳氢键可分为两种类型，每个环己烷中的碳氢键可分为两种类型，每个 碳原子上有一个碳原子上有一个a键和一个键和一个e键，键，a键和键和e键夹角键夹角109 28在环中上
27、下交替排列。在环中上下交替排列。12条条C-H键键6条条a键：与中心轴相平行，键：与中心轴相平行，3上上3下，下，相邻方向相反，相隔方向相同相邻方向相反，相隔方向相同6条条e键：与键：与a键成键成109 28 3上上3下，相邻方向相反，相隔方向相同下，相邻方向相反，相隔方向相同 环己烷由一种椅式构象翻转为另一种环己烷由一种椅式构象翻转为另一种椅式构象时，原来的椅式构象时，原来的a键都变为键都变为e键，原来键，原来的的e键都变为键都变为a键。键。环己烷环上有环己烷环上有1个取代基时放在个取代基时放在e键上的构象最稳键上的构象最稳定。取代基越大，这种优势越明显。定。取代基越大，这种优势越明显。R=
28、CH3时，时，95%处处于于e键；键；R=(CH3)3时，时，99.9%处于处于 e键键l 叔丁基环己烷的构象叔丁基环己烷的构象叔丁基环己烷的构象叔丁基环己烷的构象1.31.3-竖键作用非常大，不稳定竖键作用非常大，不稳定竖键作用非常大，不稳定竖键作用非常大，不稳定优势构象优势构象优势构象优势构象室温：室温：室温：室温：100100环上连有环上连有2个或个或2个以上取代基时，都放在个以上取代基时，都放在e键上键上稳定。稳定。C(CH3)31-甲基甲基-4-叔丁基环己烷叔丁基环己烷环上环上2个取代基有顺反要求时，视具体情况，个取代基有顺反要求时，视具体情况，大取代基先放在大取代基先放在e键上稳定。键上稳定。顺顺-1-甲基甲基-4-叔丁基环己烷叔丁基环己烷（优势构象（优势构象-最稳定）最稳定）不稳定不稳定 练习：练习：若用优势构象式可表示为：若用优势构象式可表示为：顺顺-1,4-二甲二甲基环己烷基环己烷反反-1,4-二甲二甲基环己烷基环己烷顺顺-1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷反反-1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷 当环上连有两个或两个以上取代基时当环上连有两个或两个以上取代基时,产生顺反异构。产生顺反异构。环己烷优势构象要求：v会画出不同环己烷衍生物优势构象。v会依据环己烷取代基放在e键上稳定性原理，比较环己烷衍生物优势构象稳定性。