2-饱和烃(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章、饱和烃：烷烃和环烷烃,一、,烷烃和环烷烃的通式和构造异构,分子中仅仅含有碳氢两种元素的有机化合物称为碳氢化合,物（简称,烃,），是最简单的有机化合物。根据分子的碳架，可以,分为：,烃,烯烃,烷烃,炔烃,脂肪烃,芳香烃,脂环烃,饱和脂环烃（,环烷烃,）,不饱和脂环烃,1.,烷烃和环烷烃的通式,a.,烷烃中，,C,原子的四个共价键除了以单键与,C,原子相互结合,成碳链外，其余的共价键都和,H,原子结合（被,H,原子所饱和）,因此称为饱和烃。,烷烃广泛存在于自然界，从天然气和石油中分离出来的烷烃,有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷等。从,CH,4,、,CH,3,CH,3,、,CH,3,CH,2,CH,3,可以看出，每增加,1,个,C,原子，就增加,2,个,H,原子。,烷烃的通式：,C,n,H,2n,2,b.,由碳和氢两种元素组成而性质与烷烃相似的饱和碳环化合物,称为环烷烃。,环烷烃的通式：,C,n,H,2n,凡是具有同一通式，在组成上相差一个或多个,CH,2,的一系列化,合物，称为,同系列,同系列中化合物称为,同系物,。,同系物具有类似的化学性质，为学习和研究提供了方便,2.,烷烃和环烷烃的构造异构,a.,烷烃：,分子式相同，而结构不同的化合物称为,同分异构体,。,随着,C,原子的增加，异构体的数目增加，例如，戊烷有三种,异构体，己烷有五种异构体。,碳骨架不同引起的构造异构又称,碳架异构,b.,环烷烃：,与环烷烃类似，但比环烷烃复杂,异构现象是造成有机化合物数目庞大的原因之一,二、烷烃和环烷烃的命名,1.,伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子,某一个碳原子与一个、两个、三个、四个碳原子相连时，该,C,原子称为：,伯、仲、叔、季碳原子（,1,、,2,、,3,、,4,）。,与,伯、仲、叔碳原子相连的,H,原子相应地称为：,伯、仲、叔氢,2.,烷基和环烷基,烷烃和环烷烃分子从形式上去掉一个氢原子后剩余的部分,分别称为,烷基,和,环烷基,。烷基的通式为,C,n,H,2n,1,，通常用,R,表示,.,环烷基的通式为,C,n,H,2n-1,正烷基,：去掉直链烷烃末端氢原子所得的原子团叫正烷基。命名时用“,正,”,或 “,normal”,的第一个字母“,n,”,表示。,仲烷基,：去掉一个仲氢原子所得烷基叫仲烷基。用“,仲,”或 “,secondary”,的,前三个字母“,sec,”,表示。,叔烷基,：去掉一个叔氢原子所得烷基叫,叔,烷基。用“,tertiary”,的前一个字母,“,t,”,表示。,异烷基,：链端倒数第二位碳原子上带有一个甲基支链。用“,isomeric”,的前,一个字母“,i,”,表示。,烷烃分子从形式上去掉两个氢原子后剩余的基团称为,亚烷基,3.,烷烃的命名,(1).,普通命名法,根据,C,原子的数目来命名，十个,C,以内的用十个天干名称来表示：甲、乙、,丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸,(,gui,),。,为了,区分同分异构体,，通常采用一些词头来表示：,正（,n,）,表示直链烷,异（,i,）,表示链端第二位,C,原子上带有一个甲基。,新（,neo,）,表示链端第二位,C,原子上带有两个甲基,适用于简单的有机化合物,(2).,衍生物命名法,将烷烃看作是,甲烷的烷基衍生物,。适用于简单、含碳原子较少的烷烃。文,献中极少使用。,原则：,1,、选择连有烷基最多的,C,原子作为甲烷的,C,原子，而把与此,C,原子相,连的基团作为甲烷,H,原子的取代基。,2,、取代的烷基按大小排列，简单在前，复杂在后。,(3).,系统命名法,目前有机化合物最常用的命名法是,IUPAC,（,Internationl,Union of Pure,and Applied Chemistry,国际纯粹化学和应用化学联合会）系统命名法。,我国现用的系统命名法是根据,IUPAC,规定的原则，再结合我国文字上的特点,而制订的。,原则：,1,、,直链,烷烃以,C,原子数目命名，十以内以天干名称表示（与习惯命,名相似，只是去掉“正”字），十以上以中文数字（十一、十二等）,表示。,2,、带有,支链,的烷烃,选主链：选择支链,最多的，最长,的碳链作为母体，按碳链数目，,称为某烷。,b.,编号：将主链上的碳原子从靠近支链的一端开始依次用阿拉伯数字编号；,当主链编号有几种可能时，应选定支链具有“,最低系列,的编号,“最低系列”,是指当碳链以不同方向编号，得到两种或两种以上不同,的编号序列时，则顺次逐项比较各序列的不同位次，首先遇到,位次最小者,，,定为“,最低系列,”。,c.,命名取代基,:,命名时将取代基的名称写在主链名称之前，取代基的位次用,主链上碳原子的编号表示，写在取代基名称之前，两者之间,用半字线“,-”,相连。,当含有几个不同的取代基时，取代基排列的顺序，按“,次序规则,”,(,见第三章,3.3.3),所规定的“,较优,”基团,后,列出，如,:,当含有几个相同的取代基时，相同基团合并，用：二、三、四,表示其数目，,并逐个标明其所在位次，位次号之间用“,”,号分开。,如果烷烃比较复杂，在支链上还连有取代基时，可用,带撇的数字,标明取代,基在支链中的,位次,或把带有取代基的支链的全名放在括号中。,练习：,4.,环烷烃的命名,根据分子中环的数目，可分为单环脂环烃、二环脂环烃和多环脂环烃。,(1),单环环烷烃的命名,以,碳环,作为母体，环上,侧链,作为取代基，名字前面加,环,字。环上碳原,子的编号顺序，以取代基所在位置最,小,为原则。,(2),二环环烷烃的命名,二环脂环烃根据环的连接方式可分为以下四种类型：,联环烃：,两个环彼此以单键（或双键）直接相连。,螺环烃：,两个环共用一个碳原子。,稠环烃：,两个环共用两个相邻的碳原子。,桥环烃：,两个环共用两个不直接相连的碳原子。,(1),桥环烃 的命名,结构特点：是都有两个,桥头,碳原子和三条连在桥头上的“,桥,”,编号：先编,最长,的桥，从,桥头碳原子,开始编号。,命名：根据组成环的碳原于总数命名为“,某烷,”，加上词头“,双环,”。再把,各“桥”所含的碳原子的数目，按由,大到小,的次序写在“双环”和“某,烷”之间的方括号里，数字用,圆点,分开。环上碳原子编号则从一个,桥头碳原子开始，先编,最长,的桥至第二个桥头；再编余下的,较长,的,桥，回到第一个桥头，最后编,最短,的桥。而编号的顺序以取代基位,置号码加和数较小为原则。,(2),螺环烷烃的命名,结构特点：两个碳环共用一个碳原子（,螺原子,）的化合物。,编号：,先编,小环,，从连接在,螺原子,上的某碳原子开始编号。,命名：根据组成环的碳原子总数，命名为“,某烷,”，加上词头“,螺,”。,再把连接于螺原子的两个环的碳原子数目，按,由小到大,的,次序写在“螺”和“某烷”之间的,方括号,里，数字用,圆点,分开。,环上有取代基时，碳原子的编号是从连接在螺原子上的一个,碳原子开始，先编较小的环，然后经过螺原子再编第二个环。,三、 烷烃和环烷烃的结构,1.,键的形成及其特性,原子轨道沿核间联线,(,键轴,),相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称的轨道，,称为,轨道。,轨道上的电子称为,电子,。,轨道的共价键称为,键,。,在,甲烷,分于中，已知碳原子为,sp,3,杂化，,C,H,键是由,碳原子的,sp,3,杂,化轨道,与,氢原子的,1s,轨道,在对称轴的方向交盖而成。,sp,3,杂化碳原子形成的甲烷,sp,3,杂化碳原子形成的乙烷,由两个和两个以上碳原子组成的烷烃，其,C,H,键,也是由碳原子的,sp,3,杂化轨道与氢原于的,1s,轨道在对称轴的方向交盖而成。不同之处是，,CC,键,是由两个碳原子各以一个,sp,3,杂化轨道在对称轴的方向交盖而成,六个,C,H,键,和一个,C,C,键,四个,C,H,键,其他烷烃上碳原子所连接的四个原子或原子团并不完全相同，因此每个碳上的键角并不完全相同。除乙烷外，烷烃分子的碳链并不排布在同一条直线上，而是,曲折地,排布在空间。为了书写的方便，碳链仍然写成直链的形式。,也可用,键线式,来书写烷烃的分子结构。用锯齿型线的角及其端点来代表碳原子，除氢原子外的其他原子或原子团必须写出。,2.,环烷烃的结构与环的稳定性,(1),燃烧热与环的稳定性,环烷烃的燃烧热,环烷烃比开链烷烃具有,较高,的能量,环越小，,张力能越大，分子越不稳定,环己烷是个,无张力环,环己烷和,C12,以上的大环化合物都是很,稳定的化合物,。,（,a,）键角偏离正常键角,环烷烃中碳原子的成键轨道为,SP,3,，,正常键角应为,109.5,（,b,）重叠式构象引起的张力,(2).,环烷烃不稳定的,原因,3.,烷烃和环烷烃的构象,构象：,由于围绕单键旋转而引起的分子中各原子在空间的不同排列方式,称为构象。,(1),乙烷的构象,乙烷的的构象是是,无穷多,的，其中有典型意义的两种构象是,重叠式,和,交叉式,的构象,乙烷分子绕,C,C,单键,360,o,时要经过三个重叠式和三个交叉式构象。这两种构象可分别用,透视式,和,纽曼,（,M.S.Newman,）投影式表示：,Newman,投影式是从,C,C,键的延长线上观察，两个碳原子在投影式中处,于重叠位置。,表示距离观察者较近的碳原子及其三个键。,表示距离观察者较远的碳原子及其三个键。每一个碳原子所连接,的三个键，在投影式中互呈,120,角。,(1),重叠式,构象中，两个碳原子上的,H,原子相互重叠，无论,C,H,键上的,电子,对之间，或,H,原子之间的距离均最近，,相互排斥力最大,，因此,能量最高,，,是,最不稳定的构象,(2),在,交叉式,构象中，两个,H,原子相互交错，无论,C,H,键上的,电子对之间，,或,H,原子之间的距离均最远，,相互排斥力最小,，因此,能量最低,，是,最稳定,的构象,(3),重叠式的能量比交叉式能量约高,12.6kj/mol,，这种能量差叫做,能垒,。,单键的旋转并,不是完全自由,的，但是在,室温下，分之热运动即可越过此能垒，,而使各种构象迅速互变，所以在室温想,乙烷是无数构象组成的,平衡混合物,(2),丁烷的构象,丁烷四种典型构象的能量高低为：,对位交叉式,邻位交叉式,部分重叠式,全重叠式,(3),环己烷的构象,环己烷不是平面结构。它的较为稳定的两种构象是,椅型构象,和,船型构象,椅型构象中,，所有,CCC,键角基本保持,109,5,，而任何两个相邻碳上的,CH,键都是,交叉式,的。所以环己烷的椅型构象是个,无张力环,。,船型构象中，所有键角也都接近,109,5,，故也没有,角张力,，但其相邻碳上的,C-H,键却,并非全是交叉,义的。,C-2,和,C-3,上的,CH,键，以及,C-5,和,C-6,上的,CH,键都是,重叠式,的。此外，在船型构象中，,C-1,和,C-4,上的两个向内伸的氢原子之,间，由于距离较近而互相排斥，这也使分子的能量有所升高。,椅型比船型,稳定,。环己烷的椅型和船型构象是,互相转化,的,环己烷分子通过,CC,键的不断扭动，它可以由一种椅型翻转为另一种椅型。,构象翻转,后，原来的,a,键全部变成,e,键；同时原来的,e,键全部变成,a,键。,常温下，这两种构型的变化为可逆的,4.,取代环己烷的构象,(1),一取代环己烷的构象,在平衡体系中，,e,键甲基环己烷占,95%,，,a,键甲基环己烷只占,5%,(2),多取代环己烷的构象,a e,型,顺,-l,，,2-,二甲基环己烷,a a,型,e e,型,反,-1,，,2-,二甲基环已烷,当环己烷上连有多个取代基时，往往是,e,键取代基最多,的构象较稳定。,如果环上有不同的取代基时则体积,大的取代基在,e,键,的构象较稳定。,五、烷烃和环烷烃的物理性质,烷烃是,非极性分子,，因此分子间的作用力主要是,色散力,，碳原子数目越,多分子间色散力越大。支链烷烃的支链越多，分子 间接触面积越小，色散力,就越小。烷烃的物理性质都与这点有关。,1,）沸点：分子间作用力越大，沸点越高,4,）溶解度：“相似相溶”规则,数碳原子数目,数目，,b.p,碳原子数目相同,支链，,b.p,支链数目相同,对称性，,b.p,2,）熔点：烷烃熔点较低,M,，,m.p,，含偶数,C,，,m.p,的多；含奇数,C,，,m.p,的少,从而形成了“,偶上奇下,”两条曲线。,3,）密度：所有烷烃密度小于,1,六、烷烃和环烷烃的化学性质,1.,自由基取代反应,烷烃和环烷烃分子中的氢原子被其他原子或集团取代的反应，称为取代,反应。通过自由基取代分子中氢原子的反应，称为,自由基取代反应,。,(1),卤化反应,烷烃和环烷烃分子中的氢原子被卤原子取代的反应，称为卤代反应或,卤化反应,(2),卤化的反应机理,对化学反应进行详细描述和理论解释叫反应历程或,反应机理。,在光照或高温下，烷烃的氯代反应属自由基链反应或自由基,反应。甲烷反应历程如下：,(3),卤化反应的取向与自由基的稳定性,以,1H,的反应活性为,1,解释：,H,原子的反应活性次序为：,3H,2H,1H,，,显然，自由基形成的难易应为：,容易形成的自由基，一定是稳定的自由基。自由基的稳定性顺序为：,(4),反应活性与选择性,反应活性：,F ,Cl, Br I,(2),氧化反应,烷烃在空气中点火引发可发生燃烧反应，并放出大量的热。,在催化剂存在下，烷烃可以氧化为含氧化合物。所得产物为混合物，,工业上应用价值不大。,(3),异构化反应,由一个化合物转变成其异构体的反应叫做,异构化反应,炼油工业中利用异构化反应，,使石油馏分中的直链烷烃异,构化为支链烷烃以提高汽油,质量,(4),裂化反应,在高温下使烷烃分子发生裂解的过程称为,裂化,；在催化剂存在下的裂化,叫,催化裂化,裂化反应后得到,较低级的烷烃,，也含有,烯烃,和,氢,(6),小环环烷烃的加成反应,a.,+ H,2,环烷烃在催化剂存在下与氢作用，可以,开环,而生成烷烃。但内于环的大,小不同，催化加氢的难易不同。环丙烷很容易加氢，环丁烷需要在较高的温,度下加氢，而环戊烷和环己烷则必须在更强烈的条件下,b.,+ Br,2,环丙烷在,常温,下即可与溴加成，而环丁烷与溴在常温下不反应，加热,才能开环。环戊烷以上,难与,卤素加成，温度再升高发生的是自由基取代反应。,c.,+,HBr,三碳环容易与卤化氢加成，生成相应的卤代烃。四碳环以上不那么容易开,环，在常温下与卤化氢等不发生加成反应,.,环的破裂发生在,含氢最多,和,含氢最少,的两个碳原子之间,卤化氢的加成符合,马尔科夫尼科夫,规律,七、烷烃和环烷烃的主要来源和制法,1.,烷烃和环烷烃的主要来源,:,石油和天然气,2.,烷烃和环烷烃的制法,（,1,）烯烃加氢,（,2,）,Corey-House,（,3,）由卤代烷制备,