第二章烷烃和环烷烃.pptx

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1、2 2、环烷烃 CycloalkanesCycloalkanes单环烷烃通式为：CnH2n，n为碳原子个数。双环烷烃通式为：CnH2n-2，n为碳原子个数。单环脂环烃螺环烃桥环烃二环脂环烃广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第1页/共55页(1)烷烃的同系列和同系物同系列：通式相同，组成上相差“CH2”及 其 整倍数的一系列化合物。同系物：同系列中的各个化合物互为同系物。系 差：“CH2”称为系差。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 构造异构第2页/共55页-11.73沸点：-0.5 构 造：分子中原子互相连接的方式和次序 同分异构体：分子式相同，构造不同的一类化合物同分异构现象，构造异构体

2、(2)烷烃的构造异构戊烷的3个同分异构体丁烷的2个同分异构体 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 2,2-二甲基丙烷正戊烷2-甲基丁烷第3页/共55页烷烃构造异构体的数目 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第4页/共55页（3）环烷烃的同分异构 isomerism 环烷烃的构造异构现象比脂肪烃复杂，如环烷烃C5H10的构造异构体有：环戊烷1,1-二甲基环丙烷乙基环丙烷甲基环丁烷1,2-二甲基环丙烷广东药学院广东药学院 主讲人:申东升（A）构造异构（B）顺反异构顺-1,4-二甲基环己烷反-1,4-二甲基环己烷熔点：87.4 熔点：-37沸点：124.3 沸点：19.1第5页/共55页 伯、

3、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 碳原子和氢原子的分类 4种碳原子，3种氢原子。第6页/共55页（A）烷基(1)常见烷基甲基(Me-)乙基(Et-)丙基(Pr-)异丙基(i-Pr-)丁基(n-Bu-)仲丁基(s-Bu-)异丁基(i-Bu-)叔丁基(t-Bu-)新戊基(neopentyl)烷 -ane 烯 -ene 炔 -yne苯基(Ph-)芳基(Ar-)烷烃的命名 Naming Branched-Chain AlkanesNaming Branched-Chain Alkanes 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 2.2 2.2 命名 nomencl

4、ature第7页/共55页(2)常见亚烷基 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第8页/共55页（B）普通命名法(习惯命名法)碳原子数用“天干”字甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和十一、十二等数目字表示。用“正”、“异”、“新”等前缀区别不同的构造异构体。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第9页/共55页(1)选取包含支链最多的、碳链最长的为主链(2)按“最低系列”原则编号（C）系统命名法(IUPAC)广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第10页/共55页(3)一些主要官能团按优先递减排序 -COOH,-SO3H,-COOR,-COCl,-CONH2,-CN,-CHO,-C=O,

5、-OH,-SH,-NH2,-CC,-C=C,-OR,-X,-NO2，R后列出先列出 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 Functional Groups第11页/共55页a依次写出取代基的位次和名称以及主链名称。b“次序规则”“较优”取代基后列出。c相同取代基合并表示。(4)写出名称5-丙基-4-异丙基壬烷1 2 3 4 5 6 7 8 93,7-二甲基-4-乙基辛烷9 8 7 6 5 4 3 2 1 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第12页/共55页(5)支链的命名10 9 8 7 6 5 4 3 2 12-甲基-5-(1,1-二甲基丙基)癸烷 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升

6、 第13页/共55页A.单环脂环烃(a)在相应烷烃名称前加“环”字，称为“环某烷”；(b)使所有取代基编号尽可能小；甲基环戊烷1,2-二甲基环己烷1-甲基-3-乙基环己烷广东药学院广东药学院 主讲人:申东升顺-1,3-二甲基环丁烷反-1,3-二甲基环丁烷顺-1,4-二甲基环己烷反-1,4-二甲基环己烷环烷烃的命名第14页/共55页B.二环脂环烃 指分子碳架中含有两个碳环的烃。它又分为：联环烃 螺环烃(螺烃)桥环烃(桥烃)联二环己烷螺4.4壬烷二环癸烷(十氢化萘)二环庚烷(降冰片烷)(a)桥环烷烃 bridged-ring compound 二环桥环烷烃命名时以二环为词头，按成环碳原子总数称为“

7、某烷”；将各桥碳原子数由大到小用数字表示，用下角圆点分开放在方括号中，将括号放在“二环”和“某烷”中间；广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第15页/共55页编号从一个桥头开始，沿最长桥到另一桥头，再沿次长桥回到起始碳，最后是最短桥；环上支链作为取代基，命名时将取代基位次和名称放在“二环”之前即可。2,8-二甲基-1-乙基二环辛烷7,7-二甲基二环庚烷3,7,7-三甲基二环庚烷 16 2 75 3 4广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第16页/共55页 二环螺环烃命名时以“螺”为词头,称“螺某烷”；将各环除螺原子以外的碳原子数由小环到大环用数字表示，用圆点分开放在方括号中，括号放在“螺”和“

8、某烷”中间；编号从较小环与螺原子相邻的碳开始，沿小环经螺原子到较大的环；支链命名与桥环烷烃相同。(b)螺环烷烃 spiro compound螺2.4庚烷螺5.5十一烷5-甲基螺3.4辛烷广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第17页/共55页 2.3 结构 烷烃的结构 （1）碳原子轨道的sp3杂化每个sp3杂化轨道含1/4 s 成分和 3/4 p成分sp3杂化轨道形状碳原子的sp3杂化轨道键角为 109.5 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 Electronic structure of Alkanes第18页/共55页 原子 轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称的轨道称为 轨道。轨道

9、构成的共价键称为键。例如：甲烷分子中有四个CH键。相类似，乙烷分子中有六个CH键和一个 CC键。甲烷乙烷（2）键的形成及其特性 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第19页/共55页甲烷正丁烷键的特性:成键原子可沿键轴自由旋转;键能较大，可极化性较小。球棍模型(Kekul模型)比例模型(Stuart模型)广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第20页/共55页 2.3.2 小环烷烃的结构 （1）角张力的概念 Rings strain 拜尔张力学说要点 香蕉键 banana bond假定形成环的碳原子都在同一平面上，并排成正多边形假定碳碳键角的变形会产生张力，键角变形越大，张力越大偏转角越小，

10、环越稳定，反应活性越小。Small ring medium ringTorsion angle广东药学院广东药学院 主讲人:申东升+24.73+9.73 +0.73 -5.27第21页/共55页（2）燃烧热 判断环烷烃的稳定性 燃烧热 指1mol化合物完全燃烧生成二氧化碳和水所放出的能量，其大小反映了分子能量的高低。由环丙烷到环戊烷，随环增大，每个亚甲基单元的燃烧热依次降低；由环己烷开始，亚甲基单元的燃烧热趋于恒定。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第22页/共55页（3）环丙烷和环丁烷的结构由于角张力作用，使得环丙烷分子不稳定。从环丁烷开始，成环碳原子均不在同一平面上。Angle stra

11、in广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第23页/共55页 环己烷分子中无张力；而七到十二个碳原子组成的环烷烃，环内氢原子间的扭转张力使它们的稳定性略有下降。当环进一步增大时,稳定性与环己烷相似。如环二十二烷就是无张力环：环二十二烷Large ring广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第24页/共55页2.4 构象 烷烃的构象 （1）乙烷的构象构象：由于围绕键旋转而产生的分子中原子或基团在空间的不同排列方式。乙烷的两种极限构象重叠式(顺叠式)构象交叉式(反叠式)构象重叠式(顺叠式)构象交叉式(反叠式)构象透视式Newman投影式乙烷不同构象的能量曲线图交叉式构象最稳定，重叠式构象最不稳定。广

12、东药学院广东药学院 主讲人:申东升 Conformations of Ethane第25页/共55页（2）正丁烷的构象对位交叉式(反错式)部分重叠式(反叠式)邻位交叉式(顺错式)全重叠式(顺叠式)正丁烷沿C2和C3之间的键键轴旋转有四种典型构象。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 Conformations of Butane第26页/共55页正丁烷不同构象的能量曲线图 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第27页/共55页蝴蝶型(环丁烷)信封型扭曲型环戊烷 rotamerEnvelope conformation twist conformation 环烷烃的构象 Conformatio

13、n of Cycloalkanes（1 1）环丙烷和环丁烷的构象（2 2）环戊烷的构象广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第28页/共55页 环己烷的六个成环碳原子不共平面，CCC键角为109.5，是无张力环。环己烷有椅型和船型两种极限构象：椅型 chair conformation船型 boat conformation（3 3）环己烷的构象广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第29页/共55页 椅型构象和船型构象可以互相转变。船型环己烷比椅型能量高30kJmol-1，常温下平衡体系主要以稳定的椅型构象存在。船型分子中存在扭转张力和氢原子之间的非键张力Conformational inver

14、sion广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第30页/共55页 环己烷中的碳氢键可分为两种类型，每个碳原子上有一个a键和一个e键，在环中上下交替排列。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升（4 4）环己烷椅式构象中的竖键和横键第31页/共55页 环己烷由一种椅型构象翻转为另一种椅型构象时，原来的a键都变为e键，原来的e键都变为a键。（5 5）环己烷椅式构象的翻环作用Axial bondequatorial bond广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第32页/共55页 一取代环己烷的取代基在e键上的构象占优势。取代基越大，这种优势越明显。若环上连有不同的取代基，一般是体积大的取代基优先处于e键。

15、多取代的环己烷，一般取代基处于e键最多的构象最稳定。例如杀虫剂六六六的最稳定构象是异构体而不是异构体：R=CH3时，95%处于e键；R=(CH3)3时，99.9%处于 e键-异构体(低活性)异构体(高活性)广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第33页/共55页 直链烷烃的沸点一般随相对分子质量的增加而升高。一般C4以下的直链烷烃是气体，C5-C16的烷烃是液体，大于C17的烷烃是固体。碳原子数相同 时，含支链多的烷烃沸点低。烷烃的物理性质沸点(bp)(bp)2.5 2.5 物理性质 Properties of AlkanesProperties of Alkanes 广东药学院广东药学院 主讲

16、人:申东升 第34页/共55页相对密度 烷烃相对密度小于1，随分子量的增加逐渐增大。溶解度 烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂。熔点(mp)直链烷烃的熔点随分子质量的增加而增加。一般含偶数碳原子烷烃的熔点通常比含奇数碳原子烷烃的熔点升高较多。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第35页/共55页一些直链烷烃的物理常数 物理性质的依数性随碳数的增加而有规律地变化，量变引起质变。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第36页/共55页环烷烃的物理性质 Physical Properties 环烷烃的沸点、熔点和相对密度都较含同数碳原子的开链脂肪烃为高。一些环烷烃的物理常数广东药学院广东药学院 主讲人:

17、申东升第37页/共55页2.6 2.6 化学反应 烷烃的化学反应 烷烃分子中的键键能大，极性小，化学性质稳定。一般在常温下与强酸、强碱、氧化剂、还原剂都不反应。（1）烷烃的氧化和燃烧 烷烃完全燃烧放出大量的热，同时产生水和二氧化碳 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第38页/共55页 适当条件下可部分氧化为醇、醛、酮、羧酸等含氧化合物。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 a.燃烧热与稳定性 燃烧热小，物质就稳定b.生成热 由标准状态下的元素生成某一化合物的焓变第39页/共55页(2)烷烃的热裂反应裂化反应 烷烃在没有氧气存在下进行的热分解反应叫裂化反应。广东药学院广东药学院 主讲人:申东

18、升 第40页/共55页 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 温度不同，裂解产物不同。第41页/共55页键裂解能 共价键裂解生成原子或自由基反应中的焓变烷基自由基 烷基自由基的稳定性丁烷热解生成几种自由基 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第42页/共55页 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 异构化反应 适当条件下，直链或支链少的烷烃可以异构化为支链多的烷烃。第43页/共55页甲烷的氯化较难停留在一氯化阶段：产物为四种氯甲烷的混合物，氯气过量时主要得到四氯化碳，甲烷过量时主要得到一氯甲烷。（3）烷烃的卤化 烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应，称为取代反应。被卤素取代的反应称

19、为卤代反应。在漫射光或热的作用下，烷烃发生卤代反应：广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第44页/共55页不同卤素与烷烃的反应活性不同，其顺序为：F2Cl2Br2I2其它烷烃也可以发生卤代反应：广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第45页/共55页烷烃的氯化是一个连锁反应，也叫链反应。一般说，链反应分为链引发、链增长和链终止三个阶段：链引发链终止链增长 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 (4)卤化的反应机理 Mechanism 第46页/共55页丙烷的氯化反应：仲氢与伯氢活性之比为：(5)卤化反应的取向与自由基的稳定性 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第47页/共55页异丁烷的一

20、元氯化反应：叔氢与伯氢活性之比为：氢原子被卤化的次序（由易到难）为：叔氢仲氢伯氢烷基自由基的稳定性次序为：(CH3)3C(CH3)2CHCH3CH2CH3 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第48页/共55页(6)反应活性与选择性 反应活性越大，选择性越差。对烷烃的卤化反应而言，氯的活性比溴大，但溴的选择性却比氯高。烷烃卤化时，卤原子的选择性是 BrClF 97%3%99%1%广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第49页/共55页环烷烃的化学性质 Chemical Properties 脂环烃的化学性质与脂肪烃相似，可发生卤化和氧化反应等。A.取代反应 B.氧化反应 环丙烷不能使高锰酸钾

21、溶液退色，区别烯烃环己醇环己酮环十二烷环十二醇环十二酮oxidationsubstitution广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第50页/共55页C.加成反应 Addition环丙烷和环丁烷与烯烃相似，易开环进行加成。（a）加氢 hydrodecyclization（b）加卤素 halodecyclization不能用溴褪色的方法来区别环烷烃与烯烃！1,4-二溴丁烷1,3-二溴丙烷广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第51页/共55页（c）加卤化氢 HCl addition取代环丙烷加成符合Markovnikov 规则广东药学院广东药学院 主讲人:申东升第52页/共55页2.7 2.7 烷

22、烃的来源和用途（1）烷烃的来源石油和天然气石油的主要成分是各种烃类(烷烃、环烷烃和芳香烃等)的复杂混合物天然气的主要成分为低级烷烃（75甲烷，15乙烷，5丙烷，5%其它较高级的烷烃）的混合物。（2）烷烃的制法(甲)烯烃加氢 (乙)Corey House合成 广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第53页/共55页 (3)民用燃料 液化气 沸点少于20度的炼油组分 组 分 丙烷 丙烯 1-丁烯 2-丁烯 异丁烯 含量%10 21.3 6.3 16.3 21.3 天然气 蕴藏在地层内的可燃性气体，主要是低分子量烷烃的混合物 煤气 由煤、焦炭等固体燃料和重油等液体燃料经干馏或气化等过程所得的气体。主要是一氧化碳、氢气和二氧化碳。广东药学院广东药学院 主讲人:申东升 第54页/共55页感谢您的观看！第55页/共55页