烷烃环烷烃和构象.ppt
第一章第一章烷烃、环烷烃和构烷烃、环烷烃和构象象由碳和氢两种元素所组成，通式为由碳和氢两种元素所组成，通式为由碳和氢两种元素所组成，通式为由碳和氢两种元素所组成，通式为CnH2n+2CnH2n+2的一类化合物称的一类化合物称的一类化合物称的一类化合物称为烷烃，环烷烃的通式为烷烃，环烷烃的通式为烷烃，环烷烃的通式为烷烃，环烷烃的通式 与烯烃相同与烯烃相同与烯烃相同与烯烃相同(CnH2n)(CnH2n)。烷烃、环烷。烷烃、环烷。烷烃、环烷。烷烃、环烷烃分子中只存在单键，因此被称为是烃分子中只存在单键，因此被称为是烃分子中只存在单键，因此被称为是烃分子中只存在单键，因此被称为是“饱和烃饱和烃饱和烃饱和烃”。由于分子中碳原子的联结顺序和方式不同，烷烃存在同分异构现象。由于分子中碳原子的联结顺序和方式不同，烷烃存在同分异构现象。由于分子中碳原子的联结顺序和方式不同，烷烃存在同分异构现象。由于分子中碳原子的联结顺序和方式不同，烷烃存在同分异构现象。l l烷烃和一般的环烷烃对许多化学试剂是不活泼的。它不和一般的氧化剂和还原剂发生反应。由于碳和氢的电负性相当接近，烷烃分子中的碳氢只发生轻微的极化，结果，它一般不受碱的影响。烷烃分子中也没有未共享电子以提供被酸进攻的位置。因此，烷烃通常是不活泼的。烷烃的主要反应是卤代和燃烧。在高温缺氧的条件下可以发生热裂反应，断裂为分子量较小的烷、烯并生成氢。卤代反应是自由基反应是包括链引发、链传递和链终结的连锁反应。以甲烷的氯代为例：l l 在卤代反应中，氢被游离基抽取的活性顺序是烯在卤代反应中，氢被游离基抽取的活性顺序是烯丙式氢这是由中间体游离基的稳定性所决定的。丙式氢这是由中间体游离基的稳定性所决定的。卤素的反应活性是卤素的反应活性是F2Cl2Br2F2Cl2Br2；碘不发生；碘不发生反应。反应。氯与溴相比，氯与溴相比，ClCl的活泼性较大，选择性较差，的活泼性较大，选择性较差，因此产物百分率受几率因素影响较大。因此产物百分率受几率因素影响较大。BrBr的活泼的活泼性较小，但选择性较强，因此，产物受几率因素性较小，但选择性较强，因此，产物受几率因素影响较小。这可以归结为活泼性一选择性原理：影响较小。这可以归结为活泼性一选择性原理：游离基活泼性越大则选择性就越小，产物越接近游离基活泼性越大则选择性就越小，产物越接近于从几率因素所能预料到的那种产物。于从几率因素所能预料到的那种产物。l l 烷烃的系统命名法烷烃的系统命名法(IUPAC(IUPAC法法)如下：如下：（1 1）选择一个最长的碳链为主链，视作母体，选择一个最长的碳链为主链，视作母体，按主链所含碳原子数称为某烷。按主链所含碳原子数称为某烷。（2 2）把侧链作为取代基，从距离取代基最近的把侧链作为取代基，从距离取代基最近的一端开始依次用一端开始依次用1,2,31,2,3等阿拉伯数字给主链碳原子等阿拉伯数字给主链碳原子编号，把取代基的位次和名称写在母体名称之前。编号，把取代基的位次和名称写在母体名称之前。表示取代基位次的阿拉伯数字和汉字之间要加一短表示取代基位次的阿拉伯数字和汉字之间要加一短横。横。（3 3）同一主链上如有几个相同的取代基，取代同一主链上如有几个相同的取代基，取代基的位次号数应逐个注明，阿拉伯数字之间用基的位次号数应逐个注明，阿拉伯数字之间用“，”隔开。取代基的个数用二、三、四隔开。取代基的个数用二、三、四等中文数等中文数字表示。如果含有几个不同的取代基，按字表示。如果含有几个不同的取代基，按“次序规次序规则则”依次列出，小的取代基写在前面，大的取代基依次列出，小的取代基写在前面，大的取代基写在后面。写在后面。l l（4 4）如有等长碳链均可作为主链时，应选择取如有等长碳链均可作为主链时，应选择取代基较多的为主链。代基较多的为主链。（5 5）如侧链还有取代基，从与主链相连的碳如侧链还有取代基，从与主链相连的碳原子开始，把侧链的碳原子依次编号。侧链上取代原子开始，把侧链的碳原子依次编号。侧链上取代基的位置就由这个编号所得的号数来表示。把这个基的位置就由这个编号所得的号数来表示。把这个取代基的位置号数和名称写在侧链位置的后面和侧取代基的位置号数和名称写在侧链位置的后面和侧链名称的前面。链名称的前面。烷烃的系统命名法是相当简单的，但它趋势其烷烃的系统命名法是相当简单的，但它趋势其他各类有机物命名的基础。掌握了烷烃的命名规则，他各类有机物命名的基础。掌握了烷烃的命名规则，也就在一定程度上掌握了大多数其他各类有机物的也就在一定程度上掌握了大多数其他各类有机物的命名。所以在开始时务必下一定的工夫把它掌握好。命名。所以在开始时务必下一定的工夫把它掌握好。第二章烯烃l l烯烃是含有碳碳双键的不饱和烃，其通式是CnH2n。由于双键不能象单键一样自由旋转，所以烯烃可以产生几何异构现象。l l烯烃的结构特征是碳碳双键。烯烃的典型反应是亲电加成，可表示为：双键的反应活性来自于较弱的p键。烯烃对亲电试剂的进攻是敏感的。如果烯烃和试剂都是不对称的，反应通过最稳定的正碳离子。（马尔柯夫尼可夫规则：在酸和碳碳双键的离子型加成中，H+加到含氢较多的碳上）象烯烃跟HX,H2SO4,H2O+H+等试剂的反应。烯烃跟X2,X2+H2O等试剂的反应则经过卤瓮离子：l l硼氢化-氧化反应的最终结果，相当于烯烃加水，但它可以用来制备通过烯烃水合难以得到的一级醇。l l如果有过氧化物存在，HBr跟双键的加成是反马规则的。l l这是由于反应是按自由基历程进行的：l l烯烃在催化氢化时发生顺式加成：烯烃在催化氢化时发生顺式加成：l l一摩尔烯烃催化加氢所放出的热量称为氢化热，氢化热可一摩尔烯烃催化加氢所放出的热量称为氢化热，氢化热可以用来衡量烯烃的稳定性。烯烃的稳定性一般遵循着如下以用来衡量烯烃的稳定性。烯烃的稳定性一般遵循着如下顺序：顺序：四取代四取代 三取代三取代 二取代二取代 一取代一取代反式反式 顺式顺式 在不同条件下，烯烃可以被氧化成邻二醇，环氧化物，酮，醛或羧酸在不同条件下，烯烃可以被氧化成邻二醇，环氧化物，酮，醛或羧酸。烯烃的烯烃的-氢在高温或光照条件下可以发生氢在高温或光照条件下可以发生a-a-卤代反应。卤代反应。N-溴代丁二亚胺（NBS)是烯丙式氢的选择溴化试剂：l l在适当条件下，烯烃可以进行二聚或通过离子或在适当条件下，烯烃可以进行二聚或通过离子或自由基机制进行加聚而生成聚合物。自由基机制进行加聚而生成聚合物。第三章第三章炔烃和二烯烃炔烃和二烯烃l l炔烃是含有碳碳叁键的不饱和烃，其通式为炔烃是含有碳碳叁键的不饱和烃，其通式为CnH2n-2CnH2n-2。含有同数碳原子的炔烃和二烯烃是同。含有同数碳原子的炔烃和二烯烃是同分异构体，但是，它们在性质及结构上是不相同分异构体，但是，它们在性质及结构上是不相同的。跟烯烃一样，炔烃可以发生亲电加成反应。的。跟烯烃一样，炔烃可以发生亲电加成反应。l l炔烃可以被还原成烷烃，在适当条件下，炔烃可以发生立体选择性的还原反应。反式顺式炔烃经臭氧或高锰酸钾氧化，叁键断裂生成羧酸。炔烃经臭氧或高锰酸钾氧化，叁键断裂生成羧酸。炔烃也可以跟亲核试剂发生加成反应：跟烯烃不同，随着碳的杂化轨道中跟烯烃不同，随着碳的杂化轨道中s s成分的增加，炔氢成分的增加，炔氢呈现出一定的酸性。呈现出一定的酸性。l l共轭二烯烃能发生1,2-加成或1,4-加成。l l共轭二烯烃也能发生Diels-Alder反应。第四章脂肪烃l l脂肪烃是碳干为环状而性质和开链烃相似的烃类。由于环的存在限制了碳碳单键的自由旋转，脂肪烃中存在几何异构现象。（反-1,2-二甲基环丙烷）（顺-1,2-二甲基环丙烷）脂肪烃的化学性质基本上就是开链烷烃和开链烯烃的化脂肪烃的化学性质基本上就是开链烷烃和开链烯烃的化学性质。学性质。小环化合物由于弯曲键的形成，不仅使杂化轨道间电子云重叠程小环化合物由于弯曲键的形成，不仅使杂化轨道间电子云重叠程度减少，而且使电子云分布在连接两个碳原子的直线的外侧，提度减少，而且使电子云分布在连接两个碳原子的直线的外侧，提供了被亲电试剂进攻的位置。从而使其具有一定烯烃的性质，可供了被亲电试剂进攻的位置。从而使其具有一定烯烃的性质，可以发生开环加成反应。以发生开环加成反应。l l对于环己烷，最安定的构象是椅式构象。在环己烷一元取代衍生物中，取代基处于e键较为稳定。环己烷多元取代物最稳定的构象是e-取代最多的构象。环上有不同取代基时，大的取代基在e键的构象稳定。除了环丙烷外，为了减少不利的角张力和原子或取代基之间的推斥作用，环状化合物一般采用折曲构象。第五章芳香烃l l芳香族化合物实质上是一类由于p电子离域而取得稳定化的化合物。一个化合物为了取得芳香性，必须是环状的并且是共平面的。每个环原子必须有一个p轨道跟环平面垂直，而环上含有的p电子数应当符合4n+2(休克耳规则）。苯和其他芳香族化合物的典型反应是亲电取代反应：l l 当在案单取代苯当在案单取代苯C6H5GC6H5G中通过亲电取代反应引入第二个取代基时，中通过亲电取代反应引入第二个取代基时，G G的的性质决定着性质决定着E E进入的位向和难易。进入的位向和难易。G G可分为如下两类：可分为如下两类：l l第一类第一类 邻、对位定位基。例如邻、对位定位基。例如l lO-O-，N(CH3)2N(CH3)2，NH2NH2，OHOH，OCH3OCH3，NHCOCH3,CH3NHCOCH3,CH3，OCOCH3OCOCH3，ClCl，Br,I,C6H5Br,I,C6H5等。等。l l这类基团使苯环活化（卤素除外），并且使这类基团使苯环活化（卤素除外），并且使EE进入进入GG的邻位和对位。的邻位和对位。l l第二类第二类 间位定位基。例如：间位定位基。例如：l l+N(CH3)3,NO2,CN+N(CH3)3,NO2,CN，SO3H,CHO,COCH3,COOH,SO3H,CHO,COCH3,COOH,COOCH3COOCH3，CONH2CONH2等。等。l l 这类基团使苯环钝化，并使这类基团使苯环钝化，并使E E进入进入G G的间位。的间位。l l 邻、对位定位基的推电子作用是苯环活化的原因，邻、对位定位基的推电子作用是苯环活化的原因，这又可分为二种情况：这又可分为二种情况：1.1.在与环成键的原子上有一对未共享电子的基在与环成键的原子上有一对未共享电子的基团，这对电子可以通过大团，这对电子可以通过大p p键离域到苯环上。键离域到苯环上。2.2.虽无未共享电子对，但能通过诱导效应或超虽无未共享电子对，但能通过诱导效应或超共轭效应起推电子作用的基团，例如甲基或其他共轭效应起推电子作用的基团，例如甲基或其他烷基。烷基。当邻、对位定位基直接连接在带当邻、对位定位基直接连接在带+的碳上时，的碳上时，能更好地使中间体能更好地使中间体 络合物稳定，故络合物稳定，故E E主要进入邻、主要进入邻、对位。对位。间位定位基的吸电子作用使苯环上电子云密度降低，结果使苯环钝化。这类基团与苯环所联结的原子上有单位正电荷（+NR3),或者有部分正电荷（），或者有强的吸电子基（）。当间位定位基直接连在带+的碳上时，使中间体络合物更不稳定，但它连在间位时，使络合物不稳定的影响就小些，故E主要进入间位。卤素是异类特殊的定位基，它使苯环钝化（诱导效应和共轭效应的总结果使苯卤素是异类特殊的定位基，它使苯环钝化（诱导效应和共轭效应的总结果使苯环上电子云密度降低），但却是邻、对位定位基（共轭效应决定着反应的方向）。环上电子云密度降低），但却是邻、对位定位基（共轭效应决定着反应的方向）。l l烷基苯的苄式位置对许多化学试剂是活泼的:l l萘是最普通的稠环芳香族化合物。与苯相比，它的碳碳键含有较多的双键特性。萘可以被氧化成醌或部分氢化还原：萘发生亲电取代反应在萘发生亲电取代反应在-位，对于一取代萘，如果第一个位，对于一取代萘，如果第一个取代基是推电子的，第二个取代基则进入同环的取代基是推电子的，第二个取代基则进入同环的-位，如果位，如果第一个取代基是吸电子的，则第二个取代基进入另环的第一个取代基是吸电子的，则第二个取代基进入另环的-位：位：第八章第八章卤代烃卤代烃l l通常用RX代表卤代烃，用ArX代表卤代芳烃，式中R代表芳基，X为F,Cl,Br和I。卤代芳烃又称芳基卤，是指卤原子直接和芳环碳相连的化合物。卤代芳烃可以通过芳香族亲电取代反应来制备。X=Cl,Brl l氟代或碘代芳烃可以通过重氮盐而制得。卤代芳烃和乙烯式卤代烃相似，不能用可使一般卤代烷发生反应的条件来使之发生亲核取代反应。但是当邻，对位有吸电子基如NO2或CN时，卤代芳烃就易于发生亲核取代反应。l l不活泼的卤代芳烃与极强的碱，例如NH2-,能通过消去加成机理（苯炔）而发生亲核取代反应。以卤代芳烃为原料，通过Ullmann反应，可以制得联苯类化合物。l l卤代芳烃可以生成Grignard试剂，但常需较高的反应温度（必须时用四氢呋喃作溶剂）。l l卤代烃可以用下述方法制备：1.烃的卤代。l l2.从醇制备。l l3.不饱和烃和HX或X2的加成。l l4.卤化物的互换。卤代烃的主要化学性质总结如下1.亲核取代。l l2.消除反应。3.与金属反应。l l4.4.与二烷基铜鋰偶联（与二烷基铜鋰偶联（CoreyHouseCoreyHouse反应）。反应）。5.还原。l l卤代烷烃含有好的离去基（X-)并且容易被亲核试剂Nu-进攻，反应是通过Sn1,Sn2,E1和E2四种可能途径中的一种或一种以上的途径发生的。一个Sn1或E1反应是通过正碳离子中间体进行的：l l一个正碳离子中间体往往导致产物是混合物：取代产物，消除产物和常常伴随着的重排产物。如果中间体正碳离子通过H,Ar或R的1，2-迁移能够形成更稳定的正碳离子，则产生重排产物。如果RX是手性的，在Sn1反应中则发生外消旋化。l lSn1或E1反应是一级反应：反应速率只决定于RX的浓度，速率控制步骤是R+的形成。R+的稳定性决定该步骤中过度态的能量，这是因为过度态具有正碳离子的特性。正碳离子的稳定性是321CH3+,因此RX发生Sn1或E1反应的倾向是321CH3+。烯丙基和苄基卤代物容易发生Sn1反应，由于形成的正碳离子中间体通过共轭而取得稳定化。l l在E1反应中，第二步（R+烯）过度态的能量决定烯烃产物。较多取代的烯烃形成速率较快并且是占优势的产物（查衣采夫规则）；如果生成的烯烃可能有几何异构体，反式烯烃是占优势的产物。l lSn2反应是导致产物构型发生翻转的一步反应。如果RX是手性的，这种翻转可以被观察到。E2反应也是一步反应，它是通过H+和X-的反式消除而发生的：l l无论是Sn2还是E2反应都是二级反应：反应速率决定于RX和Nu-的速率，因为二者都包含在过度态中，由于立体阻碍的原因，在Sn2反应中RX的活性顺序是CH3+123因为在E2反应中过度态具有双键特性，卤代烃的活性顺序是321，这跟E1反应中的活性顺序相同。最多取代的烯烃通常是占优势的产物（霍夫曼规则）。第六章有机波谱l l 目前，在有机化合物的结构测定中，物理方法的目前，在有机化合物的结构测定中，物理方法的应用已远远超出了化学方法。而在物理方法中，应用已远远超出了化学方法。而在物理方法中，则以紫外吸收光谱，红外吸收光谱，核磁共振谱则以紫外吸收光谱，红外吸收光谱，核磁共振谱和质谱应用最广。其中红外光谱和核磁共振谱应和质谱应用最广。其中红外光谱和核磁共振谱应用更为广泛，谱图也容易得到，所以，本章仅就用更为广泛，谱图也容易得到，所以，本章仅就这两种谱图予以讨论。有兴趣的可以自行结合教这两种谱图予以讨论。有兴趣的可以自行结合教材，适当选读一些有关紫外和质谱的资料，或在材，适当选读一些有关紫外和质谱的资料，或在后续课中进一步学习提高。后续课中进一步学习提高。l l 有机化合物能吸收不同波长的电磁辐射。在红外有机化合物能吸收不同波长的电磁辐射。在红外光区的吸收可以引起分子中成键原子的振动和转光区的吸收可以引起分子中成键原子的振动和转动能级的跃迁。不同类型的化学键产生振动激发动能级的跃迁。不同类型的化学键产生振动激发需要不同的能量。在红外光谱中，需要不同的能量。在红外光谱中，400040001500cm-1(2.51500cm-1(2.56.5um)6.5um)的区域对于鉴定有机化合的区域对于鉴定有机化合物的官能团是有用的。而物的官能团是有用的。而15001500650cm-1(6.5650cm-1(6.515um)15um)的区域称为指纹区，在此区域内，不同结的区域称为指纹区，在此区域内，不同结构的分子都有自己的特征光谱，分子结构的细微构的分子都有自己的特征光谱，分子结构的细微变化都可在这一段内反映出来。变化都可在这一段内反映出来。表表6-16-1是一些键和官能团的伸缩振动频率。表是一些键和官能团的伸缩振动频率。表6-26-2是烃类的弯曲振动是烃类的弯曲振动频率。频率。表表6-16-1一些键和官能团的伸缩振动频率一些键和官能团的伸缩振动频率l l波数（cm-1)结构l l36503600l l36003200(醇，酚的氢键醇，酚的氢键中）中）l l35003300(胺和酰胺中）胺和酰胺中）l l3300（炔碳上）（炔碳上）l l31003000（芳环中）（芳环中）l l30803020（烯碳上）（烯碳上）l l波数（cm-1)结构l l30002800（饱和碳上）（饱和碳上）l l30002500（COOHCOOH中）中）l l28002700（醛基中）（醛基中）l l22602210（腈）（腈）l l22602100（炔）（炔）l l18201770酰氯酰氯l l17501690（醛，酮，酯中）（醛，酮，酯中）l l17251700（羧酸中）（羧酸中）l ll l核磁共振是处于外磁场（H。）中的质子吸收电磁辐射后，从一种自旋状态翻转到另一种自旋状态的结果。分子中的质子并不是个裸核，在外磁场影响下，质子外围的电子环流将产生感应磁场。感应磁场可以屏蔽质子（与H。反平行）或去屏蔽质子（与H。平行）并且引起吸收带的化学位移（）。屏蔽的质子吸收移向高场，而去屏蔽的质子吸收移向低场。l l吸收带的自旋自旋裂分，通常是由相邻的非等性质子的自旋状态引起的。一个质子（或一组等性质子）的信号被分成（n+1)个峰，式中n是相邻等性质子的数目。整个吸收带下面的面积与给出该信号的质子的数目成正比。l l表表6-36-3有机化合物中不同类型质子的化学位移有机化合物中不同类型质子的化学位移l l(ppm)(ppm)质子的类型环丙烷伯：仲：叔：R3CH1.78.3烯丙型：2.06.0碘化物的H:
