四川农业大学王晗光有机化学烷 烃和环烷 烃.pptx

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1、一 概念1.烃：只由C、H构成的化合物。2.烃的分类 饱和(saturated)烷烃 开链烃 烃 不饱和烷烃 环烃(Cyclic hydrides)脂环烃 芳香烃 第1页/共99页3.烷烃：指分子中碳原子以单键相连，其余的价键与氢结合而成的化合物4.烷烃的同系列：组成结构相似，组成 相差nCH2，满足同一通式CnH2n+2的系列化合物同系列中的化合物彼此互称为同系物，固定差值CH2被称为系差。第2页/共99页1 同分异构现象 分子式相同，而构造不同的异构体称为构造异构体。实质是由于碳干构造的不同而产生的，又称为碳链异构。低级烷烃的同分异构体数目和构造式，可以用碳干的不同推导出来，以己烷为例。二

2、 烷 烃 的 结 构第3页/共99页1）最长直碳链式）最长直碳链式 CCCCCC2）CCCCC CCCCCC C第4页/共99页2 原子轨道杂化理论（鲍林提出）轨道杂化是由几个能量相近的原子轨道“混合和重组”重新组成能量相同的等数量的新轨道的过程。烷烃中的碳原子是SP3杂化，烯烃中的双键碳原子是SP2杂化，炔烃中的三键碳原子是SP杂化。2S1S2PC原子的杂化方式有原子的杂化方式有3种，种，sp3、sp2、spC原子的原子的轨道排布式轨道排布式如右：如右：电子排布式电子排布式为为1s22s22p2第5页/共99页2S2PX 2PY 2PZ 2SSP3SP3杂化杂化SP3SP3SP3激发激发激发

3、态激发态基态基态A）SP3杂化杂化2PX 2PY 2PZ 杂化态杂化态第6页/共99页第7页/共99页参与杂化的轨道：参与杂化的轨道：1个个S轨道，轨道，3个个P轨道轨道轨道组成轨道组成1/4S轨道，轨道，3/4P轨道轨道形状：梨形形状：梨形 空间分布：正四面体空间分布：正四面体YXZ第8页/共99页第9页/共99页2S2PX 2PY 2PZ SP2SP2SP22PZ SP2杂化杂化激发激发激发态激发态基态基态2S2PX 2PY 2PZ B）sp2杂化杂化第10页/共99页SP2杂化：参与杂化的轨道：1个S轨道，2个P轨道。轨道组成1/3S轨道，2/3P轨道形状：梨形 空间分布：平面三角形2P

4、zSP2SP2SP2第11页/共99页第12页/共99页2S2PX 2PY 2PZ SP杂化杂化激发激发激发态激发态基态基态2S2PX 2PY 2PZ C）SP杂化杂化2SSP2Py 2PZ SP第13页/共99页SP杂化参与杂化的轨道：1个S轨道，1个P轨道轨道组成1/2S轨道，1/2P轨道形状：梨形 空间分布：直线形2Pz2PySPSP第14页/共99页 sp3、sp2、sp三种杂化状态中，如果S所占成分较多，原子核对杂化轨道中的电子约束力较大，所以电负性sp sp2 sp3。第15页/共99页CHHHHKekuleKekule模型模型StuartStuart模型模型楔形式楔形式3 烷烃的

5、立体结构1）结构的表示方法实线表示在纸平面，粗线表示指向纸外，虚实线表示在纸平面，粗线表示指向纸外，虚线表示指向纸内。线表示指向纸内。第16页/共99页H 1S1 重叠重叠SP3S109.50代表代表 H代表 C2）甲烷和乙烷分子的形成第17页/共99页乙烷 SP3S CH SP3 SP3 CC H H HCCH H H Stuart模型第18页/共99页SP3SP3第19页/共99页第20页/共99页3）丙烷及其以上的烷烃 第21页/共99页第22页/共99页第23页/共99页4 烷烃的构象1）概念：具有一定构型的分子由于单键的旋转而呈现的（一般可相互转变的）空间形象。2）乙烷的构象交叉式交

6、叉式构象：两个碳原子构象：两个碳原子上的氢原子彼此距离最远，上的氢原子彼此距离最远，处于相互处于相互交叉交叉位置。位置。重叠式重叠式构象构象：两个碳原子两个碳原子上的氢原子彼此距离最近，上的氢原子彼此距离最近，处于相互处于相互重叠重叠位置。位置。第24页/共99页构象可用透视式（锯架式）、纽蔓投影式或楔型式来表示。透视式：眼睛从C-C键轴斜450方向看第25页/共99页纽蔓投影式：眼睛从C-C键轴线上看第26页/共99页楔型式（伞形式）：是眼睛垂直于键轴方向看第27页/共99页重叠式构象第28页/共99页12.5006001200能能量量/KJ.mol-重叠式交叉式交叉式第29页/共99页3）

7、丁烷的构象第30页/共99页第31页/共99页第32页/共99页旋转600全重叠式邻位交叉式对位交叉式部分重叠式部分重叠式邻位交叉式旋转600旋转600旋转600转600第33页/共99页能能量量/KJ.mol-006001200360018002400300014.218.43.4第34页/共99页1 C、H原子的类型原子的类型伯伯C 10C 10H 伯伯H仲仲C 20C 20H 仲仲H叔叔C 30C 30H 叔叔H季季C 40C 10203040三 命名第35页/共99页2 烷基：烷烃分子中去掉一个氢原子而剩下的基团。CnH2n+1 CH3-Methyl C2H5-Ethyl CH3CH2

8、CH2 Propyl 异丙基 Isopropyl CH3CH2CH2CH2 正丁基 Butyl 仲丁基 sec-Butyl 叔丁基 tert-Butyl异丁基异丁基(Isobutyl)第36页/共99页3 次序规则支链烷基的名称及位置写在母体名称的前面，排列顺序按立体化学中的次序规则。（1）将各取代基中与母体相连的原子按原子序数大小排列，原子序数大的，为较优(大）基团。第37页/共99页CH3-CH-CH2-CH-CH2CH3 2-甲基-4-乙基己烷 CH3 CH2CH3CH3-CH-CH2 CH-CH2CH3 乙基为较优基团 H-C-H H-C-H H H-C-H H（2）如各取代基中与母体

9、相连的第一个原子相同时，则比较与该 第一个原子相连的第二个原子，仍按序数排列，若第二个原子也相同，则比较第三个原子，依次类推。第38页/共99页C-C-C-CCC-C-C-C H-C-H H-C-C C C C 4-丙基丙基-6-异丙基壬烷异丙基壬烷（3）如果基团中含有双键或三键，则把它看作连有两个或三个相同原子或基团来进行比较CCH2HCH2CH=CH2看成看成第39页/共99页CCH看成看成CCHCHCHCCHCH=CH2 C=O H 看成看成COOHC=O H CH2OH第40页/共99页第41页/共99页4 命名命名1）普通命名法普通命名法正某烷正某烷异某烷异某烷 碳链某一末端带有两个

10、甲基的侧链的烷烃碳链某一末端带有两个甲基的侧链的烷烃,(CH3)2CH-新某烷新某烷 碳原子烷烃异构体中含季碳原子烷烃异构体中含季C的烷烃的烷烃,(CH3)3CCH2-异或新只适用异或新只适用7个碳原子以下的烷烃。个碳原子以下的烷烃。第42页/共99页2）系统命名（IUPAC）A 直链：某正烷去“正”B 支链：1 选主链选择最长的链作为主链，主链C的数目命为某烷，把其他支链作为取代基。2主链编号。一般由距离支链最近一端开始，若取代基不止一个，按照最低系列原则进行编号。（定基位）第43页/共99页最低系列：指的是当分别从主链两端开始编号而得到两种使取代其的位次具有不同号数的系列时，则逐次逐个比较

11、各系列中的位次数字，最先遇到位次数字较小的系列就定为最低系列。例2,2,4三甲基己烷三甲基己烷 1 2 3 4 5 62,2,43,5,5 6 5 4 3 2 1第44页/共99页3书写：排基名：列基顺序小为先，基同合并，汉语数字表其数。列名称；基前母后，汉字之间紧相连，中外字间一线牵。支链烷基的名称及位置写在母体名称的前面，排列顺序按立体化学中的次序规则。3-甲基甲基-4-乙基己烷乙基己烷第45页/共99页1 2 3 4 5 6CH3-CH-CH2-CH-CH2CH3 CH3 CH32，4二甲基己烷具有相同长度的链作为主链时，则应选择具有相同长度的链作为主链时，则应选择支链数目支链数目多的多

12、的为主链。为主链。7 CH3 CH3 CH3-CH2-CH-CH-CH-CH-CH3 1 CH3 CH2 CH2-CH3 7 2，3，5三甲基三甲基4正丙基庚烷正丙基庚烷 2，3二甲基二甲基4仲丁基庚烷仲丁基庚烷 第46页/共99页2,5-二甲基二甲基-3，4-二乙基己烷二乙基己烷第47页/共99页1 2 3 4 5 6 7 8CH3CH2CH2CHCHCH2CH2 CH3 CH2 CHCH3 CH2 CH3 CH34-正丙基-5-异丙基辛烷两个不同的取代基，从主链任一端编号，位次均两个不同的取代基，从主链任一端编号，位次均相同，则按相同，则按“次序规则次序规则”给较小基团以较小编号。给较小基

13、团以较小编号。第48页/共99页四 性 质1.物 理物态：甲丁烷 气体，戊烷16烷 液体，17烷以上 固体熔（mp）沸（bp）点：C mp、bp同分异构体中，直链烷的沸点最高，支链越多，沸点越低相对密度：C d 0.8左右溶解性：易溶于非极性溶剂 第49页/共99页mp熔点熔点0Cbp沸点沸点0C129.736.11609.51728增增大大降降低低降降低低第50页/共99页色散力色散力(分子间分子间瞬时偶极瞬时偶极作用力）作用力）的作用范围很小，的作用范围很小，只有分子间只有分子间靠得靠得很近很近的部分才起的部分才起作用。作用。第51页/共99页mp熔点熔点0Cbp沸点沸点0C6963.36

14、0.358.049.794.011815412998第52页/共99页2 有机反应的基本类型1）共价键断裂的两种类型 C:Y C+Y C:-+Y+C:Y C+:Y-均裂均裂异裂异裂Cl:Cl Cl+Cl H=+2424KJ/MOL均裂均裂第53页/共99页2）自由基反应和离子型反应自由基（游离基）反应:共价键均裂成自由基而引起的反应称为自由基反应。离子型反应：共价键异裂成离子而引起的反应称为离子型反应。分为亲核反应和亲电反应。给给电体电体(亲亲核核试剂试剂）（）（Nu-)进攻带部份正电子的碳原进攻带部份正电子的碳原子而发生的反应叫亲核反应。子而发生的反应叫亲核反应。亲电体亲电体（亲电试剂如金属

15、离子和（亲电试剂如金属离子和H+）进攻反应物带进攻反应物带部份负电荷的位置而产生部份负电荷的位置而产生的反应叫亲电反应。的反应叫亲电反应。第54页/共99页3、化学性质、化学性质一般很稳定一般很稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂、强，不与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂作用。还原剂作用。烷烃的氧化烷烃的氧化CnH2n+2+2 O2 nCO2+(n+1)H2O+Q热量热量3n+1燃烧燃烧烃的卤代：烃的卤代：分子中一个或某个原子或基团被另分子中一个或某个原子或基团被另一原子或基团所代替的反应。一原子或基团所代替的反应。F2Cl2Br2I2第55页/共99页例CH4+Cl2 CH3Cl+HCl日光日光或高

16、温或高温日光日光或高温或高温或高温或高温或高温或高温日光日光日光日光烃与氟难以控制（常温或黑暗），碘化很难发生，一般指的是氯代或溴代。第56页/共99页4 烷烃卤代反应机理a.链的引发 ClCl Cl+Cl自由基的形成光b.链的增长 Cl+CH4HCl+CH3 CH3+Cl2 CH3Cl+Cl第57页/共99页CH3Cl+Cl CH2Cl+HCl CH2Cl+Cl2CH2Cl2+Cl CH2Cl2+Cl CHCl2+HClCHCl2+Cl2CHCl3+ClCHCl3+Cl CCl3+HClCCl3+Cl2CCl4+Cl第58页/共99页 c.链的终止链的终止 （不再有新的自由基）（不再有新的自

17、由基）CH3+CH3 C2H6 CH3 +Cl CH3Cl CH2Cl +CH2Cl ClCH2CH2Cl反应最终产物是反应最终产物是多种卤代烃及烷烃的混合物多种卤代烃及烷烃的混合物第59页/共99页5 烷基游离基相对稳定性 H=435KJ/mol H=410KJ/mol H=410KJ/mol H=397KJ/mol H=381KJ/mol叔游离基 30异丙基游离基 20伯游离基 10伯游离基 10甲基游离基第60页/共99页同一类型的键发生均裂时，键的离解能愈小，则游离基愈易生成，生成的游离基也较稳定。自由基的相对稳定性稳定次序：叔自由基仲自由基伯自由基CH3取代速度不同 30H 20H

18、10H(游离基活性比较）CH3 第61页/共99页57%43%36%64%第62页/共99页五自然界的烷烃甲烷、沼气、瓦斯瓦斯主要成分是烷烃，其中甲烷占大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。如遇明火，即可燃烧，发生“瓦 斯”爆炸。瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。生物体中的烷烃第63页/共99页第二节 环烷烃 Cyclic alkanes一、环烃：碳原子连接成环，性质与脂肪族类似的碳氢化合物。二、分类环烃环烃脂环烃脂环烃（单环）（单环）环烷烃环烷烃 CnH2n环烯烃环烯

19、烃 CnH2n-2环炔烃环炔烃小环小环 C3C4普环普环 C5C7中环中环 C8C11大环大环 C12以上以上芳香烃芳香烃单单 环环多多 环环稠稠 环环单环烃单环烃第64页/共99页CH3CHCH2CHCH2CH3CH31234562甲基甲基4环丙基己烷环丙基己烷三 单环环烷烃命名如果环上有较复杂的取代基，则把碳环作为取代基进行命名。简单的单环烷烃以环为母体，环上侧链为取代基进行命名。1,1二甲基二甲基3乙基环戊烷乙基环戊烷第65页/共99页1环丁基戊烷环丁基戊烷1甲基甲基2异丙基环戊烷异丙基环戊烷1,1,2三甲基环戊烷第66页/共99页1甲基甲基 2 乙基乙基5异丙基环己烷异丙基环己烷1正丙

20、基正丙基 4异丙基环己烷异丙基环己烷第67页/共99页四、单环烷烃的结构1、单环烷烃的结构 1）杂化方式 烷烃的碳sp3杂化，形成四个等同的sp3杂化轨道，轨道呈正四面体分布，夹角10928杂化轨道形状杂化轨道形状空间分布图空间分布图第68页/共99页CCCHHHHHH60105.5弯曲的键2 2）环丙烷的成键情况环丙烷的成键情况 由于形成了弯键，表明中的CC键的P电子成分高，键的极化度相应增大，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，从而具有一定烯烃的性质。第69页/共99页3）C3C6环的结构成键轨道间夹角成键轨道间夹角105.510710810928第70页

21、/共99页C3C6环，随着环增大，成键时电子云之间的夹角越接近正常夹角成键时电子云之间的夹角越接近正常夹角1092810928，扭转张力减弱，环趋于稳定，因而键的稳定性越好。因而键的稳定性越好。碳原子个数 总张力能（KJ/mol）3 114 4 108 5 26 6 0 第71页/共99页1）单环环烷烃构造异构2 单环烷烃的同分异构碳胳异构（碳链异构）碳胳异构（碳链异构）取代基位置异构取代基位置异构第72页/共99页2）单环烷烃的立体异构）单环烷烃的立体异构 顺反顺反异构异构（几何异构）（几何异构）产生的条件：A.分子中有限制键旋转的因素，如环的存在或 CC存在，但CC不行。B.环中两个或两个

22、以上的碳原子（每个双键碳原子）必须和两个不同的原子或基团相联。第73页/共99页含义：两个异构体在原子或基团的连接顺序及官含义：两个异构体在原子或基团的连接顺序及官能团的位置上均无区别，区别在于基团的空间排序能团的位置上均无区别，区别在于基团的空间排序不同。不同。如：如：CH3CHCHCH3相同的原子团在同侧称为相同的原子团在同侧称为顺式顺式，异侧称为，异侧称为反式反式。由于成环碳原子（或两个双键碳原子）上所连接的由于成环碳原子（或两个双键碳原子）上所连接的不同原子或基团在不同原子或基团在空间排列不同空间排列不同而形成不同构型化而形成不同构型化合物的异构现象叫做顺反异构现象。合物的异构现象叫做

23、顺反异构现象。第74页/共99页顺顺-1，2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷反反-1，2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷顺顺-1，2-二甲基二甲基-1-乙基环丙烷乙基环丙烷顺顺-1，3-二甲基环戊烷二甲基环戊烷第75页/共99页CCHCH3CH3HCCCH3CH3HH顺顺-2-丁烯丁烯反反-2-丁烯丁烯构型构型:分子中各原子或基团在空间的不同排列分子中各原子或基团在空间的不同排列,相相互之间的转化必须通过互之间的转化必须通过键的断裂和再形成键的断裂和再形成.第76页/共99页CH2=CH2 CH2=CHCH3 CCCH3CH2CH3CH3CH3 顺顺-1，2-二氯二氯-1-丁烯丁烯第77页/共99页环已烷

24、中的六个碳原子不是在同一平面内的，碳原子之间的夹角是正常的键角10928，环较稳定。环已烷在空间有两种典型的排布方式：船式和椅式构象。椅式：船式：环己烷的构象异构1）环己烷的椅式和船式构象第78页/共99页2）椅式构象中1，4号两碳原子分别位于由2，3，5，6号碳原子构成的平面上下侧。船式构象中1，4号两个碳原子分别位于由2，3，5，6号碳原子构成的平面的同侧。第79页/共99页3）椅式稳定，船式不稳定1414第80页/共99页4）椅式构象中CH键 A）直立键（键）：该键与分子的中心对称轴平行，共六个，三上三下，相邻两个呈异侧分布。B）平伏键（e键）：该键与分子的中心对称轴约成109.50，共

25、六个，三上三下斜伸，相邻两个呈异侧分布。a 直立键直立键中心对称轴中心对称轴 e平伏键平伏键第81页/共99页aeea转环C）a、e之间的关系第82页/共99页5）一元取代环己烷5%95%12345662345甲基为甲基为e型型比比a型型稳定稳定第83页/共99页(优势构象）优势构象）6）二元取代环己烷第84页/共99页顺，顺，3二甲基环己烷（二甲基环己烷（ee）（aa)反，反，3二甲基环己烷（二甲基环己烷（ea）对于多元取代的环己烷，一般说体积较大的取代基位于e键上的构象，为优势构象。优势构象优势构象第85页/共99页顺-1-甲基-4-乙基环己烷的优势构象反-1-甲基-4-乙基环己烷的优势构

26、象第86页/共99页顺-1-甲基-3-乙基环己烷的优势构象反-1-甲基-3-乙基环己烷的优势构象第87页/共99页第88页/共99页五 单环烷烃的性质1 开环加成反应小环环烷易发生加成 催化氢化第89页/共99页与x2反应室温加热第90页/共99页室温室温加热加热室温室温室温室温与与HX反应反应 环的破裂主要发生在含取代基最多和取代基最少的环的破裂主要发生在含取代基最多和取代基最少的碳原子间碳原子间。第91页/共99页活性中间体的相对稳定性决定的A最稳定最稳定BCA第92页/共99页光照光照2 取代反应取代反应五、六元环或高级的环烷与烷烃相似，不发生加五、六元环或高级的环烷与烷烃相似，不发生加

27、成反应，而在光照下可进行游离基取代反应成反应，而在光照下可进行游离基取代反应。300第93页/共99页3 氧化反应90-1200C1.5MPa尼龙袜尼龙袜尼龙棒尼龙棒 第94页/共99页P40 2(3)、(5)、（、（6）、）、(7)、（、（8）3(4)6(1)8(1)、（、（2）9、10、12、13 第95页/共99页2（6）（7）顺顺-1-甲基甲基-3-乙基环戊烷乙基环戊烷反反-1-甲基甲基-4-乙基环己烷乙基环己烷 第96页/共99页6(1)（2）3-甲基戊烷甲基戊烷2，3-二甲基二甲基-3-氯戊烷氯戊烷第97页/共99页8（1）（2）13(2)第98页/共99页感谢您的观看！第99页/共99页