中山大学有机化学课件第02章.ppt

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1、第二章饱和碳氢化合物饱和碳氢化合物Saturated Hydrocarbon第二章重点讲解问题一、饱和碳氢化合物（烷烃、环烷烃）的命名一、饱和碳氢化合物（烷烃、环烷烃）的命名一、饱和碳氢化合物（烷烃、环烷烃）的命名一、饱和碳氢化合物（烷烃、环烷烃）的命名二、饱和碳氢化合物的构象与构象分析二、饱和碳氢化合物的构象与构象分析二、饱和碳氢化合物的构象与构象分析二、饱和碳氢化合物的构象与构象分析三、碳氢化合物的稳定性与拜尔的环张力学说三、碳氢化合物的稳定性与拜尔的环张力学说三、碳氢化合物的稳定性与拜尔的环张力学说三、碳氢化合物的稳定性与拜尔的环张力学说四、饱和碳氢化合物的物理性质（分子间的非四、饱和碳

2、氢化合物的物理性质（分子间的非四、饱和碳氢化合物的物理性质（分子间的非四、饱和碳氢化合物的物理性质（分子间的非共价作用）共价作用）共价作用）共价作用）2.1 碳氢化合物的分类碳氢化合物的分类碳氢化合物碳氢化合物 由碳和氢两种元素形成的有由碳和氢两种元素形成的有机化合物的总称，又称机化合物的总称，又称烃（烃（hydrocarbon）开链烃开链烃 环烃环烃 饱和烃饱和烃 烷烃，环烷烃烷烃，环烷烃 不饱和烃不饱和烃 烯烃，环烯烃烯烃，环烯烃芳香烃芳香烃炔烃，环炔烃炔烃，环炔烃中文名中文名中文名中文名英文名英文名英文名英文名分子式分子式分子式分子式结构简式结构简式结构简式结构简式甲烷甲烷甲烷甲烷met

3、hmethaneaneCHCH4 4CHCH4 4乙烷乙烷乙烷乙烷ethethaneaneC C2 2H H6 6CHCH3 3CHCH3 3丙烷丙烷丙烷丙烷proppropaneaneC C3 3H H8 8CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 3正丁烷正丁烷正丁烷正丁烷n-butn-butaneaneC C4 4H H1010CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2CHCH3 3正戊烷正戊烷正戊烷正戊烷n-pentn-pentaneaneC C5 5H H1212CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2CHCH2 2CHCH3 32.2 开链烷烃的命名开链烷烃的命名1、对于碳数为、对

4、于碳数为C1C10的直链烷烃的直链烷烃-甲、乙、丙、甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳数，称为丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳数，称为“某烷某烷”2、对于碳数、对于碳数C10的烷烃的烷烃-直接用中文数字表示直接用中文数字表示碳数碳数英文命名类似英文命名类似“碳数词干碳数词干+ane词尾词尾”methane,ethane,propane,butane,pentane,hexane,heptane,octane,nonane,decane,undecane(十一烷十一烷),dodecane(十二烷十二烷)2.2 开链烷烃的命名开链烷烃的命名2.2 开链烷烃的命名开链烷烃的命名2.2 开链

5、烷烃的命名开链烷烃的命名构造异构体（构造异构体（constitutional isomers）分子式分子式相同但分子内原子的连接顺序或方式不同的异相同但分子内原子的连接顺序或方式不同的异构体。构体。普通命名法（普通命名法（Common names）对于构造异构体，则使用对于构造异构体，则使用“正正”、“异异”、“新新”等表示。等表示。“正正(normal)”代表直链烷烃，代表直链烷烃，“异异(iso-)”和和“新新(neo-)”分别表示特定的分支烷分别表示特定的分支烷烃。烃。普通命名法的局限CH3CHCHCH3 CH3 CH3 noneCH3CH2CH2CH2CH2CH3 hexaneCH3C

6、HCH2CH2CH3 CH3 isohexane CH3 CH3CCH2CH3 CH3 neohexane CH3CH2CHCH2CH3 CH3 none烷基（烷基（烷基（烷基（AlkylAlkyl）烷烃分子中从形式上消除一个氢的烷烃分子中从形式上消除一个氢的烷烃分子中从形式上消除一个氢的烷烃分子中从形式上消除一个氢的部分，通常用部分，通常用部分，通常用部分，通常用 R-R-表示，英文表示，英文表示，英文表示，英文 用用用用 “yl yl ”替代替代替代替代 “aneane ”methmethane ane methmethyl yl CHCH3 3-Me Meethethane ane et

7、hethyl yl CHCH3 3CHCH2 2-Et Etn n-proppropane ane n n-proppropyl yl CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2-n n-Pro Pro isoisoproppropyl yl (CH(CH3 3)2 2CH-CH-i i-ProPron-n-butbutane ane n n-butbutyl yl CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2CHCH2 2-n n-BuBu secsec-butbutyl yl CHCH3 3CHCH2 2CHCHCHCH3 3 sec-sec-BuBuisoisobutbutaneane i

8、soisobutbutylyl (CH (CH3 3)2 2CHCHCHCH2 2-i-i-Bu Bu terttert-butbutyl yl (CH(CH3 3)3 3C-C-terttert-BuBu烷基的概念l lPrimary(1Primary(1),secondary(2,secondary(2),tertiary(3),tertiary(3),),quaternary(4quaternary(4)C Cl lbut only primary,secondary,tertiarybut only primary,secondary,tertiary H H l l注意烷烃分子和烷基

9、中碳级别的不同注意烷烃分子和烷基中碳级别的不同注意烷烃分子和烷基中碳级别的不同注意烷烃分子和烷基中碳级别的不同烷烃中碳和氢的种类IUPAC:International Union of Pure and Applied Chemistry2.2 开链烷烃的命名开链烷烃的命名 系统命名法（IUPAC Rules）1 1、直链烷烃同普通命名法，取消、直链烷烃同普通命名法，取消、直链烷烃同普通命名法，取消、直链烷烃同普通命名法，取消“正正正正”字字字字2 2、最长的碳链、最长的碳链、最长的碳链、最长的碳链 主链主链主链主链，主链碳数，主链碳数，主链碳数，主链碳数 “某烷某烷某烷某烷”主链以外的其他部

10、分主链以外的其他部分主链以外的其他部分主链以外的其他部分 支链或取代基支链或取代基支链或取代基支链或取代基 系统命名法(IUPAC Rules)3-乙基庚烷（乙基庚烷（3-ethylheptane）系统命名法(IUPAC Rules)3 3 3 3、将主链上的碳原子编号、将主链上的碳原子编号、将主链上的碳原子编号、将主链上的碳原子编号 由距支链最近的一由距支链最近的一由距支链最近的一由距支链最近的一端开始（端开始（端开始（端开始（编号编号编号编号-“支链名支链名支链名支链名”“”“某烷某烷某烷某烷”）4 4、相同的取代基可以合并，用二（、相同的取代基可以合并，用二（didi）、三）、三（tri

11、tri）、四（）、四（tetratetra）等表示相同取代基的数）等表示相同取代基的数目，其编号在连字符前用逗号分隔列出。如：目，其编号在连字符前用逗号分隔列出。如：2,5-二甲基庚烷二甲基庚烷2,5-dimethylheptane5、多个支链存在时，英文按字母顺序排列，中、多个支链存在时，英文按字母顺序排列，中文则按文则按“次序规则次序规则”，将较优基团列在后面。，将较优基团列在后面。系统命名法(IUPAC Rules)注意注意注意注意若两个取代基不同，但取代位号相同，则给若两个取代基不同，但取代位号相同，则给若两个取代基不同，但取代位号相同，则给若两个取代基不同，但取代位号相同，则给“较优

12、较优较优较优”基团以大编号（英文按字母顺序）基团以大编号（英文按字母顺序）基团以大编号（英文按字母顺序）基团以大编号（英文按字母顺序）3-甲基甲基-5-乙基庚烷乙基庚烷3-ethyl-5-methylheptane注意！3-ethyl-5-methylhexane 系统命名法系统命名法(IUPAC Rules)次序规则次序规则(1)原子序数大的为原子序数大的为“较优较优”基团基团(2)第一原子相同，按第一原子相同，按原子序数大小顺序原子序数大小顺序比较比较 第二原子第二原子例如：例如：-CH2Cl -CH2OH，因为因为 -C(Cl,H,H)-C(O,H,H)次序规则次序规则又如：又如：-CH

13、2CH(CH3)2 -CH2CH2OH，因为因为 -C(C，H，H)=-C(C，H，H)C(C，C，H)C(O，H，H)(3)含有双键和叁键的基团，可以认为连有两个含有双键和叁键的基团，可以认为连有两个或三个相同原子或三个相同原子 系统命名法(IUPAC Rules)常见烷基的次序举例常见烷基的次序举例-C(C,C,H)-C(C,H,H)-C(C,C,H)-C(C,H,H)6 6、如果支链还有分支，不能用简单的基名称来命、如果支链还有分支，不能用简单的基名称来命、如果支链还有分支，不能用简单的基名称来命、如果支链还有分支，不能用简单的基名称来命名，则需要对支链按照类似原则进行编号和命名，则需要

14、对支链按照类似原则进行编号和命名，则需要对支链按照类似原则进行编号和命名，则需要对支链按照类似原则进行编号和命名。编号从支链与主链相连的碳原子开始。名。编号从支链与主链相连的碳原子开始。名。编号从支链与主链相连的碳原子开始。名。编号从支链与主链相连的碳原子开始。系统命名法(IUPAC Rules)3-乙基乙基-5-(1-乙基丙基乙基丙基)壬烷壬烷3-ethyl-5-(1-ethylpropyl)nonane7 7、如果具有不止一条可选择的等长的碳链：、如果具有不止一条可选择的等长的碳链：、如果具有不止一条可选择的等长的碳链：、如果具有不止一条可选择的等长的碳链：(1)(1)以取代基数目最多的碳

15、链为主链。以取代基数目最多的碳链为主链。以取代基数目最多的碳链为主链。以取代基数目最多的碳链为主链。(2)系统命名法(IUPAC Rules)2,5-二甲基二甲基-4-仲丁基庚烷仲丁基庚烷 或或 2,5-二甲基二甲基-4-(1-甲基丙基甲基丙基)庚庚烷烷4-(sec-butyl)-2,5-dimethylheptane or 2,5-dimethyl-4-(1-methlpropyl)heptane(2 2 2 2)*取代基数目一样多时，以侧链位次最低的链为主链取代基数目一样多时，以侧链位次最低的链为主链取代基数目一样多时，以侧链位次最低的链为主链取代基数目一样多时，以侧链位次最低的链为主链2

16、,4,5-2,4,5-3,4,5-3,4,5-(2)系统命名法(IUPAC Rules)注意注意英文命名中的前缀英文命名中的前缀 di，tri，tetra，sec 和和tert不计不计入排序中，但入排序中，但iso，neo 和和 cyclo 计入排序中。计入排序中。C3H6 C4H8 C5H10 结构通式：结构通式：CnH2n2.Cycloalkanes2.3 碳氢化合物的分类碳氢化合物的分类不饱和度不饱和度 分子组成的氢原子数目与理论上最大可分子组成的氢原子数目与理论上最大可 能数目之差的情况能数目之差的情况分子式：分子式：CnHm，则不饱和度则不饱和度 =Saturated hydroca

17、rbons:CnH2n+2If it is a cycloalkane,the degree of unsaturated equals to the number of ring.(2n+2)-m/2环烷烃的通式与不饱和度（环的数目）环烷烃的通式与不饱和度（环的数目）1.单环环烷烃的命名单环环烷烃的命名 若环烃做母体，则母体名若环烃做母体，则母体名 “环某烷环某烷”2.4 环烷烃的命名环烷烃的命名A.Isopropylcyclopentane B.1-cyclobutylpentane2.4 环烷烃的命名环烷烃的命名当环上有当环上有2个不同取代基时，它们以字母个不同取代基时，它们以字母顺序引

18、出，顺序引出，1号位给最先引出的取代基。号位给最先引出的取代基。1.单环环烷烃的命名单环环烷烃的命名2.4 环烷烃的命名环烷烃的命名当环上有多个取代基时，则将当环上有多个取代基时，则将1位编号给位编号给予能使第予能使第2个取代基编号最小的位置个取代基编号最小的位置。1.单环环烷烃的命名单环环烷烃的命名3 32.4 环烷烃的命名环烷烃的命名2.二环桥环烷烃的命名二环桥环烷烃的命名桥环烃桥环烃 bridged hydrocarbon,分子内环与分子内环与环之间有环之间有两个或两个以上共用碳原子两个或两个以上共用碳原子的多环烃。的多环烃。桥头碳桥头碳 共用的碳原子共用的碳原子桥桥 两个桥头碳原子间的

19、碳链两个桥头碳原子间的碳链2.4 环烷烃的命名环烷烃的命名2.二环桥环烷烃的命名二环桥环烷烃的命名母体名母体名 几环几环n1.n2.n3某烷某烷环的数目环的数目各桥上碳数各桥上碳数由大到小排由大到小排全部环上碳原子数全部环上碳原子数2.二环桥环烷烃的命名二环桥环烷烃的命名编编 号号 从桥头碳开始，绕最长的桥到另一个桥头，从桥头碳开始，绕最长的桥到另一个桥头，再绕次长桥回来，最后再编最短的桥。再绕次长桥回来，最后再编最短的桥。可能的情况下给取代基以尽可能小的编号可能的情况下给取代基以尽可能小的编号 2,8,8-三甲基二环三甲基二环3.2.1辛烷辛烷 一般步骤：一般步骤：一般步骤：一般步骤：1.1

20、.选取母体选取母体选取母体选取母体2.2.确定取代基的位置和名称确定取代基的位置和名称确定取代基的位置和名称确定取代基的位置和名称3.3.以适当的顺序在母体名称前列出取代基的编号以适当的顺序在母体名称前列出取代基的编号以适当的顺序在母体名称前列出取代基的编号以适当的顺序在母体名称前列出取代基的编号和名称和名称和名称和名称4.4.必要时，对构型进行标示（详见第三章和第五必要时，对构型进行标示（详见第三章和第五必要时，对构型进行标示（详见第三章和第五必要时，对构型进行标示（详见第三章和第五章的构型标示方法）章的构型标示方法）章的构型标示方法）章的构型标示方法）命名小结2.5 开链烷烃的构象开链烷烃

21、的构象1 乙烷乙烷(Ethane)的构的构象象2.5 开链烷烃的构象开链烷烃的构象1 乙烷乙烷(Ethane)的构的构象象Conformational analysis-describes the energy of such conformational interconversion1 乙烷乙烷(Ethane)的构象的构象乙乙烷烷构构象象分分析析势势能能图图 扭转张力扭转张力正正丁丁烷烷构构象象分分析析势势能能图图 扭转张力扭转张力2 丁烷丁烷(Butane)的构象的构象2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象1.环丙烷、环丁烷和环戊烷的构象环丙烷、环丁烷和环戊烷的构象 角张力和扭转张力角张力和扭

22、转张力2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象2.环己烷的椅式构象环己烷的椅式构象 (Chair conformation of cyclohexane）稳定的极限构象稳定的极限构象-椅式构象椅式构象2.环己烷的椅式构象环己烷的椅式构象 (Chair conformation of cyclohexane）2.环己烷的椅式构象环己烷的椅式构象 (Chair conformation of cyclohexane）2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象2.环己烷的椅式构象环己烷的椅式构象a bond-axial bond e bond-equatorial bond2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象3.mono

23、substituted cyclohexane the stable conformer the stable conformer-the substituentthe substituent（取代基）（取代基）（取代基）（取代基）is in equatorial position-is in equatorial position-1,3-1,3-diaxial interactiondiaxial interaction2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象3.monosubstituted cyclohexane2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象3.monosubstituted cyclohe

24、xane 构象翻转构象翻转构象翻转构象翻转(ring-flip)(ring-flip)-rapidly interconversion between two chair rapidly interconversion between two chair conformationsconformations3.monosubstituted cyclohexane 4.disubstituted cyclohexane e.g.e.g.1,2-dimethylcyclohexane1,2-dimethylcyclohexane cis-trans stereoisomers(cis-trans

25、 stereoisomers(属构型异构属构型异构属构型异构属构型异构)2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象cis-trans-稳定性稳定性l lAnswerAnswer 1,2-disubstituted cyclohexane1,2-disubstituted cyclohexane -transtrans-isomer is more stable -isomer is more stable (for ee is more stable than ea)(for ee is more stable than ea)l lQuestionsQuestions 1)1)How about 1,

26、3-and 1,4-disubstituted How about 1,3-and 1,4-disubstituted cyclohexane?cyclohexane?2)2)Please try to draw out the chair Please try to draw out the chair conformers and answer the above questionconformers and answer the above question2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象4.disubstituted cyclohexane2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象5.环己烷的其

27、他构象环己烷的其他构象6.环己烷的各构象转化势能图环己烷的各构象转化势能图 2.6 环烷烃的构象环烷烃的构象2.7 烷烃和环烷烃的燃烧热、生成热与稳定性烷烃和环烷烃的燃烧热、生成热与稳定性1、燃烧热、燃烧热l l化化化化合合合合物物物物的的的的燃燃燃燃烧烧烧烧热热热热(HHc c)：一一一一个个个个化化化化合合合合物物物物在在在在标标标标准准准准状状状状态态态态下下下下完完完完全燃烧生成二氧化碳和水的过程所放出的热量。全燃烧生成二氧化碳和水的过程所放出的热量。全燃烧生成二氧化碳和水的过程所放出的热量。全燃烧生成二氧化碳和水的过程所放出的热量。l l烷烃在空气中燃烧生成二氧化碳和水，反应式如下：

28、烷烃在空气中燃烧生成二氧化碳和水，反应式如下：烷烃在空气中燃烧生成二氧化碳和水，反应式如下：烷烃在空气中燃烧生成二氧化碳和水，反应式如下：l l主要用于同分异构体稳定性的比较主要用于同分异构体稳定性的比较主要用于同分异构体稳定性的比较主要用于同分异构体稳定性的比较。l l相相相相同同同同组组组组成成成成的的的的同同同同分分分分异异异异构构构构体体体体，燃燃燃燃烧烧烧烧热热热热越越越越高高高高者者者者，化化化化合合合合物物物物所所所所具具具具有的能量就越高，也就有的能量就越高，也就有的能量就越高，也就有的能量就越高，也就越不稳定越不稳定越不稳定越不稳定。HC1、燃烧热、燃烧热l l烷烃的不同异构

29、体能量是有所不同的。烷烃的不同异构体能量是有所不同的。烷烷 烃烃HC/kJmol-1戊戊 烷烷-3537.2异戊烷异戊烷-3530.5新戊烷新戊烷-3516.21、燃烧热、燃烧热烷烃烷烃烷烃烷烃 H HC C/kJ/kJ molmol-1-1环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃 H HC C/kJ/kJ molmol-1-1丙烷丙烷丙烷丙烷-2220.3-2220.3环丙烷环丙烷环丙烷环丙烷-2092.2-2092.2（697.4/C697.4/C)丁烷丁烷丁烷丁烷-2879.1-2879.1环丁烷环丁烷环丁烷环丁烷-2747.3-2747.3（686.8/C686.8/C)戊烷戊烷戊烷戊烷-3537.2

30、-3537.2环戊烷环戊烷环戊烷环戊烷-3322.0-3322.0（664.4/C664.4/C)己烷己烷己烷己烷-4195.6-4195.6环己烷环己烷环己烷环己烷-3954.5-3954.5（659.1/C659.1/C)2.生成热生成热l l生生成成热热（Hf）：是是指指化化合合物物在在标标准准状状态态下下由由单单质质元元素素生生成成过过程程中中放放出出的的热热量量。对对于于烃烃类类化化合合物物而而言言，即即指指由由单单质质碳碳（石石墨墨）和和氢氢气生成该化合物的过程中的放热。气生成该化合物的过程中的放热。Hf相同组成的同分异构体，相同组成的同分异构体，生成热越高者越稳生成热越高者越稳定

31、定。2.生成热l l事事事事实实实实上上上上大大大大多多多多数数数数烃烃烃烃类类类类化化化化合合合合物物物物是是是是难难难难以以以以从从从从单单单单质质质质碳碳碳碳和和和和氢氢氢氢生生生生成成成成的的的的，因因因因此此此此通通通通常常常常烃烃烃烃类类类类的的的的生生生生成成成成热热热热是是是是通通通通过过过过燃燃燃燃烧烧烧烧热热热热和和和和COCO2 2与与与与H H2 2OO的生成热计算而得，如：的生成热计算而得，如：的生成热计算而得，如：的生成热计算而得，如：Hf（烷烃）（烷烃）Hf（CO2+H2O）HC3333 饱和碳氢化合物的稳定性饱和碳氢化合物的稳定性1.Saturated carb

32、ons1.Saturated carbons -Alkanes relatively stable Alkanes relatively stable2.Cycloalkanes-Ring Strain2.Cycloalkanes-Ring Strain Instability of three-and four-membered rings Instability of three-and four-membered rings -due to due to angle strain(angle strain(角张力角张力角张力角张力)-Baeyer -Baeyer 环张力学说环张力学说环张

33、力学说环张力学说2.8 非共价作用与性质的关系非共价作用与性质的关系n n非共价力包括：非共价力包括：氢键氢键 Hydrogen Bond 偶极偶极-偶极作用力偶极作用力 范德华作用力范德华作用力（吸引力和斥力）等等（吸引力和斥力）等等n n作用于分子间和分子内作用于分子间和分子内n n影响化合物的影响化合物的物理性质物理性质和和化学性质化学性质 -熔点、沸点、溶解性能熔点、沸点、溶解性能 -酸碱性、反应速度和反应方向酸碱性、反应速度和反应方向非共价力及其强度InteractionsInteractionsStrength Strength ion-ion interactionion-ion

34、 interactioncomparable to covalent bondingcomparable to covalent bondingion-dipoleion-dipole50200 kJ/mol50200 kJ/moldipole-dipoledipole-dipole550 kJ/mol550 kJ/molhydrogen bondinghydrogen bonding4120 kJ/mol4120 kJ/molcation-interactionscation-interactions580 kJ/mol580 kJ/mol-stacking-stacking050 kJ/m

35、ol050 kJ/molvan der Waals forcesvan der Waals forces 5 kJ/mol,variable奇数碳烷烃奇数碳烷烃7777666n n溶解性溶解性 General Rule:相似相溶原理相似相溶原理 (like dissolves like)质子性溶剂质子性溶剂 极性溶剂极性溶剂 非质子性溶剂非质子性溶剂 非极性溶剂非极性溶剂 烃类烃类 有有机机溶溶剂剂H2O,ROHNH3,RCOOH丙酮、乙醚丙酮、乙醚 DMSO、DMF2.8 非共价作用与性质的关系非共价作用与性质的关系第二章重点讲解问题第二章重点讲解问题1.1.烷烃和环烷烃的命名烷烃和环烷烃的命名2.2.烷烃和环烷烃的构象烷烃和环烷烃的构象3.3.烷烃和环烷烃的稳定性（燃烧热、生成热、烷烃和环烷烃的稳定性（燃烧热、生成热、环张力学说）环张力学说）4.4.分子间的非共价作用与烷烃的物理性质分子间的非共价作用与烷烃的物理性质 讨论性专题讨论性专题1：n n学习第一至第五章，查阅有关书籍和文献，学习第一至第五章，查阅有关书籍和文献，讨论有机化合物结构与性质的关系，并通过讨论有机化合物结构与性质的关系，并通过实例理解和阐述有机化合物这些性质的重要实例理解和阐述有机化合物这些性质的重要性。性。n n限限A4纸两面纸两面,第九周周三（第九周周三（4月月18日）交日）交。