[數(shù)學(xué)]第二章-烷烴1

1、第二章烷烴第二章烷烴(Alkanes)烴烴開開鏈鏈烴烴類類( (脂脂肪肪烴烴) )環(huán)環(huán)狀狀烴烴類類不不飽飽和和烴烴烯烯烴烴炔炔烴烴和和二二烯烯烴烴脂脂環(huán)環(huán)烴烴芳芳香香烴烴環(huán)環(huán)烯烯烴烴和和環(huán)環(huán)炔炔烴烴飽飽和和烴烴：分分子子中中C CC C以以單單鍵鍵相相連連，其其余余價價鍵鍵均均為為氫氫所所飽飽和和的的脂脂肪肪烴烴。又又叫叫烷烷烴烴或或石石蠟蠟烴烴。環(huán)環(huán)烷烷烴烴2.1 烷烴的通式、同系列與構(gòu)造異構(gòu)烷烴的通式、同系列與構(gòu)造異構(gòu)n較為簡單烷烴除甲烷外，還有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，它們較為簡單烷烴除甲烷外，還有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，它們的分子式和構(gòu)造式依次為：的分子式和構(gòu)造式依次為：分子式構(gòu)造式

2、構(gòu)造簡式CH4CHHHHCH4C CHHHHHHC CHHHCHHHHHCH3CH3CH3CH2CH3C2H6C3H8C CHHHCHHHCHHHHCCHHHCHCHHHHHHC CHHHCHHHCHHCHHHHCCHHHCHCHCHHHHHHHCCHHHCCCHHHHHHHHHCH3CH2CH2CH3CH CH2CH3H3CCH3CH3CH2CH2CH2CH3CH CH3H3CCH3CCH3CH3H3CCH3CnH2n+2C4H10C5H12烷烴的通式、同系列與構(gòu)造異構(gòu)烷烴的通式、同系列與構(gòu)造異構(gòu)n在有機(jī)化學(xué)中，把這種在組成上相差一個或多個在有機(jī)化學(xué)中，把這種在組成上相差一個或多個CH2的一

3、系列化的一系列化合物稱為合物稱為同系列同系列，同系列中的化合物互為，同系列中的化合物互為同系物同系物，CH2則稱為則稱為系系差差。n一個化合物的分子式是表示這個化合物的組成；而構(gòu)造式是表示一個化合物的分子式是表示這個化合物的組成；而構(gòu)造式是表示分子中各原子的分子中各原子的連接順序連接順序或或結(jié)合方式結(jié)合方式。 n甲烷、乙烷、丙烷都只有一種結(jié)合方式，當(dāng)碳原子數(shù)甲烷、乙烷、丙烷都只有一種結(jié)合方式，當(dāng)碳原子數(shù)n4n4時，碳時，碳原子之間的結(jié)合方式就不只一種了。如：丁烷有原子之間的結(jié)合方式就不只一種了。如：丁烷有2 2種，戊烷有種，戊烷有3 3種。種。n這些不同和結(jié)合方式之間，它們的性質(zhì)（物性和化性）

4、也不相同，這些不同和結(jié)合方式之間，它們的性質(zhì)（物性和化性）也不相同，也就是說它們不是一種化合物，一種結(jié)合方式就是一個化合物。也就是說它們不是一種化合物，一種結(jié)合方式就是一個化合物。 烷烴的通式、同系列與構(gòu)造異構(gòu)烷烴的通式、同系列與構(gòu)造異構(gòu)定義：在有機(jī)化學(xué)中定義：在有機(jī)化學(xué)中,把分子式相同把分子式相同,分子中原子的分子中原子的連接順序或結(jié)合連接順序或結(jié)合方式不同方式不同而產(chǎn)生的一系列化合物叫而產(chǎn)生的一系列化合物叫構(gòu)造異構(gòu)體構(gòu)造異構(gòu)體。從上我們還可以看出，化合物的構(gòu)造式書寫起來非常麻煩，尤其從上我們還可以看出，化合物的構(gòu)造式書寫起來非常麻煩，尤其是對含碳原子數(shù)較多的化合物，所以，通常為了書寫方便，

5、一是對含碳原子數(shù)較多的化合物，所以，通常為了書寫方便，一般用構(gòu)造簡式表示（見上）。我在這里要強調(diào)，般用構(gòu)造簡式表示（見上）。我在這里要強調(diào)，我們以后做作我們以后做作業(yè)要寫的構(gòu)造式，要求都要用業(yè)要寫的構(gòu)造式，要求都要用構(gòu)造簡式構(gòu)造簡式表示。表示。 構(gòu)造異構(gòu)：分子式相同中，分子中原子的連接順序或結(jié)合方式不同而產(chǎn)生的一系列化合物立體異構(gòu)：分子式相同，構(gòu)造式也相同，但分子中原子在空間的排列方式不同而產(chǎn)生的一系列化合物同分異構(gòu)如何能寫出所有異構(gòu)體的數(shù)目n給定分子式，如何能寫出所有異構(gòu)體的數(shù)目。方法是：“抽出骨架，重新排列，舍去重復(fù)，再添枝葉”。例1寫出烷烴C6H14的所有同分異構(gòu)體。（1）抽出骨架：CC

6、CCCC（2）重新排列，舍去重復(fù)：主鏈為5個碳的有： 主鏈為4個碳的有：CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC6H14的同分異構(gòu)體n（3）再添枝葉：CH3CH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CHCH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CH3CH3CHCHCH3CH3CH3CH3CCH2CH3CH3CH3CH3(CH2)4CH3CH3CH2CH2CH(CH3)2(CH3CH2)2CHCH3(CH3)2CHCH(CH3)2(CH3)3CH2CH32.2 烷烴的命名Nomenclature of Alkane1. 碳、氫原子的分類CHCHHCHHCHCH3CH3CH3CH3伯

7、 碳1 C。仲 碳2 C。叔 碳3 C季 碳4 C。把伯、仲、叔碳上連的氫分別稱為伯、仲、叔氫，或一級、二級、三級氫，也可用1 H、2 H、3 H表示。2. 烷基的命名基：就是烴分子中去掉一個或幾個氫原子剩下的部分。例如：基：就是烴分子中去掉一個或幾個氫原子剩下的部分。例如：通常所說的烷基是指烷烴分子中去掉一個氫原子所剩下的部分。通常所說的烷基是指烷烴分子中去掉一個氫原子所剩下的部分。CH4 HCH3 HCH2 HCH甲 基亞 甲 基甲 烷次甲基RH HR烷烴烷基(Alkyl)烷基的通式為CnH2n+12. 烷基的命名(續(xù))一般烷基用習(xí)慣命名法，下面是一些常見烷基的命名：一般烷基用習(xí)慣命名法，

8、下面是一些常見烷基的命名：CH4HCH3CH3CH3HCH3CH2CH3CH2CH31 HCH3CH2CH2。2 H。CH3CHCH3CH3CH2CH2CH31 H。CH3CH2CH2CH22 H。CH3CH2CHCH3乙基正丙基異丙基正丁基仲(另)丁基methylethylnormal propylisomeric propylnormal butylsecondary butylMeEtnPrisoPrn-Bu-sec-Bu-甲基烷基的命名(續(xù))CH3CHCH3CH31 H。CH3CHCH3CH2CH3CCH3CH33 H。CH3CCH3CH3CH31 H。CH3CCH3CH2CH3異丁基

9、叔(特)丁基季(新)戊基isomeric butyltertiary butylneo pentyliso But Buneo Pen3.烷烴的命名(1)習(xí)慣命名法：是早期人們對簡單化合物的命名法。它有以下習(xí)慣命名法：是早期人們對簡單化合物的命名法。它有以下規(guī)則：規(guī)則：(A)對直鏈烷烴，叫正某烷。十個碳以內(nèi)用十天干表示碳原子數(shù)對直鏈烷烴，叫正某烷。十個碳以內(nèi)用十天干表示碳原子數(shù)目，十個以上用漢字?jǐn)?shù)目表示。如：正丁烷、正十二烷目，十個以上用漢字?jǐn)?shù)目表示。如：正丁烷、正十二烷(B)支鏈烷烴的異構(gòu)體用支鏈烷烴的異構(gòu)體用正、異、新正、異、新加以區(qū)別。正表示直鏈，異加以區(qū)別。正表示直鏈，異代表具有代表具

10、有(CH3)2CH結(jié)構(gòu)的烷烴，新代表具有結(jié)構(gòu)的烷烴，新代表具有(CH3)3CCH2 結(jié)構(gòu)的烷烴。如：結(jié)構(gòu)的烷烴。如：CH3(CH2)4CH3CH3CHCH2CH2CH3CH3CCH2CH3CH3CH3CH3正己烷異己烷新己烷CH3CH2CHCH2CH3CH3CHCHCH3CH3CH3CH3(2) 衍生物命名法將所有的烷烴都看作是將所有的烷烴都看作是甲烷甲烷分子中氫原子被其它原子團(tuán)取代后分子中氫原子被其它原子團(tuán)取代后的的衍生物衍生物。如前面的兩個異構(gòu)體。如前面的兩個異構(gòu)體衍生物命名法的規(guī)則：選擇衍生物命名法的規(guī)則：選擇連接烷基最多的碳原子做甲烷母體連接烷基最多的碳原子做甲烷母體，其余看作取代基，

11、命名時按其余看作取代基，命名時按先簡單后復(fù)雜的順序排列取代基先簡單后復(fù)雜的順序排列取代基。CH3CH2CHCH2CH3CH3CH CHCH3CH3CH3CH3甲基二乙基甲烷二甲基異丙基甲烷CH3CCH3CH2CHCH3CH3CH3只能叫：三甲基異丁基甲烷不能叫：二甲基新戊基甲烷CH3CCH3CH2CHCH3CHCH2CH3CHCH3CH3CH3(3)系統(tǒng)命名法(CCS命名法)直鏈烷烴與習(xí)慣命名法基本相同，但不加直鏈烷烴與習(xí)慣命名法基本相同，但不加“正正”字。對支鏈烷字。對支鏈烷烴的命名應(yīng)遵循以下規(guī)則：烴的命名應(yīng)遵循以下規(guī)則：(A)選主鏈：選取結(jié)構(gòu)式中最長的碳鏈作主鏈，稱為某烷。如果選主鏈：選取

12、結(jié)構(gòu)式中最長的碳鏈作主鏈，稱為某烷。如果有幾條相同的最長碳鏈，應(yīng)有幾條相同的最長碳鏈，應(yīng)選擇取代基最多的作主鏈選擇取代基最多的作主鏈，把其，把其它的看作取代基。它的看作取代基。(B)編號：應(yīng)遵循編號：應(yīng)遵循最低序列規(guī)則最低序列規(guī)則和和取代基代數(shù)和最小原則取代基代數(shù)和最小原則。最低。最低序列規(guī)則就是從最接近取代基一端開始編號。序列規(guī)則就是從最接近取代基一端開始編號。(C)處理取代基：將取代基按處理取代基：將取代基按先簡單，后復(fù)雜，同類合并先簡單，后復(fù)雜，同類合并的原則的原則放在母體之前，取代基的位次由所連主鏈碳的編號表示，寫放在母體之前，取代基的位次由所連主鏈碳的編號表示，寫在取代基之前。在取代

13、基之前。系統(tǒng)命名法舉例CH3CHCH2CHCHCH3CH3CH2CH2CH3CH3CH3CH2CH CH CH2CH3CHCH3H3CCHCH3CH3CH3CHCHCH2CCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH2CCH2CH2CH2CHCH3CH3CH3CH32,2,4,5四甲基己烷2,3,5,5四甲基己烷2,6,6三甲基辛烷3,3,7三甲基辛烷系統(tǒng)命名法注意事項A，取代基位次用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，個數(shù)用漢字表示。取代基位次用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，個數(shù)用漢字表示。B，編號之間用逗號隔開，位次與取代基、取代基與取代基之間編號之間用逗號隔開，位次與取代基、取代基與取代基之間用短線隔開；但取代基與母體之間不

14、用隔開。用短線隔開；但取代基與母體之間不用隔開。C，三套命名法不能混合使用。但取代基的習(xí)慣命名法允許在系三套命名法不能混合使用。但取代基的習(xí)慣命名法允許在系統(tǒng)命名法中使用。統(tǒng)命名法中使用。D，注意漢字注意漢字“己已己已”、“戊戍戊戍”的區(qū)別。的區(qū)別。CH3CHCH2CHCH2CH3CH3CH3CH3CH2CH2CHCHCH3CH2CH2CH3CH3只能叫：2,4二甲基己烷不能叫：4甲基異庚烷只能叫：4異丙基庚烷不能叫：2甲基3丙基己烷2.3烷烴的結(jié)構(gòu)1.烷烴的結(jié)構(gòu)特點烷烴的結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)代實驗測定：甲烷為正四面體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代實驗測定：甲烷為正四面體結(jié)構(gòu)，C原子居于中心，四個氫原子居于中心，四個氫位于

15、四面體的四個頂角。鍵長都是位于四面體的四個頂角。鍵長都是0.11nm，鍵角都為鍵角都為109.5度，鍵距都為度，鍵距都為0.3D，但整個分子無偶極距。但整個分子無偶極距。比例（斯陶特）模型球棒（開庫勒）模型雜化軌道理論雜化軌道理論認(rèn)為：雜化軌道理論認(rèn)為：碳原子在基態(tài)時，外層價電子只有兩個單電子，根據(jù)電子配對理論，碳原子在基態(tài)時，外層價電子只有兩個單電子，根據(jù)電子配對理論，只能形成兩個化學(xué)鍵。只能形成兩個化學(xué)鍵。假設(shè)一、假設(shè)一、為了能夠更多地成鍵，為了能夠更多地成鍵，C原子先吸收能量，發(fā)生躍遷，形原子先吸收能量，發(fā)生躍遷，形成激發(fā)態(tài)。成激發(fā)態(tài)。假設(shè)二、假設(shè)二、為了能有效地成鍵，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，四

16、個原子軌道要進(jìn)為了能有效地成鍵，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，四個原子軌道要進(jìn)行行SP3雜化。雜化。躍遷SP3雜化基態(tài)激發(fā)態(tài)雜化態(tài)雜化軌道理論什么叫雜化，所謂雜化，就是四個軌道放到一起，進(jìn)行充分混合，什么叫雜化，所謂雜化，就是四個軌道放到一起，進(jìn)行充分混合，再平均分配，不但再平均分配，不但進(jìn)行能量均分進(jìn)行能量均分，而且，而且軌道成份也平均分配軌道成份也平均分配，形，形成四個能量和軌道成份都相同的新軌道成四個能量和軌道成份都相同的新軌道即即SP3雜化軌道。雜化軌道。n大家知道，大家知道，S軌道是球形對稱的，軌道是球形對稱的，P軌道呈啞鈴形，而軌道呈啞鈴形，而SP3雜化軌雜化軌道的形狀為：道的形狀為：2S軌道2

17、P軌道一個SP3雜化軌道四個SP3雜化軌道SP3雜化軌道n每個每個SP3雜化軌道都含雜化軌道都含1/4 S成分，成分，3/4 P成分。成分。n四個四個SP3雜化軌道相互排斥，形成最穩(wěn)定的排布，即是正四面體雜化軌道相互排斥，形成最穩(wěn)定的排布，即是正四面體結(jié)構(gòu)，軌道對稱軸指向四面體的四個頂角，軌道夾角為結(jié)構(gòu)，軌道對稱軸指向四面體的四個頂角，軌道夾角為109.5。 109.5甲烷的結(jié)構(gòu)n在形成甲烷時，在形成甲烷時，4個個H原子的原子的1S軌道分別沿著軌道分別沿著4個雜化軌道的對個雜化軌道的對稱軸方向接近稱軸方向接近C原子，使原子，使H的的1S軌道與軌道與SP3雜化軌道的大頭發(fā)生雜化軌道的大頭發(fā)生最大

18、程度的重疊，形成最大程度的重疊，形成4個相同的個相同的CH鍵，鍵，通常把這種沿著軌道通常把這種沿著軌道對稱軸方向重疊形成的化學(xué)鍵叫做對稱軸方向重疊形成的化學(xué)鍵叫做鍵。鍵。甲烷的電子云結(jié)構(gòu)如圖：甲烷的電子云結(jié)構(gòu)如圖： HCHHH鍵的特點在甲烷分子中，在甲烷分子中，CH之間靠之間靠4個個CH鍵結(jié)合在一起，那么，甲烷鍵結(jié)合在一起，那么，甲烷的性質(zhì)就由這種的性質(zhì)就由這種鍵的特性來決定。下面我們來看一看鍵的特性來決定。下面我們來看一看鍵有什鍵有什么特點。么特點。n鍵的特點：鍵的特點：n（1）鍵有方向性，兩個成鍵原子必須沿著對稱軸方向接近，鍵有方向性，兩個成鍵原子必須沿著對稱軸方向接近，才能達(dá)到最大重疊。

19、才能達(dá)到最大重疊。n（2）成鍵電子云沿鍵軸對稱分布，兩端的原子可以沿軸自由旋）成鍵電子云沿鍵軸對稱分布，兩端的原子可以沿軸自由旋轉(zhuǎn)而不改變電子云的分布。轉(zhuǎn)而不改變電子云的分布。n（3）鍵是頭碰頭的重疊，與其它鍵相比，重疊程度大，鍵能鍵是頭碰頭的重疊，與其它鍵相比，重疊程度大，鍵能大，因此，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。大，因此，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。 乙烷的結(jié)構(gòu)n知道了甲烷的結(jié)構(gòu)特點，其它烷烴的結(jié)構(gòu)特點與甲烷相似，就好知道了甲烷的結(jié)構(gòu)特點，其它烷烴的結(jié)構(gòu)特點與甲烷相似，就好理解了。如在乙烷中，理解了。如在乙烷中，C仍是仍是SP3雜化，呈四面體構(gòu)型，成鍵后，雜化，呈四面體構(gòu)型，成鍵后，除了有除了有6個個CH鍵外，又多了

20、一個鍵外，又多了一個CC鍵。它雖然也是鍵。它雖然也是鍵，鍵，具有具有鍵的特點，但其鍵參數(shù)與鍵的特點，但其鍵參數(shù)與CH鍵有所不同。鍵有所不同。n C HC C鍵長(nm)鍵能(kJ/mol)鍵矩(D)鍵角(度)0.1100.154415346109.5109.50.30其它烷烴的結(jié)構(gòu)n其它烷烴的結(jié)構(gòu)也可用其它烷烴的結(jié)構(gòu)也可用SP3雜化和四面體模型來描述。因此，對雜化和四面體模型來描述。因此，對于長碳鏈的烷烴來說，其于長碳鏈的烷烴來說，其CCC的夾角也應(yīng)是的夾角也應(yīng)是109.5或接近或接近109.5，而不是，而不是180。也就是說，。也就是說，直鏈烷烴直鏈烷烴其實際結(jié)構(gòu)其實際結(jié)構(gòu)不是不是直的直的，

21、而應(yīng)是，而應(yīng)是曲折的曲折的。又因為。又因為CC單鍵可以繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)，單鍵可以繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)，所以，對于多碳原子的烷烴，其碳鏈可以有多種形式的排布。如所以，對于多碳原子的烷烴，其碳鏈可以有多種形式的排布。如正己烷。正己烷。2、烷烴的構(gòu)象n我們把這種我們把這種僅僅是由于圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)而引起的分子內(nèi)原子在空僅僅是由于圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)而引起的分子內(nèi)原子在空間的不同排布方式就稱為構(gòu)象間的不同排布方式就稱為構(gòu)象（conformation）。）。n（1 1）乙烷的構(gòu)象在乙烷構(gòu)象中，由于旋轉(zhuǎn)角度不同，可產(chǎn)）乙烷的構(gòu)象在乙烷構(gòu)象中，由于旋轉(zhuǎn)角度不同，可產(chǎn)生無數(shù)個，但其中比較典型的有兩個要求大家掌握。一個是生無數(shù)個，

22、但其中比較典型的有兩個要求大家掌握。一個是交交叉式構(gòu)象叉式構(gòu)象，即六個氫原子正好處于交叉式狀態(tài)。另一個是，即六個氫原子正好處于交叉式狀態(tài)。另一個是重疊重疊式式，即兩個甲基中的六個氫兩兩處于重疊式的位置。，即兩個甲基中的六個氫兩兩處于重疊式的位置。 HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH交叉式重疊式紐曼投影式的表示方法n在書寫在書寫紐曼投影式紐曼投影式時規(guī)定：從時規(guī)定：從CC單鍵的延長線上觀察整個分單鍵的延長線上觀察整個分子，表示兩個碳原子的投影，靠近我們的碳原子上所連的子，表示兩個碳原子的投影，靠近我們的碳原子上所連的H原原子用表示，遠(yuǎn)離我們的子用表示，遠(yuǎn)離我們的H原子用表示，同碳上

23、的三個原子用表示，同碳上的三個H原子原子在投影式中互為在投影式中互為120角。這樣固定任一個甲基，旋轉(zhuǎn)另一個甲角。這樣固定任一個甲基，旋轉(zhuǎn)另一個甲基，就可得到一系列的紐曼投影式。對于交叉式來說，旋轉(zhuǎn)基，就可得到一系列的紐曼投影式。對于交叉式來說，旋轉(zhuǎn)60變成重疊式，再旋轉(zhuǎn)變成重疊式，再旋轉(zhuǎn)60又變回交叉式。又變回交叉式。HHHHHHHHHHHHHHHHHH交叉式重疊式最穩(wěn)定構(gòu)象和最不穩(wěn)定構(gòu)象n從紐曼投影式可以看出，在交叉式中，前后碳原子上的從紐曼投影式可以看出，在交叉式中，前后碳原子上的H原子相原子相距最遠(yuǎn)（演示），斥力最小，是能量最低的一種構(gòu)象，稱作距最遠(yuǎn)（演示），斥力最小，是能量最低的一種

24、構(gòu)象，稱作優(yōu)勢優(yōu)勢構(gòu)象構(gòu)象。而在重疊式中，前后碳上的。而在重疊式中，前后碳上的H原子之間相距最近，斥力最原子之間相距最近，斥力最大，因而是能量最高的一種構(gòu)象，稱作大，因而是能量最高的一種構(gòu)象，稱作最不穩(wěn)定構(gòu)象最不穩(wěn)定構(gòu)象，其它構(gòu)象，其它構(gòu)象的能量都處于二者之間。的能量都處于二者之間。 EQ(度 )HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH060120180240E12.6KJ/mol（2）丁烷的構(gòu)象n用紐曼投影式表示時，用紐曼投影式表示時，把丁烷看作是乙烷分子中兩個碳原子上各把丁烷看作是乙烷分子中兩個碳原子上各有一個有一個H被甲基取代而得。這樣，當(dāng)沿著被甲基取代而得。這樣，當(dāng)

25、沿著C2C3鍵軸旋轉(zhuǎn)時，就鍵軸旋轉(zhuǎn)時，就會形成一系列的丁烷構(gòu)象，但我們要求掌握會形成一系列的丁烷構(gòu)象，但我們要求掌握4種典型的構(gòu)象。它種典型的構(gòu)象。它們的構(gòu)象及能量曲線如下：們的構(gòu)象及能量曲線如下：HHH3CHCH3HCH3HHHHCH3HCH3HHCH3HHHH3CHHCH3對位交叉部分重疊鄰位交叉全重疊60 60 60丁烷的構(gòu)象（續(xù)）對位交叉部分重疊鄰位交叉全重疊060120180240300360對位交叉部分重疊鄰位交叉E旋轉(zhuǎn)角度HHH3CHCH3HCH3HHHHCH3HCH3HHCH3HHHH3CHHCH3對位交叉部分重疊鄰位交叉全重疊60 60602.4烷烴的物理性質(zhì)n物理性質(zhì)是化合物微觀結(jié)構(gòu)的宏觀表現(xiàn)。一般是鑒別化合物的初步手段。物理性質(zhì)一般指化合物的熔點、沸點、比重、折光率、溶解度、粘度