第二章 烷烃和环烷烃 教学目标： 1.详细介绍烷烃的构象，进一步建立有机化合物的立体概念。 2.了解σ键的形成及其特点，要使学生了解原子或基团之间沿σ键旋转，以及这种转动 受到限制的可能和条件，并从热力学的观点出发分析各种构象的不同稳定性。 3.了解烷烃的取代反应及游离基反应历程，明确了解反应历程的概念。 4. 环烷烃的结构和性质。环的张力，无张力环的结构，并分析环已烷的一元和二元取代 物的优势构象。 教学重点、难点： 烷烃的系统命名法及各种结构式。并结合介绍有机化合物的常用习惯命名。环烷烃的结 构和性质。环的张力，无张力环的结构，并分析环已烷的一元和二元取代物的优势构象。 教学方法、手段：讲授、分子模型和CI课件辅助教学。 本章学时：4学时
教学内容： 烷烃和环烷烃 分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物称为碳氢化合物，简称烃。其它有机化合物可 以看成是烃的衍生物。所以一般认为烃是有机化合物的母体。 烃的种类很多，根据烃分子中碳原子的连结方式，可大体分类下： 饱和脂肪烃一烷烃 饱和烃 饱和脂环烃一环烷 脂肠烃 烯烃 不饱和脂肪烃 炔烃 不饱和烃 二烯烃 烃 环烯烃 不饱和脂环烃 单环芳香烃 环炔烃 芳香烃 多环芳香烃 稠环芳香烃 饱和烃分子中的碳原子都是以单键相连，碳原子的其余价键完全被氢原子所饱和。 饱和烃分子中的碳原子以开链连接成直链或分叉链的称为烷烃：碳原子相互连接成环状结 构的称为环烷烃。 第一节烷烃 一、烷烃的通式、同系列和同分异构现象 通式：CH2m2 同系列：具有同一通式、结构和性质相似、相互间相差一个或几个CH的一系列化合物。 同系列中的各个化合物五为同系物。相邻同系物之间的差CH叫做同系差。同系列是有机化学 中的普遍现象，同系列中各个同系物（特别是高级同系物）具有相似的结构和性质 两端任一氢被甲基取代 yCH3-CH-CH2ES烧(bp.-0.5℃) CH3-CH2-CH3 CH3 中间任一氢被甲基取代→CHs-CH-CH,异J烷b.p-10.2℃) 很明显，这两种丁烷结构上的差异是山于分子中碳原子连接方式不同而产生的，我们把分 子式相同而构造式不同所产生的同分异构现象叫做构造异构：这种山于碳链的构造不同而产生 的同分异构现象又称做碳链异构。 同理，山丁烷的两种同分异构体可以衍生出三种戊烷： CHa CHs CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH2-CHg CH3-C-CH3 CHa 正戊烷(b.p.36.1℃) 异戊烷(b.p.28℃) 新戊烷(b.p.9.5℃) 随着分子中碳原子数的增加，碳原子间就有史多的连接方式，异构体的数目明显增加，己 烷有五个同分异构体，庚烷有9个，辛烷有18个，而癸烷有75个，二|烷有366319个。 分析下面烷烃分子中碳原子和氢原子的连接情况：
3°41 CHa CHa 1。 1 其中有的碳只与一个碳原子相连，我们把它叫做一级碳原子，或叫第一（伯）碳原子，可 用1°表示：直接与两个碳原子相连的，叫做二级碳原子，或叫第二（仲）碳原子，可用 2 。表示：直接与三个碳原子相连的，叫做二级碳原子，或叫第三碳（叔）原子，可用3°表示： 直接与四个碳原子相连的，叫做第四（季）碳原子，用4°表示。 氢原子则按其与一级、二级或二级碳原子相连而分别称为第一、第二、第二氢原子或称为 伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子的活泼性不同。 二、烷烃的命名 烷烃常用的命名法有普通命名法和系统命名法两种。 1.普通命名法（习惯命名法） 一般只适用于简单、含碳较少的烷烃，基本原则是： (1)根据分子中碳原子的数目称“某烷”。碳原子数在以内时，用天干字甲、乙、丙、 丁、戊、已、庚、辛、千、癸表示碳原子数在个以上时，则以|一、二、三、…表 示。例： CH3CH2CH2CH2CH3 CH3(CH2)1oCH3 戊烷 十二烷 (2)为了区别异构体，直链烷烃称“正”某烷：在链端第二个碳原子上连有一个甲基月 无其它支链的烷烃，称“异”某烷：在链端第二个碳原子上连有两个甲基月无其它支链的烷烃， 称“新”某烷。例：戊烷的三种异构体，分别称为正戊烷、异戊烷、新戊烷。 CH CH3CH2CH2CH2CH3 CH.CHCH2 CH CH一 CHs CH 2.烷基名 异戊烷 新戊烷 烷烃分子中去掉一个氢原子形成的一价基团叫烷基。烷基的名称山相应的烷烃命名。常见 烷基下： CH3- CH:CH2- CH:CH2CH2- (CH3)2CH— CH:CH2CH2CH2- 甲基 乙基 丙基 异丙基 丁基 (CHs)C- (CHa)2CHCH- CH CH2CH (CHa)- (CH3)CCH一 (CHs)2CHCH2CH2- 叔丁基 异丁基 仲丁基 新戊基 异戊基 烷基通式为C,通常用R-表示，所以烷烃也可用RH表示。 对于结构比较复杂的烷烃，应使用系统命名法。 3.系统命名法 直链烷烃的系统命名法与普通命名法相同，只是把“正”字取消。对于结构复杂的烷烃， 则按以下原则命名。 (1)在分子中选择一个最长的碳链作主链，根据主链所含的碳原子数叫做某烷。主链 以外的其它烷基看做主链上的取代基，同一分子中若有两条以上等长的主链时，则应选取分支 最多的碳链作主链。例：
1 CHCH CH-CHCHCH CHCH2CHz-CHCH2CH3 CH-CH3 CH :CH3 CHa 正确的选样是2，不是1 (2)山距离支链最近的一端开始，将主链上的碳原子用阿拉伯数字编号。将支链的位置 和名称与在母体名称的前面，阿拉伯数字和汉字之间必须加一半字线隔开。例： 65 4 32 CH3CH2CH2CHCH2CH3 CH3 3-甲基己烷 (3)果含有几个相同的取代基时，要把它们合并起来。取代基的数目用二、三、四… 表示，与在取代基的前面，其位次必须逐个注明，位次的数字之间要用逗号隔开。例： CIl3 Clls CIl3 -CII2-CIl2-CII- c-CIls 作 Cll3 2,2,3-二甲基己烷 业： (4)果含有几个不同取代基时，取代基排列的顺序，是将“次序规则”（见第二章 1-6 第一节)所定的“较优”基团列在后面。几种烃基的优先次序为(CH):C一>(CH):CH一> 1-7 CHCH-CH2.一>CHCH一>CH一(“>”表示优先于)。例，甲基与乙基相比，则乙基为 较优基团。因此乙基应排在甲基之后：丙基与异丙基相比，异丙基为较优基团，应排在丙基之 后。 CH3-CH一CH2一CH-CH2一CH3 CIL CI CI-CI-CIl2-CI-CICIL2CILCI cls CI Cu2 CH2CHs CI CI2 CIl3 2-甲基-4乙基己烷 6-丙基-4-异丙基癸烷 (5)当主链上有几个取代基，并有几种编号的可能时，应当选取取代基具有“最低系列” 的那种编号。所谓“最低系列”指的是碳链以不同方向编号，得到两种或两种以上的不同编号 的系列，则逐次比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者，定为“最低系列”。例如： CH3 3 12 带一4哥一 CH3 CH3CH3 2,2,3,5-四甲基已烷 上述化合物有两种编号方法，从右向左编号，取代基的位次为2,2,3,5：从左向右编 号，取代基的位次为2,4,5,5。遂个比较每个取代基的位次，第一个均为2，第二个取代基 编号分别为2和4，因此应该从右向左编号。又： cits cit-cua-cn--C-CIs 11 10
2,3,7,7,8,10-六甲基一烷（而个是2,4,5,5,9,10-六甲基|一烷） 三、烷烃的分子结构 1.甲烷和乙烷的分子结构 甲烷的结构式一般与成CH4近代物理方法测定，甲烷分子为一正四面体结构，碳原子位 于正四面体中心，四个氢原子位于正四面体的四个顶点。四个碳氢键的键长都为0.109m,键 能为414.9kJ·mo1,所有H-C-H的键角都是109.5°。甲烷分子的正四面体结构见图。 H H 从碳原子的杂化轨道理论也可以理解甲烷分子的正四面体结构。在形成甲烷分子时，四个 氢原子的轨道沿着碳原子的四个杂化轨道的对称轴方向接近，实现最大程度的重叠，形成四个 等同的CHo键。 乙烷分子中的碳原子也是以sp杂化的。两个碳原子各以一个sp轨道重叠形成CCo键， 两个碳原子又各以三个sp杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠形成六个等同的C-Hσ键。 2.乙烷及其同系物的构象 在常温下，乙烷分子中的两个甲基并不是固定在一定位置上，而是可以绕C-C·键自山旋 转，在旋转中形成许多不同的空间排列形式。这种山于绕单键旋转而产生的分子中的原子或基 团在空间的不同排列方式，叫做构象(conformation).,同一分子的不同构象称为构象异构体。 乙烷分子可以有无数种构象，但从能量的观点看只有两种极限式构象：交叉式构象和重叠 式构象。交叉式构象两个碳原子上的氢原子距离最远，相互间斥力最小，因而内能最低，稳定 性也最大，这种构象称为优势构象。在重叠式构象中，两个碳原子上的氢原子两两相对，相 互间斥力最大，内能最高，也最不稳定。其它构象内能介于二者之间。 表示构象可以用透视式或纽曼(Newman)投影式。 视式 投 透视 投影式 (a)交叉式构象 (b)重叠式构象 交叉式与重叠式的构象然内能不同，但差别较小，约为12.5kJ·mo1。因此，在室温时 可以把乙烷看做交叉式与重叠式以及介于二者之间的无数种构象异构体的平衡混合物。 山于各种构象在室温下能迅速转化，因而不能分离出乙烷的某一构象异构体。 丁烷可以看作是乙烷分子中的两个碳原子各有一个氢原子被一个甲基取代后的产物，当绕 C2-C30键旋转360°时，每旋转60°可以得到一种有代表性的构象。如1图1-6所示：