中山大學有機化學課件第02章12-02-18

第二章飽和碳氫化合物SaturatedHydrocarbon第二章重點講解問題一、飽和碳氫化合物（烷烴、環(huán)烷烴）的命名二、飽和碳氫化合物的構象與構象分析三、碳氫化合物的穩(wěn)定性與拜爾的環(huán)張力學說四、飽和碳氫化合物的物理性質（分子間的非共價作用）2.1碳氫化合物的分類碳氫化合物

——由碳和氫兩種元素形成的有機化合物的總稱，又稱烴（hydrocarbon）開鏈烴

環(huán)烴

飽和烴

——烷烴，環(huán)烷烴

不飽和烴

烯烴，環(huán)烯烴芳香烴炔烴，環(huán)炔烴1、對于碳數為C1~C10的直鏈烷烴----甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳數，稱為“某烷”2、對于碳數>C10的烷烴----直接用中文數字表示碳數英文命名類似“碳數詞干+ane詞尾”methane,ethane,propane,butane,pentane,hexane,heptane,octane,nonane,decane,undecane(十一烷),dodecane(十二烷)2.2開鏈烷烴的命名2.2開鏈烷烴的命名2.2開鏈烷烴的命名構造異構體（constitutionalisomers）—分子式相同但分子內原子的連接順序或方式不同的異構體。普通命名法（Commonnames）對于構造異構體，則使用“正”、“異”、“新”等表示?！罢?normal)”代表直鏈烷烴，“異(iso-)”和“新(neo-)”分別表示特定的分支烷烴。烷基（Alkyl）—

烷烴分子中從形式上消除一個氫的部分，通常用R-表示，英文用“

yl

”

替代“

ane

”methane——methylCH3-Meethane——ethylCH3CH2-Etn-propane—n-propylCH3CH2CH2-

n-Pro

isopropyl(CH3)2CH-

i-Pron-butane——n-butylCH3CH2CH2CH2-

n-Bu

sec-butylCH3CH2CHCH3

sec-Buisobutane——

isobutyl(CH3)2CHCH2-

i-Bu

tert-butyl(CH3)3C-

tert-Bu烷基的概念Primary(1o),secondary(2o),tertiary(3o),quaternary(4o)Cbutonlyprimary,secondary,tertiaryH

注意烷烴分子和烷基中碳級別的不同烷烴中碳和氫的種類IUPAC:

InternationalUnionofPureandAppliedChemistry2.2開鏈烷烴的命名

系統(tǒng)命名法（IUPACRules）

系統(tǒng)命名法(IUPACRules)3、將主鏈上的碳原子編號—

由距支鏈最近的一端開始（編號-“支鏈名”“某烷”）4、相同的取代基可以合并，用二（di）、三（tri）、四（tetra）等表示相同取代基的數目，其編號在連字符前用逗號分隔列出。如：2,5-二甲基庚烷2,5-dimethylheptane5、多個支鏈存在時，英文按字母順序排列，中文則按“次序規(guī)則”，將較優(yōu)基團列在后面。

系統(tǒng)命名法(IUPACRules)注意若兩個取代基不同，但取代位號相同，則給“較優(yōu)”基團以大編號（英文按字母順序）

3-甲基-5-乙基庚烷3-ethyl-5-methylheptane注意！

系統(tǒng)命名法(IUPACRules)次序規(guī)則(1)

原子序數大的為“較優(yōu)”基團(2)

第一原子相同，按原子序數大小順序比較第二原子例如：-CH2Cl>-CH2OH，因為-C(Cl,H,H)>-C(O,H,H)次序規(guī)則又如：-CH2CH(CH3)2<-CH2CH2OH，因為-C(C，H，H)=-C(C，H，H)

C(C，C，H)<C(O，H，H)(3)

含有雙鍵和叁鍵的基團，可以認為連有兩個或三個相同原子

系統(tǒng)命名法(IUPACRules)常見烷基的次序舉例

-C(C,C,H)-C(C,H,H)-C(C,C,H)-C(C,H,H)3-乙基-5-(1-乙基丙基)壬烷3-ethyl-5-(1-ethylpropyl)nonane7、如果具有不止一條可選擇的等長的碳鏈：(1)以取代基數目最多的碳鏈為主鏈。(2)系統(tǒng)命名法(IUPACRules)2,5-二甲基-4-仲丁基庚烷或2,5-二甲基-4-(1-甲基丙基)庚烷4-(sec-butyl)-2,5-dimethylheptaneor2,5-dimethyl-4-(1-methlpropyl)heptane(2)**

取代基數目一樣多時，以側鏈位次最低的鏈為主鏈2,4,5-3,4,5-C3H6

C4H8C5H10

結構通式：CnH2n2.Cycloalkanes2.3碳氫化合物的分類不飽和度

—分子組成的氫原子數目與理論上最大可能數目之差的情況分子式：CnHm，

則不飽和度=Saturatedhydrocarbons:CnH2n+2Ifitisacycloalkane,thedegreeofunsaturatedequalstothenumberofring.[(2n+2)-m]/2環(huán)烷烴的通式與不飽和度（環(huán)的數目）2.4環(huán)烷烴的命名當環(huán)上有多個取代基時，則將1位編號給予能使第2個取代基編號最小的位置

。1.單環(huán)環(huán)烷烴的命名32.4環(huán)烷烴的命名2.二環(huán)橋環(huán)烷烴的命名橋環(huán)烴—

bridgedhydrocarbon,分子內環(huán)與環(huán)之間有兩個或兩個以上共用碳原子的多環(huán)烴。橋頭碳—

共用的碳原子橋—

兩個橋頭碳原子間的碳鏈2.4環(huán)烷烴的命名2.二環(huán)橋環(huán)烷烴的命名母體名

—

幾環(huán)[n1.n2.n3…]某烷環(huán)的數目各橋上碳數由大到小排全部環(huán)上碳原子數2.二環(huán)橋環(huán)烷烴的命名編號

—

從橋頭碳開始，繞最長的橋到另一個橋頭，再繞次長橋回來，最后再編最短的橋。—

可能的情況下給取代基以盡可能小的編號2,8,8-三甲基二環(huán)[3.2.1]辛烷

一般步驟：1.選取母體2.確定取代基的位置和名稱3.以適當的順序在母體名稱前列出取代基的編號和名稱4.必要時，對構型進行標示（詳見第三章和第五章的構型標示方法）命名小結2.5開鏈烷烴的構象1乙烷(Ethane)的構象2.5開鏈烷烴的構象1乙烷(Ethane)的構象Conformationalanalysis----describestheenergyofsuchconformationalinterconversion1乙烷(Ethane)的構象乙烷構象分析勢能圖

扭轉張力正丁烷構象分析勢能圖扭轉張力2丁烷(Butane)的構象2.6環(huán)烷烴的構象

環(huán)丙烷、環(huán)丁烷和環(huán)戊烷的構象

角張力和扭轉張力2.6環(huán)烷烴的構象2.環(huán)己烷的椅式構象(Chairconformationofcyclohexane）穩(wěn)定的極限構象---椅式構象2.環(huán)己烷的椅式構象(Chairconformationofcyclohexane）2.環(huán)己烷的椅式構象(Chairconformationofcyclohexane）2.6環(huán)烷烴的構象2.環(huán)己烷的椅式構象abond---axialbond

ebond---equatorialbond2.6環(huán)烷烴的構象3.monosubstitutedcyclohexanethestableconformer----

thesubstituent（取代基）isinequatorialposition---1,3-diaxialinteraction2.6環(huán)烷烴的構象3.monosubstitutedcyclohexane2.6環(huán)烷烴的構象3.monosubstitutedcyclohexane

構象翻轉(ring-flip)

----

rapidlyinterconversionbetweentwochairconformations3.monosubstitutedcyclohexane4.disubstitutedcyclohexane

e.g.

1,2-dimethylcyclohexane

cis-transstereoisomers(屬構型異構)2.6環(huán)烷烴的構象cis-trans-穩(wěn)定性？Answer

1,2-disubstitutedcyclohexane

---trans-isomerismorestable(foreeismorestablethanea)Questions

1)Howabout1,3-and1,4-disubstitutedcyclohexane?

2)Pleasetrytodrawoutthechairconformersandanswertheabovequestion2.6環(huán)烷烴的構象4.disubstitutedcyclohexane2.6環(huán)烷烴的構象5.環(huán)己烷的其他構象6.環(huán)己烷的各構象轉化勢能圖

2.6環(huán)烷烴的構象2.7烷烴和環(huán)烷烴的燃燒熱、生成熱與穩(wěn)定性

1、燃燒熱化合物的燃燒熱(ΔH?c)：一個化合物在標準狀態(tài)下完全燃燒生成二氧化碳和水的過程所放出的熱量。烷烴在空氣中燃燒生成二氧化碳和水，反應式如下：

主要用于同分異構體穩(wěn)定性的比較。相同組成的同分異構體，燃燒熱越高者，化合物所具有的能量就越高，也就越不穩(wěn)定。ΔH?C1、燃燒熱烷烴的不同異構體能量是有所不同的。烷烴ΔH?C/kJ·mol-1戊烷-3537.2異戊烷-3530.5新戊烷-3516.21、燃燒熱烷烴ΔH?C/kJ·mol-1環(huán)烷烴ΔH?C/kJ·mol-1丙烷-2220.3環(huán)丙烷-2092.2（697.4/C)丁烷-2879.1環(huán)丁烷-2747.3（686.8/C)戊烷-3537.2環(huán)戊烷-3322.0（664.4/C)己烷-4195.6環(huán)己烷-3954.5（659.1/C)2.生成熱生成熱（ΔH?f）：是指化合物在標準狀態(tài)下由單質元素生成過程中放出的熱量。對于烴類化合物而言，即指由單質碳（石墨）和氫氣生成該化合物的過程中的放熱。ΔH?f相同組成的同分異構體，生成熱越高者越穩(wěn)定。2.生成熱事實上大多數烴類化合物是難以從單質碳和氫生成的，因此通常烴類的生成熱是通過燃燒熱和CO2與H2O的生成熱計算而得，如：ΔH?f

（烷烴）＝ΔH?f（CO2+H2O）－ΔH?C3333飽和碳氫化合物的穩(wěn)定性1.Saturatedcarbons

----Alkanesrelativelystable2.Cycloalkanes----RingStrainInstabilityofthree-andfour-memberedrings

----duetoanglestrain(角張力)----Baeyer環(huán)張力學說2.8非共價作用與性質的關系非共價力包括：

氫鍵HydrogenBond

偶極-偶極作用力范德華作用力（吸引力和斥力）等等作用于分子間和分子內影響化合物的物理性質和化學性質

---熔點、沸點、溶解性能

---酸堿性、反應速度和反應方向非共價力及其強度InteractionsStrengthion-ioninteractioncomparabletocovalentbondingion-dipole50~200kJ/moldipole-dipole5~50kJ/molhydrogenbonding4~120kJ/molcation-πinteractions5~80kJ/molπ-πstacking0~50kJ/molvanderWaalsforces<5kJ/mol,variablehydrophobiceffects3~10kJ/mol2.8非共價作用與性質的關系飽和性

當A－H中的氫原子與一個B原子結合形成氫鍵后，另一個電負性大的原子B’則難以接近氫原子了，因為B、A的負電荷將排斥原子B’靠近，因此一個氫原子只能與一個雜原子形成氫鍵。

(1)氫鍵氫鍵的飽和性和方向性2.8非共價作用與性質的關系方向性

1.只有當A-H…B在同一直線上時最強；

2.氫鍵的方向和未共用電子對的對稱軸一致，這樣可使原子B中負電荷分布最多的部分最接近氫原子，這樣形成的氫鍵最穩(wěn)定。氫鍵的強弱

A、B的電負性越大，氫鍵越強；B的原子半徑越小，氫鍵越強。（F-H…F最強）2.8非共價作用與性質的關系分子內氫鍵與分子間氫鍵

分子間氫鍵使熔點、沸點升高(乙醇和二甲醚)

分子內氫鍵使熔點、沸點下降分子間氫鍵使水溶性增加(2)dipole-dipole

interactions偶極-偶極作用力（極性分子）極性大的分子，偶極-偶極作用力大，溶沸點高，水溶性增強2.8非共價作用與性質的關系(3)vanderWaalsforces范德華作用力（所有分子）areinduceddipole-induceddipoleinteractions

極化率越大，分子的接觸面積越大，范德華作用力越大，溶沸點越高。吸引或排斥與分子間距離有關，太近，表現為排斥作用。2.8非共價作用與性質的關系沸點

影響因素：分子的極性、分子量、分子接觸面積、氫鍵。2.8非共價作用與性質的關系1.BoilingPointsDependonthestrengthoftheattractiveforcesbetweentheindividualmoleculesC-C、C-H---nonpolarbondsvanderWaalsforces---

dependsontheareaofcontactbetweenthemoleculesTheboilingpointsofalkanesincre