第二章 烷烃和环烷

第二章烷烃和环烷(lkane and Cycloalkane)教学要求:掌握：烷烃、环烷烃的结构；烷烃构造异构、环烷烃几何异构的概念及命名；烷烃、环烷烃、螺环烃、桥环烃的命名；烷烃、环烷烃的构象异构及其写法；取代环己烷的优势构象；烷烃的自由基取代反应及小环烷烃的特殊性。

熟悉：烃的分类；烷烃、环烷烃的物理性质；自由基的构型及其稳定性。

了解：烃的来源及其在日常生活、医学上的用途。

第一节烷烃（Alkane )仅由碳和氢两种元素组成的化合物称为碳氢化合物，简称为烃（hydrocarbon）。

烃的分类：一．烷烃的结构烷烃属于饱和烃，其分子中所有碳原子均为SP3杂化，分子内的键均为 键，成键轨道沿键轴“头对头”重叠，重叠程度较大，键较稳定，可沿键轴自由旋转而不影响成键。

）甲烷是烷烃中最简单的分子，其成键方式如下:碳原子sp3杂化, 4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的S轨道重叠，形成4个C—Hσ键，4个C—Hσ键间的键角109°28′,空间呈正四面体排布，相互间距离最远，排斥力最小，能量最低，体系最稳定，C-H键长110pm。

乙烷是含有两个碳的烷烃，其结构如下：图2－2乙烷的结构两个碳原子各以sp3杂化轨道重叠形成C—Cσ键，余下的杂化轨道分别和6个氢原子的s 轨道重叠形成六个C—Hσ键。

C-C键长154pm,C-H键长110pm 。

★其他烷烃的成键方式同乙烷相似。

★烷烃的通式、同系列烷烃的分子组成可用通式C n H2n+2表示。

具有相同分子通式和结构特征的一系列化合物称为同系列（homologous series）。

如：CH4CH3CH3 CH3CH2CH3 ；同系列中的各化合物互称为同系物（homolog）；相邻两个同系物在组成上的不变差数CH2称为同系列差。

如：乙烷较甲烷多CH2，丙烷较乙烷多CH2 …；同系物的结构相似，化学性质也相似，物理性质则随着碳原子数的增加而呈现规律性的变化，同系列中的第一个化合物常具有特殊的性质。

★烷烃中碳原子的类型烷烃中的各个碳原子均为饱和碳原子，按照与它直接相连的其他碳原子的个数，可分为伯、仲、叔、季碳原子。

伯碳原子又称一级碳原子（primary carbon），以1°表示，是只与1 个其他碳原子直接相连的碳原子。

仲碳原子又称二级碳原子（secondary carbon），以2°表示，是与2个其他碳原子直接相连的碳原子。

叔碳原子又称三级碳原子（tertiary carbon），以3°表示，是与3个其他碳原子直接相连的碳原子。

季碳原子又称四级碳原子（quaternary carbon），以4°表示，是与4个其他碳原子直接相连的碳原子。

例如：该化合物有五个1°碳、一个2°碳、一个3°碳、一个4°碳。

★伯、仲、叔碳原子上的氢原子（季碳原子上无氢原子），分别称为伯氢原子（1°氢原子）、仲氢原子（2°氢原子）、叔氢原子（3°氢原子）。

不同类型氢原子的相对反应活性不相同。

小结：烷烃分子中的碳原子均为sp3杂化，各原子之间都以单键相连。

烷烃分子中的键角接近109°28′，C—H键和C—C键的键长分别为110pm和154pm或与此相近。

由于σ键电子云沿键轴呈圆柱形对称分布，两个成键原子可绕键轴“自由”旋转。

问题2-1写出只有伯氢原子，分子式为C8H18烷烃的结构式问题2-2写出分子式为C9H20，含有8个2°氢原子和12个1°氢原子的烷烃结构式二．烷烃的构造异构和命名（一）烷烃的碳链异构分子式相同，碳原子连接方式不同而产生的同分异构现象，称为碳链异构，其异构体称为碳链异构体，它是构造异构的一种。

甲烷、乙烷和丙烷分子中的碳原子，只有一种连接方式，所以无碳链异构体。

丁烷（C4H10）有两种不同的异构体；戊烷（C5H12）有三种异构体。

随着烷烃分子中碳原子数的增多，同分异构体的数目也随之增加。

如：己烷C6H14有5个异构体，庚烷C7H16有9个异构体，十二烷C12H26有355个异构体…。

(二)烷烃的命名烷烃的命名原则是各类有机化合物命名的基础。

烷烃的命名采用两种命名法：普通命名法、系统命名法。

1、普通命名法1～10个碳原子的直链烷烃，分别用词头甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳原子的个数，词尾加上“烷”。

如CH4（甲烷）、C2H6（乙烷）、C3H8（丙烷）、C10H22（癸烷）。

10个碳原子以上的烷烃用中文数字命名。

如C11H24（十一烷）、C12H26（十二烷）、C20H42（二十烷）。

烷烃的英文名称是在meth-，eth-，prop-，but- 等表示碳原子数的词头后，加上词尾-ane。

烷烃异构体可用词头“正（normal或n-）、异（iso或i-）、新（neo）”来区分。

“正”表示直链烷烃，常常可以省略。

“异”表示末端为，此外别无支链的烷烃。

“新”表示末端为，此外别无支链的烷烃。

★普通命名法只适用于一些直链或含碳原子数较少的烷烃异构体的命名。

对于结构比较复杂的烷烃，就必须采用系统命名法。

2、系统命名法（IUPAC命名法）1892年，日内瓦国际化学会议首次拟定了有机化合物系统命名原则，此后经IUPAC（I nternational U nion of P ure and A pllied C hemisty）多次修订，所以也称为IUPAC 命名法。

我国根据这个命名原则，结合汉字特点，制定出我国的有机化合物系统命名法，即有机化合物命名规则。

烷烃系统命名法是将带有侧链的烷烃看作是直链烷烃的烷基取代衍生物，所以在学习系统命名法之前先学习取代基的命名。

★烃分子中去掉一个氢原子，所剩下的基团，称为烃基；脂肪烃基用R—表示；烷基的通式为C n H2n+1。

烷基的中文命名是把相应的烷烃命名中的“烷”字改为“基”字。

其英文命名是将烷烃词尾的-ane改为-y1，常见的烷基结构和名称如下：此外，两价的烷基称为亚基，三价的烷基称为次基。

★烷烃系统命名法规则⑴.选主链：选择含有取代基最多的、连续的最长碳链为主链，根据主链所含碳原子数命名为“某烷”。

⑵.编号：主链上若有取代基，则从靠近取代基的一端开始，给主链上的碳原子编号。

当两个相同取代基位于相同位次时，应使第三个取代基的位次最小，依次类推；当两个不同取代基位于相同位次时，应使小的取代基编号较小。

⑶.命名：主链连有相同的取代基时，合并取代基，并在取代基名称前，用二（di）、三（tri）、四（tetra）……数字表明取代基的个数。

并在最前面标明取代基的编号,各编号间用“，”隔开。

主链上若连有不同的取代基，应按“次序规则”将取代基先后列出，较优基团应后列出。

主要烷基的优先顺序是：异丙基>丙基>乙基>甲基；在英文命名中，取代基是按字首的字母排列顺序先后列出。

3、烷烃系统命名法与普通命名法的区别问题2-3按IUPAC命名法，写出化合物的中、英文名称。

并以此总结出系统命名法的命名规则。

问题2-4写出5-甲基-3，3-二乙基-6-异丙基壬烷的结构式，并指出各碳原子的类型。

小结：烷烃的命名是其他有机化合物命名的基础，有机化合物即可以用普通命名法命名、也可以用系统命名法命名，只是适用的范围不同，普通命名法只适用于部分较简单的化合物，系统命名法适用于绝大部分的有机化合物，另外有些化合物还具有俗名。

三．烷烃的构象异构烷烃分子中C—Cσ键旋转或扭曲时，两个碳原子上的氢原子在空间上的相对位置发生改变，其中每一种排列方式称为一种构象，不同构象之间互称为构象异构体。

由于C—Cσ键可以旋转任意角度，所以烷烃有无数构象异构体。

构象异构体（conformational isomer）的分子构造相同，但其空间排列不同，它是立体异构体的一种。

（一）乙烷的构象（conformation）乙烷没有碳链异构，但乙烷分子中的两个碳原子可以围绕C—Cσ键旋转，乙烷有无数构象异构体，其中有两种典型的构象：重叠式（eclipsed）和交叉式（staggered）。

重叠式交叉式图2－3 乙烷的两种典型的构象有机化合物的构象常用两种三维式表示，即锯架式（sawhorse formula）和Newman投影式（Newman projection formula ）。

锯架式是从分子的侧面观察分子，较直观地反映了碳原子和氢原子在空间的排列情况。

Newman投影式是沿着C—C键轴观察分子，从圆心伸出的三条线，表示离观察者近的碳原子上的价键，而从圆周向外伸出的三条线，表示离观察者远的碳原子上的价键。

图2－4乙烷球棍模型C－C键的旋转（动画）重叠式两个碳原子上的氢原子相距最近，相互间的排斥力最大，分子的能量最高，是最不稳定的构象；交叉式两个碳原子上的氢原子相距最远，相互间斥力最小，分子的能量最低，是最稳定的构象。

见下图：图2－5 乙烷构象能量图交叉式构象的能量比重叠式构象低12.6kJ ·mol -1，交叉式是乙烷稳定的优势构象。

室温下，分子间的碰撞可产生83.8kJ ·mol -1的能量，足以使C —C 键“自由”旋转，各构象间迅速转换，无法分离出其中某一构象异构体，但大多数乙烷分子是以最稳定的交叉式构象存在。

（二）正丁烷的构象正丁烷分子在围绕C 2－C 3σ键旋转时，有4种典型的构象异构体，即对位交叉式、邻位交叉式、部分重叠式和全重叠式。

见下图：图2－6 正丁烷绕C 2－C 3σ键旋转的构象对位交叉式：两个体积较大的甲基处于对位，相距最远，此种构象的能量最低。

邻位交叉式：两个甲基处于邻位，靠得比对位交叉式近，两个甲基之间的Van der Waals 斥力（或空间斥力）使这种构象的能量较对位交叉式高，因而较不稳定。

全重叠式：两个甲基及氢原子都各处于重叠位置，相互间斥力最大，分子的能量最高，是最不稳定的构象。

部分重叠式：甲基和氢原子的重叠使其能量较高，但比全重叠式的能量低。

正丁烷C 2—C 3 键旋转能量图如下：图2－7 正丁烷C 2—C 3 键旋转时的能量曲线图从正丁烷C 2—C 3 键旋转时的能量曲线图可见，4种构象的稳定性次序是：正丁烷各种构象之间的能量差别不太大。

在室温下分子碰撞的能量足可引起各构象间的迅速转化，因此正丁烷实际上是各构象异构体的混合物，主要是以对位交叉式和邻位交叉式的构象存在，前者约占63%，后者约占37%，其他两种构象所占的比例很小。

随着正烷烃碳原子数的增加，它们的构象也随之而复杂，但其优势构象都类似正丁烷，是能量最低的对位交叉式。

因此，直链烷烃碳链在空间的排列，绝大多数是锯齿形，而不是直链，只是为了书写方便，才将其结构式写成直链。

图2－8正己烷分子的球棍模型分子的构象，不仅影响化合物的物理和化学性质，而且影响蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构与功能以及药物的构效关系。