有机化学饱和烃
大学有机化学第二章饱和烃
绿色化学与可持 续发展
随着环保意识的提高，绿色 化学和可持续发展已成为有 机化学的重要发展方向。研 究和发展环境友好、资源节 约的合成方法与技术，对于 实现可持续发展具有重要意 义。
计算机辅助ห้องสมุดไป่ตู้机 合成设计
随着计算机科学的发展，利 用计算机辅助设计工具进行 有机合成已成为可能。这种 方法有助于提高合成效率和 降低成本，为有机化学的发 展开辟了新的途径。
环烷烃的化学性质
01
02
03
加成反应
环烷烃中的碳碳单键可以 被氢气、卤素等试剂加成， 生成相应的烷基卤化物或 醇类。
开环反应
在酸或碱催化下，环烷烃 可以发生开环反应，生成 链状烷烃。
氧化反应
环烷烃在常温下容易被氧 化剂氧化，生成酮、醛等 化合物。
05 不饱和烃
烯烃和炔烃的结构
烯烃结构
烯烃是含有碳碳双键的烃类，双 键连接的两个碳原子为sp2杂化， 双键中的一根键为π键，另一根
命名法
系统命名法
根据国际纯粹与应用化学联合会 （IUPAC）的规定，采用系统命名法 对饱和烃进行命名。主要依据碳链的 长度和取代基的种类、位置来确定烃 的名称。
习惯命名法
对于一些简单的饱和烃，可以采用习 惯命名法，如甲烷、乙烷、丙烷等。
03 烷烃
烷烃的结构
烷烃由碳原子和氢原子组成， 碳原子之间通过单键连接，形 成链状或环状结构。
重要性及应用
01
基础理论
烷烃是学习有机化学的基础，对 于理解其他烃类和有机化合物的 性质至关重要。
工业应用
02
03
科学研究
烷烃是石油工业的主要组成部分， 用于生产燃料、润滑油、溶剂等。
烷烃是合成其他有机化合物的重 要原料，在药物合成、材料科学 等领域有广泛应用。
有机化学饱和烃
C原子的sp3杂化
甲烷中碳采用sp3杂化方式（杂化轨道理论，美， 鲍林提出，获1964年诺贝尔奖）
激 发
杂 化
2s 2p 2s 2p sp3杂化轨道 这四个sp3 杂化轨道的每个杂化轨道均含有1/4的s 成份和3/4的p成份，四个杂化轨道除方向不同外完 全相同，这四个杂化轨道分别指向正四面体的四 个顶点。
脂环烃
芳香烃
环己烷
C6H6（苯）
CH3CH3（乙烷） CH2=CH2（乙烯）
武汉大学医学有机化学2009
目录
§2-1 §2-1-1 §2-1-2 §2-1-3 §2-1-4 §2-1-5 §2-1-6 §2-2 烷烃 烷烃的通式、结构和同系列 烷烃的构造异构与命名 乙烷和丁烷的构象 烷烃的物理性质 烷烃的化学性质 重要的烷烃 环烷烃
CH3 CH3 CH CH3 CH3CH2 CH3CH2CH2CH2 CH3 CH3CH2 CH CH3 C CH3 CH3
不论原子数多少，只要原子序较大，就视为较 复杂，若连在主体上的第一原子的原子序数相 同，则比较连在第一原子上的第二原子，大者 较复杂，以此类推，直到比出大小。
武汉大学医学有机化学2009
CH3 CH
C CH CH3
CH3 CH CH3 CH3
武汉大学医学有机化学2009
系统命名法小结：
1. 选主链 （最长碳链） 2. 主链编号（原则: 首先是 A. 最低系列。 其次才是 B. 较小基团有较小位次） 3. 书写名称 （先小后大） 烷烃命名是其它类化合物命名法之基础，必须熟 练掌握。
武汉大学医学有机化学2009
衍生物命名法 1. 烷基
我们把烷烃去掉一个H原子后剩下的原 子团叫～，用“R－”表示。 例：CH4去掉一个H原子后形成的原子团， CH3 －，我们称之为甲基。 －Me CH3CH2CH2－ 叫丙基 n－Pr 叫异丙基 i－Pr
饱和烃的概念
饱和烃的概念
饱和烃是指分子中所有的碳原子都以单键相连，形成一个稳定的、饱和的碳链或环。
饱和烃的分子中只包含碳和氢两种元素，它们之间的化学键是单键，即碳原子与碳原子之间以及碳原子与氢原子之间都是通过单键连接的。
饱和烃的化学性质相对稳定，因为它们的分子结构已经达到了最大的稳定状态，没有多余的能量来进行化学反应。
饱和烃在常温下通常为液态或固态，具有较高的沸点和熔点，且不易溶于水。
饱和烃的种类很多，包括烷烃、烯烃和炔烃等。
其中，烷烃是最简单的饱和烃，它们的分子中只包含碳和氢两种元素，碳原子之间以单键相连形成碳链。
烯烃和炔烃则是含有不饱和键的烃类，它们的分子中含有至少一个双键或三键。
饱和烃在工业上有广泛的应用，例如用作燃料、润滑剂、溶剂、塑料和合成橡胶的原料等。
饱和烃也是生命体中的重要组成部分，如脂肪酸和胆固醇等。
总的来说，饱和烃是一类化学性质稳定、种类繁多、应用广泛的有机化合物。
它们在化学、工业和生物领域都有着重要的作用。
有机化学-第五章
5.1 饱和烃的结构和分类 5.2 链烷烃的物理性质 5.3 烷烃的化学性质
卤代反应的机理 烷烃的其他取代反应 烷烃的氧化反应 裂解及异构反应
5.4 环烷烃的化学性质
烃：分子中只含碳、氢两种元素的化合物 统称为碳氢化合物，简称为烃。烃是有机化合 物最基本的化合物，也是有机化学工业的基础 原料。
硝化反应产物复杂，除取代反应外，还有烃分子断链的 反应。 硝化反应属自由基型反应机理：
开始的· NO2来自硝酸中，· NO2是个含奇数电子的中性物种， 是一个自由基。 硝化产物作为工业溶剂，如用硝基戊烷作为纤维素酯和 合成树脂的溶剂；硝基甲烷是有机合反应的重要原料。
二. 氯磺酰化反应
烃分子中的氢被氯磺酰基（-SO2Cl）取代的反应称为 氯磺酰化反应。 常用的氯磺酰化试剂有：硫酰氯（SO2Cl2）或氯和二 氧化硫。
5469.2
2,2-二甲基己 烷
5462.1
2,2,3,3-四 甲基丁烷
5455.4
烃氧化反应的产物都是 CO2 和 H2O ，燃烧焓 -Δ Hθ 值反映了反应物的焓 Hθ反应物，即反映了异构体的 稳定性： 正构CnH2n+2 比 异构CnH2n+2 能量高，不稳定 在CnH2n+2中：支键数增多，HØ值小，稳定 每一摩尔 -CH2- 的 -ΔHθ ≈ 660 kJ· mol-1 烷烃的最大用途就是作为燃料，是目前人类的主要能 源。 合理利用现有能源，开发新的能量是人类生存面临的 主要问题之一。
可用反应--能量图表示这一反应过程：
在这一反应过程中，C 原子的杂化状态是由 Csp3 向 Csp2 的转变过程，中间体· CH3的 C 的构型是 sp2 杂化， 即平面构型。 生成的· CH3中间体的能量很高，极活泼， 很快与Cl2反应：
有机化学第2章饱和烃
沸点℃
36
28
9.5
2. 熔点
烷烃熔点(mp)的变化基本上与沸点相似，直链烷烃的熔点变化 也是随着相对分子质量的增减而相应增减。但因在晶体中，分子间 的作用力不仅取决于分子的大小，而且与晶体中晶格排列的对称性 有关，对称性大的烷烃晶格排列比较紧密，熔点相对要高些。
沸点是与分子间的作用力——van der Waals力有关的，烷烃是非极 性分子，van der Waals力主要产生于色散力。
直链烷烃的沸点与分子中所含碳原子数的关系图 一般在常温常压下，四个碳以下的直链烷烃是气体，由戊烷开始 是液体，大于十七个碳的烷烃是固体。
在碳原子数相同的烷烃异构体中，含支链越多的烷烃，相应 沸点越低。
为了使成键电子之间的排斥力最小、最稳定，四个sp3杂化轨 道在空间的排布，是以碳原子为中心，四个轨道分别指向正四面体 的四个顶点，使sp3 杂化轨道具有方向性。同时两个轨道对称轴之 间的夹角 (键角)为109.5°。
1/4s + 3/4p
2. σ键的形成及其特性
原子轨道沿核间联线(键轴)相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称 的轨道，称为σ轨道。σ轨道上的电子称为σ电子。 σ轨道构成的共价 键称为σ键。
当含有不止一个相等的最长碳链可供选择时，一般选取包含支链最多 的最长碳链作为主链。根据主链所含碳原子数称为“某烷”。
“庚烷”
②将主链上的碳原子从靠近支链的一端开始依次用阿拉伯数字编号；
当主链编号有几种可能时，应选定支链具有“最低系号相同时，给小的取代基较小的编号：
异丁烷
为了形象地表示分子的立体形状，常采用立体模型表示。常用 的模型有两种：球棒模型(Kekule模型)和比例模型(Stuart模型，它与
大学有机化学第二章饱和烃
a、链的引发
hv
Cl2
2Cl
b、 链的增长
C H 4 + lC H 3 +HC Cl
H= 7. 5KJ/mol
C H 3+ C l2 C H 3 C l+C l
H= -112. 9 KJ/mol
c、链的终止
Cl + Cl Cl—Cl
CH 3 + C3H CH 3—C3H
CH 3 +Cl
CH 3Cl
芳香烃基：用“Ar-”表示。
CH3
甲基 (Me)
常见 CH3CH2
乙基 (Et)
的烷 烃基
C H 3C H 2C H 2 丙基(n-pr)
CH3 CH CH3 异丙基(iso-pr)
CH3CH2CH2CH2
CH3CHCH2CH3
丁基 (n-Bu) 仲丁基 (sec-Bu)
CH3 CH CH2 CH3
（反叠式） （反错式）
H
H
H
邻位交叉式 （顺错式）
CH 3CH 3
0。
H H
H
H
全重叠式 （顺叠式）
四种极限构象的稳定性次序：
对位交叉式>邻位交叉式>部分重叠式>全重叠式
四、烷烃的化学性质
1、烷烃的卤代反应
取代反应(substitution reaction)：有机化合物
中氢原子（或其它原子或原子团）被另一原子或 原子团取代的化学反应称取代反应。
CH3
含有 CH3 C端基，而无其
CH3
它支链的烷烃，则称“新某烷”。
CH 3 CH3 C CH3
CH 3
新戊烷(neopentane)
CH3 CH3 C CH2 CH3
有机化学第三章饱和烃
根据烃分子中碳原子间连接方式可分为：
饱和烃：链烷烃 链烃 不饱和烃： 烯烃 炔烃 饱和烃：环烷烃 不饱和烃：环烯烃 环炔烃
芳香烃： 苯，萘，蒽，菲等
烃
环状烃
烃：只由C、H两种元素组成的有机化合物。 烷烃：包括链烷烃和环烷烃
cubane adamantane
甾族化合物：
甾族化合物的结构特征是包含一个四环稠合的碳环骨架， 同时还有三个侧链。 CH
3
甾环结构：
1 2 3
H3C
11 9 B 6
12
H3C
R
17 D 16 15
HO H3C H
H3C H H
CH CH2 CH2 CH2 CH CH3 H CH3
C
13 14
A 10 4 5
0
60
120
180
240
300
360
degrees of rotation
CH 3 H H CH 3 H H
CH3 H3C H H H H
3. 其它烷烃的构象
例：画出化合物
H 3C H Br
2
CH3 Br 的 全 交叉式 和 全重 叠 式 构 象
3
H
H H3C Br
H3C H3C
Br Br
Br H
2、
(CH3CH2)2CHCHCH2CH3
3-甲基-4-乙基己烷
CH3
3、
(CH3)2CHCH2CH2CHCHCH2CH3 CH3
CH3
2，5，6-三甲基辛烷
4、
CH3CH2CHCH2CHCHCH2CH2CH2CH(CH3)2 CH3 CH2CH(CH3)2
有机化学-第五章饱和烃
产生甲基自由基：
Cl
CH3
+
CH4
+ Cl2
CH3 + HCl
CH3Cl + Cl
特性： 轨道重叠部分是沿着键轴呈圆柱型而分布。
δ键的键能大、稳定性高。 δ键可自由旋转。
§5-4 烷烃的构象
构象异构产生的原因： 由于以σ键 连接的两个原子可以相对的自由旋转，从而使分子 中的原子或基团在空间有不同的排布方式。 一、 乙烷的构象 在乙烷分子的无数个构象异构体中，其两个典型的构象异构 体（又称极限构象异构体）可表示如下：
三、直链烷烃最稳定的构象——碳链平面锯齿形
§5-5 烷烃的物理性质
一、 状态
C1~C4的烷烃为气态，C5~C16的烷烃为液态，C17以上的烷烃为固态。
二、 沸点
随着碳原子数的递增，沸点依次升高。
原子数相同时，支链越多，沸点越低。 A：数碳原子数目——数目↑，b.p↑； B：碳原子数目相同——支链↑，b.p↓；
C：支链数目相同——对称性↑，b.p↑；
三、 熔点
1．碳原子数目增加，熔点升高。 2．分子的对称性越大，熔点越高。
由此可见：含偶数C，m.p↑的多；含奇数C，m.p↑的少。 从而形成了“偶上奇下”两条曲线。
在晶体中，分子间作用力不仅取决于分子的 解释： 大小，还于晶体中晶格排列的对称性有关。 含偶数碳原子的碳链具有较好的对称性，晶 格排列紧密。
E 能量
15.9
C H3 C H3 C H3 C H3 C H3
18.8 kj.mol 3.7
-1
C H3
-
-
-
-
-
0
60
120
180
240
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山东大学授课教案课程名称有机化学本次授课内容饱和烃教学日期2011-9-15授课教师姓名刘嘉丽授课对象环工、环科10级授课时数 4教材名称及版本有机化学简明教程授课方式（讲课实验实习设计）本单元或章节的教学目的与要求1．掌握碳正四面体的概念、SP3杂化和σ键。
2．掌握烷烃和环烷烃的命名法和常见烷基的名称。
3．掌握烷烃和环烷烃的化学性质（取代、裂解、氧化及各种氢的相对活泼性）。
4．掌握烷烃卤代的自由基反应历程。
5．掌握烷烃的构象及锯架式、纽曼(Newman)式的写法。
6．理解烷烃的物理性质。
7．理解游离基的稳定性次序。
授课内容及学时分配烷烃（3学时）：1．烷烃碳原子的杂环状态及结构特点。
2．烷烃的构象及其产生原因，乙烷、正丁烷构象分析。
0.5学时3．烷烃的系统命名法和普通命名法。
0.5学时4．烷烃的物理性质。
5．烷烃的卤代反应及其自由基反应机理；了解烷烃的氧化、裂解反应。
1学时环烷烃（1学时）：（调整到不饱和烃后面、芳烃一章前面讲）1．脂环烃的命名及环烷烃的结构2．环烷烃的大小与稳定性的关系；环己烷的构象。
0.5学时3．环烷烃的化学性质。
0.5学时重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）重点：1．烷烃的系统命名及同分异构现象；2．烷烃的结构与相应的物理性质如熔点、沸点、溶解度等之间的关系；3．构象：乙烷的透视式和纽曼投影式的写法及各构象之间的能量关系；环已烷及取代环已烷的优势构象；4．烷烃卤化的自由基反应机理及各类自由基的相对稳定性。
难点：1．烷烃卤化的自由基反应机理。
2．烷烃和环烷烃的构象。
主要外语词Saturated hydrocarbon, alkane，conformation，radical, molecular formula，structure, nomenclature, chemical properties, physical properties, boiling point, melting point, reaction mechanism, chlorinationInternational Union of Pure and Applied Chemistry（IUPAC）Chinese Chemical Society(CCS)辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）采用模型（甲烷、乙烷的结构模型）、多媒体课件和板书相结合的课堂讲授方法。
复习思考题作业：P29，3,4,5,7,8,9参考教材（资料）《基础有机化学》 邢其毅第2章 饱和烃（Saturated Hydrocarbon ）分子中含有C 、H 两种元素，C 和C 之间以单键连接，其余的价键被H 饱和，这种化合物称烷烃，也叫饱和烃，通CnH2n+2.复习：中学知识，烷烃的同系列和同分异构第1节 烷 烃（Alkane ）§1烷烃的结构及乙烷的构象Structural alkane and conformation in ethane1.1烷烃的结构（structural of alkane ）如甲烷分子为正四面体构型，碳原子位于正四面体构的中心，四个氢原子在四面体的四个顶点上，四个C-H 键长都为0.109nm ，所有键角∠H-C-H 都是109.5º。
甲烷的正四面体构型只有C-C 键和C-H 键，甲烷是烷烃中最简单的（见课件）。
每个C 原子为SP 3杂化，形成的键叫σ－键，其特征：①电子云沿键轴方向 头碰头 发生轨道重叠形成的键，重叠程度高，键结合牢固； ②两个成键原子可以围绕键轴自由旋转（产生构象）。
表11.2乙烷的构象（conformation in ethane ）（见课件）① 定义：conformation---即结构的形象。
是由于σ键的自由旋转，产生了分子中的原子在空间的不同排列形式。
如乙烷的构象有无数个（展示模型），只讨论极限形式：完全交叉式和完全重叠式。
H 109.5o②表示式：构象通常用透视式或纽曼(Newman)投影式表示：透视式纽曼(Newman)投影式交叉式重叠式③能量图：④优势构象：室温条件下在所有构象中占主要地位的构象，即完全交叉式。
原因：原子间的斥力小，能量最低。
重叠式比交叉式的能垒（扭转能）高12.5KJ/mol，如图2-6所示。
单键旋转的能垒一般为12~42kJ/mol。
室温时分子热运动产生的能量约80kJ/mol，因此在室温条件下，乙烷分中的C-C键能迅速的旋转，产生无数构象，不能分离出乙烷的某一构象。
问题：丙烷，丁烷，1，2-二氯乙烷及其他烷烃的构象。
333HHH对位交叉式部分重叠式邻位交叉式全重叠式§2烷烃的命名（nomenclature of alkane ）2．1两个基本概念①伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子的概念在烃分之中仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子（或一级碳原子，用1°表示） 与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2°表示） 与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（或三级碳原子，用3°表示） 与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4°表示） 例如：与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子。
不同类型的碳和氢原子的反应性能有一定的差别。
②.基（Radical ）的概念从烷烃分子中去掉一个H ，剩下的部分叫做基，用R-表示，同式为CnH2n+1。
举例：甲基CH3－； 乙基C2H5－；丙基：正丙基CH3CH2CH2－，异丙基(CH3)2CH －； 丁基：正丁基CH3(CH2)2CH2－，异丁基(CH3)2CHCH2－，仲丁基CH3CHCH2CH3，叔丁基(CH3)3C －。
2．2烷烃的习惯命名适合于简单化合物（五个碳以下）的命名。
甲、乙、丙、丁、戊。
举例：2．3衍生物命名把所有的烷烃看作是甲烷的衍生物，只适于简单化合物的命名。
举例：2．4系统命名法IUPAC 命名法（International Union of Pure and Applied Chemistry 国际纯化学与应用化学联合会）。
根据这个英文命名法结合中文特点，规定了中文的命名原则，称为CCS 命名法（Chinese Chemical Society 中国化学会）：1.对直链烃，用天干法命名。
（the name of some straight chain alkanes ）CH 3 C CH 2 CH CH 3CH 33123431°°°°°（1）选主链：选含支链（取代基）最多的最长碳链作母体。
（2）编号码：从靠近支链的一端开始编号；位次相同时，遵守“最低系列（最先碰面）”编号方法。
（3）写名称：先写取代基，后写母体；要标明取代基的位次（小写）和数目（大写）；表示位置的数字间要用逗号隔开，位次和取代基名称之间要用“半字线”隔开。
相同的取代基合并起来写；不同取代基先小后大；复杂取代基另编一套号码。
烷烃的命名归纳为十六个字：最长碳链，最小定位，同基合并，由简到繁。
举例：（见课件）§3 烷烃的物理性质（physical properties）3.1 状态(state)在室温下，C1-C4的烷烃是气体(gas)，C5-C16的烷烃是液体(liquid)，C17和C17以上的烷烃是固体(solid)。
3. 2 物理常数（physical constant）沸点（boiling point）：①直链C原子数增加，沸点升高。
②C原子数相同，支链越多，沸点越高；③C原子数相同，支链数目相同，对称性好，沸点越高。
熔点（melting point）：①直链C原子数增加，熔点升高。
②偶数C比相邻两个奇数C熔点高；③C原子数相同，支链越多，熔点越低，对称性好，熔点越高。
密度（specific gravity）：直链烷烃的相对密度也是随碳原子数的增加而增大，但都小于1，即比水轻（约0.6－0.8）。
另外还有折光率；旋光度；偶极矩等物理常数。
3. 3 溶解度（solubility）烷烃不溶于水。
3. 4 毒性（toxicity）§4烷烃的化学性质（chemical properties）（复习）有机化学反应分为两类：均裂和异裂。
均裂：A:B→A·+ B·生成自由基(有自由基生成和参加的反应叫自由基反应或游离基反应，约占总反应的10%。
异裂：A:B→A+ + B-生成离子（有离子生成和参加的反应叫离子型反应，这类反应占总反应的90%以上）烷烃中的C-C，C-H键都是σ键，结合牢固，常温下化学性质稳定，主要用作溶剂。
在一定的T、P、Cat.条件下，可与一些化学试剂发生化学反应。
由于C-C，C-H 键的极性很小，主要发生均裂，是自由基反应。
4．1 取代反应(substitution reaction)烷烃分子中的H被其他原子或基团取代的反应叫取代反应。
1. 卤代反应（chlorination ）反应通式（reaction equation ）R-H + X 2 → R-X +H-X (工业制备卤代烷的方法)举例：在紫外光漫射或高温下，甲烷易与氯、溴发生反应。
反应难以停留在一卤代阶段，要继续卤代，通常得到四种产物的混合物，在工业上作溶剂使用。
若控制一定的反应条件和原料的用量比，可得其中一种氯代烷为主要的产物。
如甲烷:氯气 = 10:1（450℃时）CH 3Cl 占98%；为1:4（400℃时）主要为CCl 4。
2. 反应历程（reaction mechanism ）反应历程又叫反应机理，或反应机制，是指化学反应所经过的途径或过程。
了解反应历程，或以更好的理解化学反应，掌握反应规律，从而举一反三．控制新的反应。
问题：有乙烷副产物？卤代的历程是自由基历程，分为三步：a. 链的引发（chain-initiation ）-----生成活泼的自由基b. 链的增长 （chain-propagation ）-----最重要的一步c. 链的终止（chain-termination ）CH 4Cl 2CH 3HCl Cl 漫射光自由基历程总结：三个条件（光照、高温、过氧化物）；三步进行（引发、传递、终止）；产物是混合物。
3.反应活性（reaction active ）------新问题两个实验事实：公式：活性之比=产率之比:几率之比 即仲氢与伯氢的相对活性为4 ：1。
即叔氢的反应活性为伯氢的5倍。
由公式计算出：3ºH: 2ºH: 1ºH ＝5 : 4: 1由以上实验事实和计算得出，烷烃发生卤代反应的活性：3ºH>2ºH>1ºH卤素的反应活性：F 2（爆炸）＞Cl 2 (次之)＞Br 2（较慢）＞I 2 (易还原)(可从键能来理解：3。