人卫有机化学5-2第二章--烷烃和环烷烃.doc

陈明
六、烷烃的化学性质
烷烃分子中只有σ键，化学性质比较稳定，不 易发生化学反应。可以燃烧，也可以发生卤代 反应。 卤代反应：有机化合物分子中的氢原子被卤原 子取代，生成卤代物，并放出卤化氢的反应。
一氯甲烷
陈明
（1） 甲烷的氯代
一氯甲烷 二氯甲氯代的反应机理
反应机理（mechanism） 又称反应历程，描述有机反应完成的具体过 程。包括反应分几步进行，反应过程中化学 键的断裂和生成的情况，反应条件对反应的 影响等。 甲烷氯代的反应又称作链反应
陈明
三、烷烃的结构
C 原子的核外电子排布: 1s2 2s2 2p2
激发
基态 杂化
激发态
sp3杂化轨道
陈明
109.5º
陈明
109.5º
陈明
σ键: 轨道之间头对头重叠形成的键
p轨道
σ键
特点: 1、可以自由旋转； 2、重叠程度大,键比较牢固； 3、电子云分布于两原子之间,不易受 外界环境影响,不易发生化学反应。
1
2
3
4
5
6
2-甲基-3-乙基己烷 3-ethyl-2-methylhexane
陈明
D、书写取代基的规则： 有几个相同的取代基时，将其名称并在一起， 它的数目用汉字表示，表示取代基位置的阿拉 伯数字之间应加一逗号。
1
2
3
4
5
6 7 8 9
2,5,7-三甲基-6-乙基壬烷 6-ethyl-2,5,7-trimethylnonane
陈明
6-甲基-3-乙基-4-叔丁基辛烷 4-t-butyl-3-ethyl-6-methyloctane
陈明
E、含复杂支链烷烃的命名

3
5
CH
3
HC CH
4
CH
烷烃：饱和开链烃。 特征：C与C以单键相连，其余价键都为氢原子饱和。 通式为：CnH2n+2
环烷烃：饱和环烃。 特征：C与C以单键相连成环，其余价键都为氢 原子饱和。 通式为：CnH2n （单环烷烃）
烷烃和环烷烃统称为饱和烃
烷烃和环烷烃主要存在于石油和天然气中， 天然气主要由甲烷以及少量的乙烷、丙烷和丁烷 组成。石油是一种复杂混和物，主要是含1到40个 碳原子的烃，通过精馏可以将石油分离成沸点不 同的有用馏分。 天然气： 汽油： 煤油： 柴油： 沥青： CH4~C4H10 C5H12~C12H26 C12H26~16H34 C15H32~C18H38 C20以上
烷基自由基
伯
仲
叔
烷基自由基的类型
烷基自由基的结构
烷基自由基的稳定性：叔〉仲〉伯
烷基自由基的稳定性与C-H的均裂能有关：
CH3CH2CH2-H
离解能 (kJ/mol) 410
(CH3)2CH-H (CH3)3C-H
397 381
在烷烃氯化反应中，产生烷基自由基的步骤 是整个反应中最困难的一步。是控制反应速度的 步骤。生成的烷基自由基越稳定，所需的活化能 越小，反应越容易。
CH3CH2CH2CH2CH2CH3
正己烷
(CH3)2CHCH2CH2CH3
异己烷
(CH3)3CCH2CH3
新己烷
• 系统命名法：
采用IUPAC（International Union of Pure and Applied Chenistry）国际纯粹与应用化学联合会的命 名原则，结合我国文字特点制定的。
键旋转引起的位能变化曲线

第二章 烷烃和环烷烃
8
例1 CH3-CH2 5
32 1
CH2-CH-CH2 -CH-CH2-CH3
CH2
CH3
CH3
3-甲基-5-乙基辛烷
取读 代作 基： 位位 次
连基 母
字名 体
符
名
例2 CH3-CH2-CH—CH-CH2-CH3 CH3-CH CH-CH3 CH3 CH3
2,5-二甲基-3,4-二乙基己烷 2,5-甲基-3,4二乙基己烷 2,5-2甲基 3,4-2乙基己烷
8 7 65 43 2 1
CH3
2024/8/14
22
第二章 烷烃和环烷烃
2、确定取代基小结
（给主链编号）
（1）近取代基端编号；
CH3
CH2CH3
（2）若两个不同取代 基位于相同位次时， 按次序规则使小取代
CH3CH2CHCH 2CHCHCH 2CH2CH3 CH2CH2CH3
CH3 CH3
基编号较小（不考虑 下一个取代基）；
12
456
例3 6CH3-5CCHH-3CH2—3CCHH—2CCHH—3 1CH3
CH3 CH3
2,5-二甲基-3-异丙基己烷 2,5-二甲基-4-异丙基己烷
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第二章 烷烃和环烷烃
①
CH3 CH3
C7 H3C6 H25CH4CH3CHC2 HC1H 3 CH2 CH3
③
CH2 CH3
正戊烷
(CH3)2CHCH2CH3 (CH3)2C(CH3)2
异戊烷 新戊烷
第二章 烷烃和环烷烃
碳链异构的特点：
随着分子中碳原子数目增加，异构 体数目急剧增加。
例： C6H14 异构体数目 5个

CH2CH3 CH3CH CH CH3 CH3 C CH2CH2CH3 CH2 4-丙基庚烷
式中含七个碳原子的最长碳链有三个， 上式实线箭头标记碳链连接的取代基最多， 故应 选为主链。它的正确名称为：2，3，6-三甲基-4-乙基-4-丙基庚烷。而不应是 2，3-二甲基-4乙基-4-异丁基庚烷；2，3，6-二甲基-4-乙基-4-丙基庚烷；2 甲基-4-乙基 4（1’，2’—二甲基 丙基）庚烷等错误名称。 例 2 在室温下，烷烃的伯、仲、叔原子氯代反应的相应活性是 1°H: 2°H: 3°H=1.0: 3.8:5.0,试预测 CH3CH（CH3）CH2CH3 进行一元氯代时各异构体产物的比例及其百分含量。 [解析] 烷烃卤代反应各异构体的相对产率与各种类型氢的活泼性、几率因素（即有几 个相同类型的氢原子）及卤素的活泼性有关。 各类氢的相对反应速率=该类型氢的数目×该类型氢的相对活性。
一、选择题
1、 CH3CH(CH3 )C(CH3 )2CH2CH3 的衍生物命名法正确名称是( )。
A、二甲基叔戊基甲烷 B、二甲基新戊基甲烷 C、异丙基二甲基乙基甲烷 D、二甲基乙基异丙基甲烷 2、下列烷烃中沸点最高的是（ ） ，沸点最低的是（ ） 。 A、新戊烷 B、异戊烷 C、正己烷 D、正辛烷 3、甲烷分子不是以碳原子为中心的平面结构，而是以碳原子为中心的正四面体结构，其原 因之一是甲烷的平面结构式解释不了下列事实( )。 A、CH3Cl 不存在同分异构体 B、CH2Cl2 不存在同分异构体 C、CHCl3 不存在同分异构体 D、CH4 是非极性分子 4、甲烷和丙烷混和气体的密度与同温、同压下乙烷的密度相同，该混和气体中甲烷和丙烷 的体积比是( )。 A、1:1 B、2:1 C、3:1 D、1:3 5、下列化化合物的沸点由高到低顺序是( )。 ①2，2，3，3—四甲基丁烷 ②辛烷 ③2-甲基庚烷 ④ 2，3—二甲基己烷 A、②＞③＞④＞① B、②＞③＞①＞④ C、②＞①＞③＞④ D、①＞②＞③＞④ 6、下列化合物的熔点由高到低的顺序是( )。 ①CH3(CH2)4CH3 ②CH3(CH2)3CH3 ③ CH3C(CH3)2CH3 ④ CH3CH(CH3)CH2CH3

同分异构现象是有机化合物中存在的普遍现象。随着化合 物分子中所含碳原子数目的增加，同分异构体的数目也越多。 异构体数目 如 戊烷 C5H12 己烷 C6H14 壬烷 C9H20 癸烷 C10H22 3 5 35 75
二十烷 C20H42 CH3 CH2 CH2CH2CH3
366319 CH3CHCH2CH3
2. IUPAC命名法（系统命名法）
CH3 CH3CHCH3
基本方法：
普通命名法：异丁烷 IUPAC命名法：2-甲基丙烷
选定一条最长链作为主链（以普通命名法命名） 其它支链作为主链上的取代基。
1 2 3 4 5 6
CH3CH2CHCH2CH2CH3
母体名称 CH3 3-甲基己烷（看作是己烷的衍生物） 取代基位置 取代基名称 位置与名称用短线连接
如：
CH3—C—CH2—CH—CH3
1° 3 CH
1° 3 CH
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 氢原子在同一反应中的反应性能是有一定差别。
2.2.2

烷基和环烷基
烷基
R
烷基 ：烷烃去掉一个氢原子后留下的原子团 烷烃
R H

环烷基：环烷烃去掉一个氢原子后留下的原子团
CH3
CH3
CH3-C-CH3
CH3 新戊烷 9.5 ℃
正戊烷 沸点：36℃
异戊烷 28 ℃
一个已知分子式的烷烃究竟有多少个异构体？ 利用逐步缩短碳链的方法，推导出异构体的数目及其构造式。
基本步骤：（以己烷C6H14为例） 分子式是在其碳链上配上相应的H 原子。
CH3CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH2CH3 CH3 CH3 CH3CH2CHCH2CH3 CH3 CH3CCH2CH3 CH3 CH3CHCHCH3 CH3

第二章 饱和烃：烷烃和环烷烃
2.1 烷烃和环烷烃的通式和构造异构 2.2 烷烃和环烷烃的命名
2.2.1 烷基的概念 2.2.2 烷烃的命名
2.3 2.4 2.5 2.6
烷烃和环烷烃的结构 烷烃和环烷烃的构象 烷烃和环烷烃的物理性质 烷烃和环烷烃的化学性质
自由基取代反应 氧化反应 异构化反应 裂化反应 小环环烷烃的加成反应
CH3CHBrCH2CH3
+
+
CH3
HBr
CH3 CH3 HBr H3C C Br CH CH2 H
四元以上的环在常温下与卤素、卤化氢等不发生反应
Back
2.7 烷烃和环烷烃的主要来源和制法
• 烷烃和环烷烃的天然来源——石油和天然气
CH3 CH3 +
CH3
CH3
2.6.4 裂化反应
在高温下使烷烃发生裂解的过程称为裂化。 热裂化：在5MPa和500-600℃下进行 催化裂化：在催化剂存在，450-500 ℃下进行
2.6.5 开环加成反应
环烷烃中的小环化合物，特别是环丙烷易与试剂作用发生环的破裂而加成 A 催化加氢
+
+
+
B 加卤素
正丁烷
bp: -0.5 ℃ mp: -138.3 ℃
异丁烷
bp: -11.7 ℃ mp: -159.4℃
同分异构体：分子式相同，结构不同的化合物 构造异构： 分子中各原子的连接次序不同 碳架异构：由于碳骨架不同引起的构造异构
烷烃C5H12的构造异构体
CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3 CH3
异丁基
H CH3CH2C CH3
仲丁基
CH3 H3C C CH2 CH3

CH3 H3C CH
3 H（叔氢）
CH3 H3C C CH3 CH3
CH3
3 （叔碳，三级碳）
4 （季碳，四级碳）
tertiary carbon
quaternary carbon
CH 1。 3
3。 CH CH3 1。
2。 CH2 C CH3 4。 1。 CH3 1。
1。 CH3
二、烷烃的构造异构和命名（ Constitutional
碳链异构—由于碳链结构的不同而产生的异
构现象称为碳链异构现象，简称碳链异构。异构
体互称为碳链异构体。如：C4H10
H H C H H C H H C H H C H H H H C H H H C C H H C H H H
正丁烷
异丁烷
mp bp
-138℃ -0.5℃
－160℃ -12℃
随着分子中碳原子数目的增加，异构体的数
第二章 烷烃和环烷烃
(Alkanes and Cycloalkanes)
学习要求：
1.掌握烷烃和环烷烃的基础理论和基本知识。
2.掌握构象异构的基本概念。 烃的概念： 烃—指分子中只含C、H两种元素的化合物，又称碳 氢化合物。
烃 碳氢化合物 （hydrocarbons）
烃的分类：
饱和烃——烷烃 链烃 烯烃 不饱和烃 脂肪烃 炔烃 环烷烃 脂环烃 环烯烃 环炔烃 苯型芳香烃 芳香烃 非苯型芳香烃
较稳定。
C C H
（一）稳定性(Stability) 一般情况下烷烃化学 性质不活泼、耐酸碱、不与强氧化剂和还原剂作用。 （常用作低极性溶剂，如正己烷、正戊烷、石油醚 等） （二）卤代反应(Halogenation reation)
和含碳原子数较少的烷烃。

分子式相同，
烷 烃 和 环 烷 烃
6
有 机 化 学
烷烃和环烷烃同分异构体的推导
（逐步缩短碳链）： ①写出最长链；
烷 烃 和 环 烷 烃
②写出少一个碳原子的直链，把一个碳当支链， 找出可能的异构体；
③写出少二个碳原子的直链，把二个碳当两个
支链，或一个支链，找出可能的异构体。
7
有 2.2 烷烃和环烷烃的命名 机 化 学 一、伯、仲、叔和季碳原子 1、伯碳原子
合物，称为同系列。
烷 烃 和 环 烷 烃
4、同系物
同系列中的化合物互称为同系物。
5、系差
同系列中相邻两个化合物在组成上的差别。烷
烃系差为CH2。
5
有 机 化 二、烷烃和环烷烃的构造异构 学 碳架异构：
碳的骨架不同。 构造异构体： 同分异构体： 分子式相同，分子内原子间相互连 分子式相同，结构不同。 接的顺序不同，即分子的构造不同。 是不同的化合物。
异丁基 (CH3)2CHCH2-
i-Bu11
有 机 （3）仲某基: 仲丁基: 化 学
CH3
CH3CH2CH - s-BuCH3 CH3 CH3
（4）叔某基: 叔丁基: (CH3)3C- t-Bu- ; 叔戊基: CH3CH2C
烷 （5）新某基: 新戊基 : CH3—C—CH2— 烃 CH3 和 2 、亚烷基 环 烷 烷烃分子中，去掉两个氢原子后剩余的基团。 烃
烷 ③相同基团合并写出，位置用2，3……阿拉伯数字标出, 取代 烃 和 基数目用二,三……中文数字标出。 环 ④阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开； 烷 ⑤阿拉伯数字之间必须用逗号分开。 烃
最长碳链，最小定位，同基合并，由简到繁。
22

利用计算机辅助药物设计等方法，发现具有新颖结构和生物活性的烷烃和环烷烃药物。
烷烃和环烷烃药物合成方法的优化与创新
开发高效、绿色的合成方法，提高药物合成的效率和可持续性。
烷烃和环烷烃药物作用机制的深入研究
揭示药物与生物大分子的相互作用机制，为药物优化和设计提供理论支持。
面临的挑战与机遇
面临的挑战
烷烃和环烷烃药物的生物利用度、稳定 性和毒性问题；合成方法的复杂性和成 本问题；临床试验的严格性和不确定性 。
化学性质
烷烃的化学性质相对稳定，主要发生取代反应，如卤代反应、硝化反应等。在 高温或催化剂作用下，烷烃可发生裂解反应，生成较小的烷烃和烯烃。此外， 烷烃还可与氧气发生燃烧反应，生成二氧化碳和水。
02 环烷烃概述
定义与结构特点
环烷烃定义
环烷烃是一类具有环状结构的饱和烃，分子中只含有碳和氢两种元素，且碳原子 之间以单键相连。
药物合成中的应用
01
作为合成原料
02
作为合成中间体
03
作为合成催化剂
烷烃和环烷烃是合成许多药物的 重要原料，如合成抗生素、激素、 维生素等。
在药物合成过程中，烷烃和环烷 烃常用作合成中间体，通过化学 反应转化为目标药物。
某些烷烃和环烷烃可用作药物合 成中的催化剂，促进反应的进行 并提高产率。
生物活性物质中的应用
结构特点
环烷烃的分子结构中含有一个或多个环状结构，环的大小和形状因分子而异。与 开链烷烃相比，环烷烃的分子结构更加紧凑，具有较高的熔点和沸点。
命名与分类
命名
环烷烃的命名遵循系统命名法，以环 作为母体，将环上的取代基按照优先 顺序编号，并注明环的大小和取代基 的位置。
分类
根据环的大小和形状，环烷烃可分为 单环烷烃、双环烷烃和多环烷烃等。 其中，单环烷烃又可分为脂环烃和芳 香烃两类。

跨环张力 扭转张力
H 1 H H H 2 3 5 4 6
H H
H H
H
H
H 3 H
1 6
H
观察者
H H
6
扭4 式 船 5
H H
6
船式
半 扭船式椅 式
1
.
2
.
3 5
4
半椅式
半椅式
1
.
2
.
kJ/mol
3 5
4
46
28.9 23.5
环己烷构象之间的势能关系
第五节 物理性质
一、分子间作用力 （一） 范德华力 1、取向力（偶极-偶极作用力）
扭转张力：由于构象是重叠式 H
H
H3C CH3
H3C CH3 CH H3CH3C3 CH3
CH3 H H CH3 H
CH3 H H H
H
CH3 H H CH3
H CH3
CH CH3 33 CH
H
H
H
CH3
H
H H H
CH3 H CH3 H3 C3C CH H C 3 3
1
C H 3C H C H 2C H C H C H 3 C H3 C H3
CH2CH2HC3
2，3，5-三甲基己烷
CH3CH2CH2CHCHCH2CH2CH2CH3 CHCH3 CH3
5-丙基-4-异丙基壬烷
（三）练习：命名下列化合物
CH
C H 3C H 2C H C H 2C H C H 3 C H 3C H 2 C H3
主链
3 1
C-C-C-C-C-C-C C-C-C C
2
(2) 编号: 近取代基端开始编号, 并遵守“最低系列编号规则” 取代基距链两端位号相同时, 编号从次序小的基团端开始。

CH3 CH2 C CH3
新戊基
叔戊基
2018/11/7 28
一些烷基（alkyl）结构及名称(P33)
烷 基 CH3 CH3CH2 CH3CH2CH2 CH3CHCH3 CH3CH2CH2CH2 CH3CH2CHCH3 (CH3)2CHCH2 (CH3)3C (CH3)3CCH2
2018/11/7
2018/11/7
23
正丁基 H H
去掉一个伯H
H C H H C
H C H H C H 仲丁基 H
或
H
C
C
H或
H H H C C H H
H C H
H C H
去掉一个仲 H C C H H
正丁烷
CH3CH2CH CH3
H
仲烷基：去掉一个仲氢原子所得的烷基 .用“仲（sec-）表示 .
（CONSTITUTIONAL ISOMERS， STRUCTURAL ISOMERS）
同分异构体
具有相同的分子式，但结构不同的分子
C1~C3烷烃无异构现象 CH4 C 2H 6 C 3H 8
2018/11/7 15
无异构体
C4 以上烷烃出现同分异构现象
C4H10
同分异构体数
2
C5H12
3
C6H14
5
20 42 2018/11/7
C H
366,319 16
化合物含有的碳原子数和原子种类越多, 同分异构体越多。
构造异构体的含义 同分异构体中，如果它们结构的不同是由分子中各原子 连接次序不同（构造不同）而引取的，又叫构造异构体。
正丁烷
异丁烷
2018/11/7
17
2018/11/7

氯代反应和溴化反应都有选择性，但溴代反应的选择性 比氯代反应高得多。
[X H R]=
过渡态 1
过渡态2 [R X X]=
Ea
R
RH X
RX X
烷烃卤代反 应时，并不是直 接生成中间体自 由基，而是先经 过一个过渡态。
过渡态与起 始态的能量差称 为活化能Ea。
卤代反应是否容易进行，取决于活化能的大小。不
甲烷氯代反应的适用范围
CH4
Cl2 300-400o
CH3Cl +
Cl2 hv
or hv HCl
CH2Cl2
Cl2 hv
+
HCl
CHCl3 +
Cl2 hv
HCl
CCl4 +
HCl
1、 该反应只适宜工业生产而不适宜实验室制备。 2 、该反应可以用来制备一氯甲烷或四氯化碳，不适 宜制备二氯甲烷和三氯甲烷。
CH2 CH2 CH3 CH2 CH3
CH2 CH2 CH3 CH2 CH3
分子间接触面积大 作用力强
bp：36℃
分子间接触面积小 作用力弱
CH3
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3 CH3
bp：9.5℃
（三） 密度
烷烃的密度均小于1（0.424-0.780）。
（四） 饱和烃的偶极矩
偶极矩均为0。
同的卤代反应以及在同一烷烃的不同部位的反应的活化 能都是不同的。
２、自由基反应
自由基的定义
带有孤电子的原子或原子团称为自由基。 含有孤电子碳的体系称为碳自由基。
CH3CH2 一级碳自由基
CH3CHCH3 二级碳自由基
CH3CCH3

甲基、异丙基、叔丁基自由基的结构 中心碳原子为sp2杂化
第二节
一、环烷烃的命名
环 烷 烃
单环环烷烃的命名：称“环某烷”
环丙烷
cyclopropane
环丁烷
环戊烷
环己烷
环辛烷
cyclobutane cyclopentane cyclohexane cyclooctane
当环上有取代基团时，应使取代基团的位置最小
分子中所有键角约为 109.5oC(四面体构型)
H
p 0p m m
bond 154pm
H H H
H
11 11
H
(二) 通式和同系列
烷烃的通式：CnH2n+2
同系列(homologous series)：具有同一分子通式 和相同结构特征的一系列化合物 同系物(homolog): 同系列中的化合物互称同系物
乙烷分子是处于交叉、重叠以及介于两者之间的无数 构象的动态平衡混合体系, 但各种构象体存在的比率不同。
（二）正丁烷的构象 对 位 交 叉 式
CH3 H H H H3C H H
H CH3
H HCH
3
部 分 重 叠 式
H
邻 位 交 叉 式
H
H
H H
H
H
H3C CH3
H CH CH3 3
全 重 叠 式
稳定性：对位交叉式 > 邻位交叉式 > 部分重叠式 > 全重叠式
0 10（伯） 1 （伯） 3 3
二、烷烃的构造异构和命名 （一）碳链异构 （二）命名
1. 普通命名法 ( common nomenclature ) ：
直链烷烃：对于C1-C10的烷烃——甲，乙，丙， 丁,戊，己，庚，辛，壬，癸表示碳原子的个数， 称为“正某烷”（正字可以省略）；对于碳数 >C10，直接用中文数字表示碳数。 某些支链烷烃：用“异”、“新”标记,碳链上再 无其他取代基 如：