《基础化学》课程教学资源（教案讲义）烷烃和环烷烃

第二章烷烃和环烷烃 知识要点 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。其他有机化合 物都可以看作是烃的衍生物，所以烃是有机化合物的母体。 根据分子中碳骨架的不同，可将烃分为两大类：链烃（又称脂肪烃）和环烃。 根据碳原子间互相连接的化学键不同，可将链烃分为饱和链烃和不饱和链烃。饱 和链烃也称烷烃：不饱和链烃包括烯烃和炔烃：环烃可分为脂环烃和芳香烃。其 中，烷烃和环烷烃都是饱和烃。 「饱和链烃一一烷经 链经 「烯烃 不饱和链烃 炔烃 脂环烃 环烃 芳香烃 第一节烷烃 碳原子相互连接成“链状”的碳氢化合物称为链烃，也叫脂肪烃。分子中所 有碳原子之间都以碳碳单键(C一C)相连，其余的价键都与氢原子结合，这样的 链烃叫烷烃。如： H HHHH H-C-H H-C-C-H H-C -C. -HH c-c-c-c-H H HH HH HHHH 甲烷(CH4)乙烷(C)丙烷(CH) 丁烷(C4Ho 在烷烃分子中，与碳原子结合的氢原子数目达到了最大值，故烷烃也称为饱 和链烃。 一、烷烃的结构 (（一)甲烷的立体构型 甲烷是最简单的烷烃，其分子式是CH4。实验证明，甲烷分子里的1个碳原

第二章 烷烃和环烷烃 知识要点 1．烷烃和环烷烃的定义、结构、命名、理化性质及同分异构现象。 2．烷烃和环烷烃的构象异构现象；环烷烃的顺反异构现象。 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。其他有机化合 物都可以看作是烃的衍生物，所以烃是有机化合物的母体。 根据分子中碳骨架的不同，可将烃分为两大类：链烃（又称脂肪烃）和环烃。 根据碳原子间互相连接的化学键不同，可将链烃分为饱和链烃和不饱和链烃。饱 和链烃也称烷烃；不饱和链烃包括烯烃和炔烃；环烃可分为脂环烃和芳香烃。其 中，烷烃和环烷烃都是饱和烃。 烃 链烃 环烃 饱和链烃—— 不饱和链烃 烯烃 炔烃 烷烃 脂环烃 芳香烃 第一节 烷 烃 碳原子相互连接成“链状”的碳氢化合物称为链烃，也叫脂肪烃。分子中所 有碳原子之间都以碳碳单键(C－C)相连，其余的价键都与氢原子结合，这样的 链烃叫烷烃。如： H H H H H H H H H H H H H H H－C－C－C－H H－C－C－C－C－H 甲烷 (CH4 ) 乙烷(C2H6 ) 丙烷(C3H8 ) 丁烷(C4H10 ) H C H H H H C C H H H H H 在烷烃分子中，与碳原子结合的氢原子数目达到了最大值，故烷烃也称为饱 和链烃。 一、烷烃的结构 (一)甲烷的立体构型 甲烷是最简单的烷烃，其分子式是 CH4。实验证明，甲烷分子里的 1 个碳原

子和4个氢原子形成一个正四面体的立体结构。碳原子位于正四面体的中心，4 个氢原子位于正四面体的4个顶点上。碳原子的4个价键之间的键角彼此相等， 都是109.5°，4个碳氢键都相同，如图2-1所示。甲烷分子的正四面体构型可 用球棍模型或比例模型直观地表示，如图2-2所示。 图2-1 图22 图21甲烷分子结构示意图 图2-2甲烷分子模型 (二)烷烃碳原子的sp杂化 甲烷的立体结构用普通原子轨道重叠成键是不能解释的，为了解决这个问题， 鲍林(Pauling等人提出了杂化轨道理论。 杂化轨道理论认为，在形成烷烃时，碳原子的2s轨道中的1个电子跃迁到 2印轨道上去，跃迁时所需要的能量可以从成键时所产生的能量得到补偿。这样 碳原子就具有4个各占据1个轨道的未成对电子，因此表现为四价。为了使形成 的化学键更加牢固，更有利于体系能量的降低，4个单电子轨道(1个2s轨道、3 个2印轨道)进行杂化（混合），形成能量相等、形状相同的4个sp3杂化轨道 t□ t1p化，t1 02p,2p,2p: 发，2p2p2p: 2s sp'sp spsp 基态 激发态 杂化态 每个sp杂化轨道含有1/4的s轨道成分和34的p轨道成分，4个sp杂化 轨道对称地指向正四面体的4个顶点，相互之间的夹角均为109.5°。如图2-3 所示。 图2-3 图2-3s即杂化轨道 在形成甲烷分子时，4个氢原子的s轨道分别沿着碳原子的s即杂化轨道对 称轴方向靠近碳原子，当它们之间的引力与斥力达到平衡时，形成了4个等同的 C-Hc键，如图2-4所示。由于4个C-H键的组成和性质完全相同，所以甲烷 分子为正四面体结构。 图24

子和 4 个氢原子形成一个正四面体的立体结构。碳原子位于正四面体的中心，4 个氢原子位于正四面体的 4 个顶点上。碳原子的 4 个价键之间的键角彼此相等， 都是 109.5°，4 个碳氢键都相同，如图 2-1 所示。甲烷分子的正四面体构型可 用球棍模型或比例模型直观地表示，如图 2-2 所示。 图 2-1 甲烷分子结构示意图 图 2-2 甲烷分子模型 (二)烷烃碳原子的 sp3杂化 甲烷的立体结构用普通原子轨道重叠成键是不能解释的，为了解决这个问题， 鲍林(Pauling)等人提出了杂化轨道理论。 杂化轨道理论认为，在形成烷烃时，碳原子的 2s 轨道中的 1 个电子跃迁到 2p 轨道上去，跃迁时所需要的能量可以从成键时所产生的能量得到补偿。这样 碳原子就具有 4 个各占据 1 个轨道的未成对电子，因此表现为四价。为了使形成 的化学键更加牢固，更有利于体系能量的降低，4 个单电子轨道(1 个 2s 轨道、3 个 2p 轨道)进行杂化(混合)，形成能量相等、形状相同的 4 个 sp3杂化轨道。 激发 2s 2px2py2pz 2px2py2pz 2s sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 sp 杂化 3 基态 激发态 杂化态 每个 sp 3 杂化轨道含有 1/4 的 s 轨道成分和 3/4 的 p 轨道成分，4 个 sp 3杂化 轨道对称地指向正四面体的 4 个顶点，相互之间的夹角均为 109.5°。如图 2-3 所示。 图 2-3 sp 3杂化轨道 在形成甲烷分子时，4 个氢原子的 s 轨道分别沿着碳原子的 sp3 杂化轨道对 称轴方向靠近碳原子，当它们之间的引力与斥力达到平衡时，形成了 4 个等同的 C-H σ 键，如图 2-4 所示。由于 4 个 C-H 键的组成和性质完全相同，所以甲烷 分子为正四面体结构。 图 2-1 图 2-2 图 2-3 图 2-4

图24甲烷分子结构 (三)烧烃的分子结构 烷烃分子中，所有的碳原子都采用sp杂化。C-C。键为sp-sp3,C-H。键 为sp3-s.例如乙烷分子中两个碳原子各以一个sp3杂化轨道重叠形成1个CCG 键，其余的杂化轨道分别和6个H原子的1s轨道形成6个C-H。键，如图2-5 所示。 图2-5 图2-5乙烷分子结构示意图 由于s即3杂化轨道的几何构型是正四面体，轨道对称轴夹角为109.5°，这 就决定了烷烃分子中碳原子的排列不是直线型的。在结晶状态时，烷烃的碳链排 列整齐，且成锯齿状。例如戊烷的分子模型和结构式如图2-6所示。 图26戊烷的分子棋型和结构式 图2-6戊烧的分子棋型和结构式 二、烷烃的通式、同系列和同系物 从甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等几个烷烃的分子式可以看出，烷烃的分子组成 可以用通式CH2来表示。从烷烃的结构式可以看出，它们的结构相似，相邻 两个分子之间相差一个CH,不相邻的两个分子之间相差两个或多个CH2。像这 种结构相似，组成上相差一个或多个CH2(称为系列差)的一系列化合物，称为同 系列。同系列中各化合物互称为同系物。同系物的结构相似，性质也相近。除了 烷烃同系列之外，还有其他同系列，因此，同系列是有机化学中的普遍现象。 三、烷烃的同分异构和命名 (一)烷烃中的碳链异构和原子的类型 1.烷烃的碳链异构从含4个碳原子的烷烃开始，碳链中碳原子的连接顺 序或方式就会出现多种形式（即碳链异构）。如：丁烷有两种碳链异构体：戊烷有 3种碳链异构体 CH3 CH3-CHz-CH2-CHs CH3-CH-CH3

图 2-4 甲烷分子结构 (三)烷烃的分子结构 烷烃分子中，所有的碳原子都采用 sp3 杂化。C-C σ 键为 sp3 -sp3，C-H σ 键 为 sp3 -s。例如乙烷分子中两个碳原子各以一个 sp3 杂化轨道重叠形成 1 个 C-C σ 键，其余的杂化轨道分别和 6 个 H 原子的 1s 轨道形成 6 个 C-H σ 键，如图 2-5 所示。 图 2-5 乙烷分子结构示意图 由于 sp3 杂化轨道的几何构型是正四面体，轨道对称轴夹角为 109.5°，这 就决定了烷烃分子中碳原子的排列不是直线型的。在结晶状态时，烷烃的碳链排 列整齐，且成锯齿状。例如戊烷的分子模型和结构式如图 2-6 所示。 图 2-6 戊烷的分子模型和结构式 图 2-6 戊烷的分子模型和结构式 二、烷烃的通式、同系列和同系物 从甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等几个烷烃的分子式可以看出，烷烃的分子组成 可以用通式 CnH2n+2 来表示 。从烷烃的结构式可以看出，它们的结构相似，相邻 两个分子之间相差一个 CH2，不相邻的两个分子之间相差两个或多个 CH2。像这 种结构相似，组成上相差一个或多个 CH2(称为系列差)的一系列化合物，称为同 系列。同系列中各化合物互称为同系物。同系物的结构相似，性质也相近。除了 烷烃同系列之外，还有其他同系列，因此，同系列是有机化学中的普遍现象。 三、烷烃的同分异构和命名 (一)烷烃中的碳链异构和原子的类型 1．烷烃的碳链异构 从含 4 个碳原子的烷烃开始，碳链中碳原子的连接顺 序或方式就会出现多种形式(即碳链异构)。如：丁烷有两种碳链异构体；戊烷有 3 种碳链异构体。 CH3－CH2－CH2－CH3 CH3－CH－CH3 CH3 正丁烷 异丁烷 图 2-5

CH: CH3 CH3-CH-CH2-CH3 CH3-C-CH; CH; 像这种分子组成相同，分子中原子间连接的顺序或方式不同而引起的同分异 构现象，称为构造异构。碳链异构是构造异构的一种。 随着碳原子数的增多，烷烃碳链异构体的数目会迅速增加。例如：庚烷(CH6) 有9种，癸烷(C1oH2)有75种，十五烷(C1sH2)有4347种。 2.碳原子和氢原子的类型烷烃分子中的碳原子根据与它直接结合的碳原 子数目多少的不同可分为4种：只与1个碳原子直接相连的碳原子，称为伯碳原 子或称一级碳原子，常用1°表示（如下式中的C1、C、C6、C,和C):与2个 碳原子直接相连的碳原子，称为仲碳原子或称二级碳原子，常用2”表示（如下 式中的C):与3个碳原子直接相连的碳原子，称为叔碳原子或称三级碳原子， 常用3”表示（如下式中的C,):与4个碳原子直接相连的碳原子，称为季碳原子 或称四级碳原子，常用4°表示（如下式中的C2)。 CHa CH3-C-CH-CH2-5CH3 CH.CH 除了季碳原子上不能再连接氢原子外，伯、仲、叔碳原子都连有氢原子，化 学上分别把这些氢原子称为伯、仲、叔氢原子，同样可以用级别来表示。不同类 型的氢原子化学活性有一定差别。 （二)烧烃的命名 有机化合物结构复杂、种类繁多，根据结构，准确而简便地命名有机化合物 是有机化学的重要内容之一。烷烃的命名常用普通命名法和系统命名法两种。 1.普通命名法 根据分子中碳原子总数称为“某烷”.含1一10个碳原子的烷烃，用天干（甲、 乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸)表示：从含11个碳原子开始就用十一 十二、十三.等中文数字表示。在“某烷”前加上“正、异、新”等文字来区 别同分异构体。“正”表示直链（不含支链的）烷烃，“异”表示在链端第二位碳原 子上连有一个甲基的烷烃，“新”表示在链端第二位碳原子上连有两个甲基的烷 烃。如

CH3CH2CH2CH2CH3 CH3－CH－CH2－CH3 CH3 CH3－C－CH3 CH3 CH3 像这种分子组成相同，分子中原子间连接的顺序或方式不同而引起的同分异 构现象，称为构造异构。碳链异构是构造异构的一种。 随着碳原子数的增多，烷烃碳链异构体的数目会迅速增加。例如：庚烷(C7H16) 有 9 种，癸烷(C10H22)有 75 种，十五烷(C15H32)有 4347 种。 2．碳原子和氢原子的类型 烷烃分子中的碳原子根据与它直接结合的碳原 子数目多少的不同可分为 4 种：只与 1 个碳原子直接相连的碳原子，称为伯碳原 子或称一级碳原子，常用 1°表示(如下式中的 C1、C5、C6、C7 和 C8)；与 2 个 碳原子直接相连的碳原子，称为仲碳原子或称二级碳原子，常用 2°表示(如下 式中的 C4)；与 3 个碳原子直接相连的碳原子，称为叔碳原子或称三级碳原子， 常用 3°表示(如下式中的 C3)；与 4 个碳原子直接相连的碳原子，称为季碳原子 或称四级碳原子，常用 4°表示(如下式中的 C2)。 1 CH3 2 C 3 CH 4 CH2 5 CH3 6 CH3 7 CH3 8 CH3 － － － － 除了季碳原子上不能再连接氢原子外，伯、仲、叔碳原子都连有氢原子，化 学上分别把这些氢原子称为伯、仲、叔氢原子，同样可以用级别来表示。不同类 型的氢原子化学活性有一定差别。 (二)烷烃的命名 有机化合物结构复杂、种类繁多，根据结构，准确而简便地命名有机化合物 是有机化学的重要内容之一。烷烃的命名常用普通命名法和系统命名法两种。 1．普通命名法 根据分子中碳原子总数称为“某烷”。含 1～10 个碳原子的烷烃，用天干(甲、 乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸)表示；从含 11 个碳原子开始就用十一、 十二、十三„„等中文数字表示。在“某烷”前加上“正、异、新”等文字来区 别同分异构体。“正”表示直链(不含支链的)烷烃，“异”表示在链端第二位碳原 子上连有一个甲基的烷烃，“新”表示在链端第二位碳原子上连有两个甲基的烷 烃。如：

CH CH;CH2CH2CH2CH3 CH3-CH-CH2-CH3 CH3-C-CH3 正戊烷 异戊烷 新戊烷 普通命名法简单方便，但只适用于结构比较简单、同分异构体数目不多的低 级烷烃，对于比较复杂的烷烃必须使用系统命名法。 2.系统命名法 系统命名法是根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)制定的命名原则，结 合我国的文字特点而制定的，也称IUPAC命名法。 (1)直链烷烃的命名系统命名法中直链烷烃的命名和普通命名法基本相同， 仅不加“正”字。如： CH.CH:CH.CH.CH.CH.CH:CH 普通命名法： 正辛烷 系统命名法： 辛烷 (②)带支链烷烃的命名对于带支链的烷烃，可以看作是直链烷烃的烷基衍 生物。烃分子中去掉1个氢原子后剩余的部分叫做烃基。烷烃分子中去掉1个氢 原子后剩余的部分叫烷基，常用R-表示。烷基命名是把和它相对应的烷烃名称 中的“烷”字改为“基”字。烷基中的正字可以省略。常见的烷基见表21。 表2-1常见的烷基 烧基 名称 烧基 名称 CH- 甲基Mc) CH,CH-CH-CHa- 丁基(m-Bu) CH CH>- 乙基Et) (CH)CHCH>- 异丁基(iso-Bu) 丙基(n-P) CHCH.CH- 仲丁基(sec-Bu) CH (CH)CH- 异丙基50-Pm) (CH )C- 叔丁er-Bu) 支链烷烃系统命名法的步骤如下： 1)确定主链：选择分子中最长的碳链为主链，按主链所含碳原子数称为“某 烷”，将主链以外的其他烷基看做取代基（或叫支链）。如： CH3-CH2-CH-CH2-CH3 CH2-CH2-CH3 当具有相同长度的碳链可作为主链时，应选择连有取代基多的链作为主链

CH3－CH－CH2－CH3 CH3－C－CH3 CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3 CH3 正戊烷 正戊烷 异戊烷 异戊烷 新 新戊烷 戊烷 普通命名法简单方便，但只适用于结构比较简单、同分异构体数目不多的低 级烷烃，对于比较复杂的烷烃必须使用系统命名法。 2．系统命名法 系统命名法是根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)制定的命名原则，结 合我国的文字特点而制定的，也称 IUPAC 命名法。 (1)直链烷烃的命名 系统命名法中直链烷烃的命名和普通命名法基本相同， 仅不加“正”字。如： CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 普通命名法： 正辛烷 系统命名法： 辛烷 (2)带支链烷烃的命名 对于带支链的烷烃，可以看作是直链烷烃的烷基衍 生物。烃分子中去掉 1 个氢原子后剩余的部分叫做烃基。烷烃分子中去掉 1 个氢 原子后剩余的部分叫烷基，常用 R- 表示。烷基命名是把和它相对应的烷烃名称 中的“烷”字改为“基”字。烷基中的正字可以省略。常见的烷基见表 2-1。 表 2-1 常见的烷基 烷 基 名 称 烷 基 名 称 CH3－ 甲基(Me) CH3CH2CH2CH2－ 丁基(n-Bu) CH3CH2－ 乙基(Et) (CH3)2CHCH2－ 异丁基(iso-Bu) CH3CH2CH2－ 丙基(n-Pr) CH3CH2CH CH3 仲丁基(sec-Bu) (CH3)2CH－ 异丙基(iso-Pr) (CH3 )3C－ 叔丁基(ter-Bu) 支链烷烃系统命名法的步骤如下： 1)确定主链：选择分子中最长的碳链为主链，按主链所含碳原子数称为“某 烷”，将主链以外的其他烷基看做取代基(或叫支链)。如： CH3－CH2－CH－CH2－CH3 CH2－CH2－CH3 3 2 1 4 5 6 CH3－CH2－CH2－CH－CH2－CH－CH3 CH3－CH2－CH CH3 CH3 4 3 2 1 7 6 5 当具有相同长度的碳链可作为主链时，应选择连有取代基多的链作为主链