烷烃(一)

官方化学老师·15 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
结构与命名同分异构典型反应性质递变

烷烃(一)

看懂烷烃结构、命名规律与典型反应,并理清常见概念边界

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结构与命名同分异构典型反应性质递变

烷烃(一)

看懂烷烃结构、命名规律与典型反应,并理清常见概念边界

1第 1 页 · 烷烃(一)

烷烃系统命名步骤

前页我们认识了烷烃的基本骨架——全是单键的饱和链烃。但从 C5 起,同一个分子式能写出好几种结构,'正戊烷'这种叫法就开始含糊。要把每一种结构都精准叫出来,得按规则走一遍命名流程。

选主链
选最长连续碳链为主链;多条等长时,选取代基数目多的那条
编位次
从距首个取代基最近的一端编号,使所有取代基的位次之和最小(最低位次组规则)
排与写
取代基按次序规则由小到大排列,相同者合并并用二、三、四…标注个数
定母体
母体名 = 碳数对应的天干名(甲乙丙丁…),后缀 -烷;取代基写在母体名前
快递地址对应 →烷烃系统命名

母体=主干街道,位次=门牌号,取代基=住户;层级越精确,名字越不歧义

2第 2 页 · 烷烃系统命名步骤

选择烷烃主链的方法

上一步我们走完命名四步流程,「选主链」看似最简单——挑最长那条就行。可当分子里出现多条等长碳链的边界情况时,就要按二级、三级规则继续比下去。

最长碳链优先
碳原子数最多的那条链为主链;不必是最直、看起来最显眼的那条
等长比取代基数
多条最长链并存时,选连有取代基数目最多的那条
再比位次之和
取代基数目也相同时,选取代基编号之和最小的那条
城市选主干道对应 →选烷烃主链

先比里程最长;里程同则比可接驳的支路数;支路数同再比编号进出便利

3第 3 页 · 选择烷烃主链的方法

给烷烃主链编号的方法

想象一条5碳主链上挂着一个甲基:从左数叫'2-甲基戊烷',从右数就成了'4-甲基戊烷'。分子没变,名字不同——编号方向就是分水岭。

最低位次组原则
从两端分别编号得两组位次,逐位比较,第一处不同取较小者
等距情形
两端到最近取代基等距时,继续看次近位次,选数字更小一端
多取代基逐位比
多个取代基时按位次顺序逐一比较,最小者排前
英文次序规则
位次完全相同时,按取代基英文首字母次序给较小位次
教室给一排座位编号对应 →主链碳原子编号

都希望'特殊位置'(取代基)拿到小号;规则是两端各编一次,逐位比取小

4第 4 页 · 给烷烃主链编号的方法

表示取代基位置和个数的方

主链已经选好、编号方向也定了——现在每个取代基落在几号碳已经清楚。可如果口头写成「2号有个甲基、3号有个甲基」太啰嗦,化学家用一套紧凑写法把位置和个数一次说清。

位号用阿拉伯数字
取代基所在主链碳的位号用1、2、3…表示,数字与基名之间用半字线「-」连接
个数用汉字
相同取代基的数目用二、三、四…汉字书写,紧贴基名前;命名规范强制要求,不用阿拉伯数字
相同基合并书写
不写「2-甲基-3-甲基」,而是合并为「2,3-二甲基」;位号按递增顺序用逗号分隔
位号之和最小
若多种编号都让首个取代基位号最小、且取代基数目也相同,再比较各位号之和,取和最小的那套
快递柜取件码「3格-2件」对应 →取代基写法「3-二甲基」

阿拉伯数字表位置(格号=碳号)、汉字表个数(件=甲基数)、最后是物品名

5第 5 页 · 表示取代基位置和个数的方

甲基

前面我们用「甲、乙、丙…」来区分取代基的碳数。那这个「甲」到底长什么样?为什么它必须叫「基」而不是「烷」?

来源
甲烷(CH₄)脱去一个氢原子,剩下的 -CH₃ 就是甲基
一价基团
只伸出一根游离键,只能接在主链某一个碳上
写法
横线代表游离键,必须与主链碳直接相连
典型出现
甲醇 CH₃OH、甲苯 C₆H₅CH₃、氯甲烷 CH₃Cl
挂钩对应 →甲基

必须挂在主体上才发挥作用

6第 6 页 · 甲基

乙基

上页认识了甲基——甲烷去掉一个氢后剩下的'小尾巴'。如果主链上遇到的是乙烷(CH3CH3),同样掉一个氢,会剩下什么?这就是乙基。

定义
乙烷去掉一个氢原子后剩下的基团,化学式 -C₂H₅
结构
-CH₂-CH₃:靠主链的是 CH₂,末端是 CH₃,比甲基多一段
命名来源
由'乙烷'派生而来,读 yǐ jī,身上带两个碳
与甲基对比
多一个 CH₂,分子量 +14,疏水性和位阻贡献都更强
乐高单块与双块手臂对应 →甲基与乙基

甲基像 1 块积木的手,乙基是 2 块还带个关节,连主链那端是 CH₂

CH2CH3\mathrm{-CH_2CH_3}
7第 7 页 · 乙基

丙基

乙基我们从乙烷末端抓掉一个H得到,结构单一。丙烷有三个碳,但抓的位置不同,结果截然不同——丙基因此有了「两种面孔」。

定义
丙烷去掉一个氢原子后剩下的基团,化学式 -C₃H₇
正丙基 (n-丙基)
去掉末端碳上的H,结构 -CH₂CH₂CH₃,三个碳排成直线
异丙基
去掉中间碳上的H,结构 -CH(CH₃)₂,中心碳连两个甲基
命名约定
IUPAC 用 n-丙基/异丙基区分,中文也称「正丙基/异丙基」
典型应用
异丙苯 C₆H₅-CH(CH₃)₂ 是工业合成苯酚和丙酮的关键中间体
一根三节棍的不同抓法对应 →丙基的两种结构

从末端抓起是直线延伸(正丙基);从中间抓起就变Y形分叉(异丙基)

8第 8 页 · 丙基

正丙基

丙基的分子式都是 C₃H₇,但「挂在哪个碳上」决定了它是哪一种。这页看最常见的——正丙基。

直链结构
-CH₂-CH₂-CH₃,三个碳像糖葫芦一样串联
挂末端伯碳
自由价在末端碳上,这个碳是一级碳(伯碳)
「正」即直链
「正」是 normal 的音译,表示无支链
对比异丙基
异丙基挂中间仲碳,正丙基挂末端伯碳
一字排队 vs 折角站立对应 →正丙基 vs 异丙基

三个碳站姿不同,谁被「勾」走谁就是主体

9第 9 页 · 正丙基

异丙基

承接正丙基:同样 3 个碳,把接入点从末端挪到中间——这就是异丙基。

结构形状
中央碳连两个甲基、1 个 H,整体呈 Y 字形
与正丙基对比
同是 3 个碳,正丙基从末端接入,异丙基从中间接入
仲碳烷基
中心碳直接连 2 个碳,称仲碳(2°),异丙基是最简单的仲烷基
IUPAC 名称
系统名是 1-甲基乙基,也写作丙-2-基
三颗珠子穿成串对应 →异丙基的连接方式

抓住中间那颗,两边珠子像两臂向外伸出,整组呈 Y 形

异丙基=(CH3)2CH(仲碳上挂两个甲基)\text{异丙基} = (CH_3)_2CH- \quad\text{(仲碳上挂两个甲基)}
10第 10 页 · 异丙基

烷烃的直链结构

前面几页学了命名要先选主链。主链的原型就是最朴素的形态——所有碳原子一节扣一节、不分岔的连续链。这种结构就是直链烷烃,也叫正构烷烃。

结构定义
碳原子以 C-C 单键连接成连续链,无任何支链
分子通式
CₙH₂ₙ₊₂,n 为 ≥1 的整数
氢原子分布
链端各一个 -CH₃,链中各为 -CH₂-,共 2n+2 个 H
杂化与键角
碳全为 sp³,C-C-C 键角约 109°28′,链呈锯齿形
物性递变与应用
沸点随 n 增大而升高;常用作燃料、溶剂、石蜡原料
不分岔的单线铁路对应 →直链烷烃的碳骨架

每个碳像一节车厢,C-C 键像铁轨,整条链只走一条道

CnH2n+2C_nH_{2n+2}
11第 11 页 · 烷烃的直链结构

烷基支链

前面我们学了甲基、乙基、丙基这些'基',也讲了怎么找主链、怎么编号。现在问题来了:这些基从哪来?它们在分子里待在哪、长什么样?这就是烷基支链要回答的事。

烷基的来源
烷烃分子去掉一个氢原子后剩下的部分,就是烷基
命名规则
对应烷烃名换'烷'为'基',如乙烷→乙基
支链与主链
烷基作为取代基挂在主链碳上,不是主链本身
书写方式
主链骨架之外另起书写,用短线连到支链位点旁
长度规则
支链碳数不得多于主链,否则该碳链才是真正的主链
树干和树枝对应 →主链和烷基支链

树干是主体,树枝从主干分出,长度不超主干

12第 12 页 · 烷基支链

烷烃的同分异构体

你已经能认出烷烃的直链和支链了。同样是4个碳原子,可以拼成一条直链,也能让中间碳长出支叉——这种「分子式相同、结构不同」的现象,就是同分异构体。

定义
分子式相同、原子排列或连接顺序不同的化合物,互为同分异构体
烷烃只有骨架异构
C-C单键可自由旋转,烷烃异构只可能源于碳骨架分叉方式不同
C4是分水岭
C1、C2、C3只有唯一骨架,从C4才出现正丁烷与异丁烷两种
数量爆炸式增长
C4有2种,C5有3种,C6有5种,C7有9种,C8有18种,C10达75种
同样食材做不同菜品对应 →同分异构体

食材相同但做法不同就是不同的菜;原子相同但骨架不同就是不同化合物

CnH2n+2\text{C}_n\text{H}_{2n+2}
13第 13 页 · 烷烃的同分异构体

本节要点

  • 命名四步走:选主链、编号、定位、组合,顺序不可乱
  • 甲乙丙基是俗名硬记,丁基起需用系统命名
  • 同分异构体数随碳数指数增长,C4有2种,C10超75种
  • 支链烷基本身还可再分支,命名要逐层标注
  • 支链越多,分子接触面越小,沸点越低
延伸主题:烷烃的物理性质递变规律环烷烃的命名与张力烷烃自由基取代机理
14第 14 页 · 本节要点

课后思考

三个开放问题,先合上书自己想——好的问题比答案更值钱。

1为什么选主链时要考虑「最长」而非「最直」?一个看似弯曲的链若含碳更多,是否仍应作为主链?

参考答案主链决定编号起点和取代基定位。选最长链是为了让取代基编号尽可能小、名称最简。即使链是弯的,只要碳数最多,就应作主链。

2若同一碳上连有两个相同的烷基(如偕二甲基),命名时如何表示?编号方向又受什么影响?

参考答案用「二」表示重复,如「偕二甲基」;编号时应让该碳尽量取较小编号,符合「最低位次组」原则——位次序列最小时优先。

3当烷烃分子中出现手性碳(四个不同基团连在同一碳上),系统命名法还能完整描述它吗?若不能,还缺哪一块拼图?

参考答案不能完整描述。手性异构体名称完全相同,但空间结构不同。需在名前加 R/S 构型标记(如 (R)-2-氯丁烷),命名从二维扩展到三维——这正是本规则的边界。

15第 15 页 · 课后思考