有机化学-第五章饱和烃.ppt

基本要求 第五章饱和烃 1 能正确书写烷烃的构造异构体 掌握烷烃的命名原则 2 能用原子轨道杂化理论解释烷烃中碳原子的构型 3 掌握 键的形成 结构特点及特性 4 掌握构象式 纽曼式和透视式 的写法 5 掌握烷烃的物理性质 沸点 熔点 溶解度 比重等 存在的规律性的变化 6 掌握烷烃的氧化 裂化 取代反应 7 理解烷烃的自由基反应的条件 历程及掌握自由基的稳定性 8 掌握脂环烃的命名方法和基本结构 9 熟练掌握环烷烃和环烯烃的化学性质 10 熟练掌握环烷烃的顺 反异构现象和环己烷的构象 烃 环状烃 开链烃 不饱和烃 饱和烃 烯烃 炔烃 烷烃 烷 表示碳的化合价已经完全饱和的意思 烷烃的自然界存在方式 气态 液态 固态 天然气 沼气 汽油 煤油 石蜡 凡士林 芳香烃 脂环烃 5 1烷烃的同系列及同分异构现象 CnH2n 2 具有同一个分子式 在组成上相差一个或几个 CH2 的一系列化合物 同系列组成上的差异 CH2 一 烷烃的同系列 系差 烷烃通式 特性 同系列是有机化学的普遍现象 同系物间相互具有同一个通式 结构相似 化学性质相似 物理性质呈规律性变化 只要研究几个典型或有代表性的化合物性质之后 就可能推出同系列中其他成员的基本性质 同系列 同系物 同系列中的化合物互称同系物 二 烷烃的同分异构现象 同分异构体 分子中原子在空间的排列方式不同产生了立体异构 分子中原子相互连接的次序和方式不同产生了构造异构 5 2烷烃的命名 1 烷基的概念 1 伯 仲 叔 季碳原子和伯 仲 叔氢原子 2 烷基R 一个化合物从形式上去掉一个或几个原子或基团剩余部分称为基 二价基 亚基 三价基 次基 一价基 2 命名 1 习惯命名法 适用于简单化合物 1 10个碳的烷烃 词头用 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 10个碳以上 用数字十一 十二等表示 碳架异构体用正 异 新等词头区分 正己烷异己烷新己烷 2 衍生物命名法 要点 以甲烷作为母体 其他烷烃看成甲烷的烷基衍生物 这种方法可以表示结构 但是仍然只适用于简单烷烃 命名方法 选择含最多取代基的碳原子为母体 甲烷 并且要求取代基最简单 其余部分为取代基 书写时由小到大排列 结尾是甲烷 相同取代基合并 写出个数 用中文字表示个数 三甲基仲丁基甲烷 3 系统命名法 IUPAC命名法 a 选最长碳链作主链 支链作取代基 遇多个等长碳链 则选取代基多的为主链 b 近取代基端开始编号 并遵守 最低系列编号规则 例如 c 取代基距链两端位号相同时 编号从顺序小的基团端开始 次序规则 单原子取代基 按原子序数大小排列 原子序数大 顺序大 原子次序小 顺序小 同位素中质量高的 顺序大 多原子基团第一个原子相同 则依次比较与其相连的其它原子 含双键或叁键的基团 则作为连有两个或叁个相同的原子 顺序大的基团称较优基团 d 支链上连有取代基 则从和主链相连的碳原子开始将支链碳原子依次编号 并将取代基位号 名称连同支链名写在括号内 2 甲基 5 1 1 二甲基丙基 癸烷 e 名称的排列顺序 中文名称按基团顺序规则 较小的基团列在前 英文名称按基团首字母的字顺先后列出 5 丙基 4 异丙基壬烷4 isopropyl 5 propylnonane 注意 1 相同取代基数目用汉文数字二 三 表示 2 取代基位号用阿拉伯数字表示 3 阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开 4 阿拉伯数字之间必须用逗号分开 例1 选择支链多的碳链为主碳链 例2 选择支链位号较小的为主碳链 练习 1 下列化合物的系统命名是否正确 如有错请改正 3 甲基戊烷 2 甲基 3 乙基己烷 4 乙基 6 丙基壬烷 2 命名下列化合物 3 甲基 5 乙基辛烷 2 2 6 6 7 五甲基辛烷 2 3 7 三甲基 5 乙基辛烷 2 3 7 7 8 10 六甲基十一烷 一 甲烷的正四面体结构 1 实验事实 甲烷分子是正四面体结构 四个C H键是等同的 键角是109 50 C H键的键长是0 110nm 2 杂化轨道理论的解释 1931年 鲍林和斯莱特提出了杂化轨道理论 5 3烷烃的结构 3 SP3杂化过程及轨道形状 5 键 原子轨道之间沿键轴的方向 以 头碰头 的方式发生轨道重叠而形成的键 轨道重叠部分是沿着键轴呈圆柱型而分布 键的键能大 稳定性高 键可自由旋转 特性 4 烷烃分子的形成过程 5 4烷烃的构象 构象异构产生的原因 由于以 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 乙烷分子不同构象的能量曲线如下图所示 由此可见 交叉式构象的能量较低 故较为稳定 二 丁烷的构象 丁烷绕C2 C3 键旋转的典型构象有四种 丁烷分子不同构象的能量曲线如下图所示 由此可见 丁烷四种典型构象能量的高低顺序是 全重叠式 部分重叠式 邻位交叉式 对位交叉式 结论 对位交叉式是丁烷的优势构象 又称最稳定构象 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 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 二 沸点 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 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 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 解释 在晶体中 分子间作用力不仅取决于分子的大小 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 四 相对密度 比重 都小于1 随着分子量的增加而增加 最后接近于0 8 20 五 溶解度 不溶与水 溶于某些有机溶剂 尤其是烃类中 相似相溶 原理 5 6烷烃的化学性质 化学性质取决于分子的结构 C C C H 键 键能较大 极性较小 烷烃稳定 高温 光照等条件下烷烃具有反应活性 1 卤代反应 1 氯代 反应经历了自由基活性中间体 自由基取代反应 亦称反应历程 反应机制 是描述反应由反应物到产物所经历的每一步过程 2 反应机理 氯分子在光照或高温下裂解 均裂 产生自由基 产生甲基自由基 链增长 产生新的氯自由基 链引发 链增长 氯甲基自由基的形成 链增长 氯甲基自由基再与氯分子作用 生成二氯甲烷及氯原子 链增长 自由基之间碰撞 形成稳定分子 反应终止 链终止 整个反应经历三个阶段 链引发 链增长 链终止 此自由基反应也称链锁反应或链反应 讨论题 1 将氯气用光照射后在黑暗中放置一段时间再与甲烷混合 会发生氯代反应吗 2 甲烷氯代易得氯代烷的混合物 为什么 3 甲烷和氯气同时光照 为什么不引发甲基自由基 3 活化能与反应速率 活化能 activatingenergy 过渡态与反应物之间的能量差 活化能越小 反应速率越快 活化能越大 反应速率越慢 第一步Ea 16 7kJ mol 第二步Ea 8 3kJ mol 在甲烷氯代的多步反应中 哪一步是控制反应速率的 反应速率最慢的一步 速度控制步骤 4 氯代 溴代反应的取向 1oH与2oH被取代的概率为 6 2 氢的相对反应活性 1oH 2oH 45 6 55 2 1 3 8 1oH与3oH氢被取代的概率为 9 1 氢的相对反应活性 1oH 3oH 64 9 36 1 1 5 氯代反应三种氢的活性 1 H 2 H 3 H 1 3 8 5 溴代 溴代反应三种氢的活性 1 H 2 H 3 H 1 82 1600 5 卤素的活性与选择性 卤素的活性 F Cl Br I氯化试剂活性高 溴化试剂活性低 卤代反应的选择性 溴大于氯 Br Cl 影响卤代产物异构体相对产率的主要因素 概率因素 H原子的反应活性 X原子的反应活性 6 烷烃卤代反应的相对活性与烷基自由基的稳定性 1 烷烃卤代的相对活性 3 C H 2 C H 1 C H 原因 不同C H键的离解能不同 键的离解能愈小 则自游基愈容易生成 反应也就易进行 2 自由基的稳定性 3 R 2 R 1 R CH3 原因 同上 即愈容易生成的自由基愈稳定 CH3 H CH3CH2 H CH3 2CH H CH3 3C H 键离解能 kj m 397 5 435 410 380 7 2 燃烧反应 烷烃完全燃烧生成二氧化碳和水 同时放出大量的热 3 热裂反应 化合物在高温和无氧存在下的分解反应 分子中含有碳环构造 其性质却与开链的脂肪族化合物非常相似的一类化合物 称为脂环化合物 而只由碳 氢两种元素组成的脂环化合物叫脂环烃 5 7脂环烃的分类与命名 一 分类 二 命名 环烷烃的命名 根据分之中成环碳原子数目 称为环某烷 把取代基的名称写在环烷烃的前面 3 取代基位次按 最低系列 原则列出 基团顺序按 次序规则 小的优先列出 环烯烃的命名 1 称为环某烯 2 以双键的位次和取代基的位置最小为原则 3 多环烃的命名 1 桥环烃 二环 三环等 分子中含有两个或多个碳环的多环化合物中 其中两个环共用两个或多个碳原子的化合物称为桥环化合物 编号原则 从桥的一端开始 沿最长桥编致桥的另一端 再沿次长桥致始桥头 最短的桥最后编号 命名 根据成环碳原子总数目称为环某烷 在环字后面的方括号中标出除桥头碳原子外的桥碳原子数 大的数目排前 小的排后 如左图 其它同环烷烃的命名 7 7 二甲基二环 2 2 1 庚烷 2 螺环烃 两个环共用一个碳原子的脂环烃称为螺环烃 编号原则 从较小环中与螺原子相邻的一个碳原子开始 徒经小环到螺原子 再沿大环致所有环碳原子 命名 根据成环碳原子的总数称为螺某烷 在方括号中标出各碳环中除螺碳原子以外的碳原子数目 小的数目排前 大的排后 其它同烷烃的命名 三 异构现象 脂环烃的异构有构造异构和顺反异构 5 8环烷烃的化学性质 一 与烷烃类似的性质 1 卤代反应 环烯烃 二 小环烷烃的特性反应与烯烃类似的性质 小环烷烃的加成 1 加氢 2 加卤素 室温 室温 3 加HX H2SO4 2 氧化反应 环丙烷对氧化剂稳定 不被高锰酸钾 臭氧等氧化剂氧化 可用稀冷高锰酸钾溶液来区别烯烃与环丙烷衍生物 稀冷 环烃性质小结 1 小环烷烃 3 4元环 易加成 难氧化 似烷似烯 普通环以上难加成 难氧化 似烷 2 环烯烃 共轭二烯烃 各自具有其相应烯烃的通性 5 9环的张力学说 一 环烷烃的燃烧热与环的稳定性 燃烧热 Hc 测定数据表明 烷烃分子每增加一个 CH2 其燃烧热数值的增加基本上是一个定值 658 6kJ mol 1 环烷烃可以看作是数量不等的 CH2 单元连接起来的化合物 但不同环烷烃中的单元 CH2 的燃烧热却因环的大小有着明显的差异 一些环烷烃的燃烧热 小环 C3 C4 普通环 C5 C7 中环 C8 C11 大环 C12 热力学数据表明 单元CH2的燃烧热 环的稳定性 故 为什么小环化合物不稳定 二 小环烷烃的结构 Baeyer理论 张力学说 1885年提出 由此可见 1 键的重叠程度小 稳定性降低 2 电子云分布在两核连线的外侧 增加了试剂进攻的可能性 故具有不饱和烯烃的性质 环丁烷的构象 环戊烷的构象 5 10环己烷及取代环己烷的构象 一 环己烷的构象 船式构象 环己烷的六个碳原子构成两个平面 六个a e键分别为三上三下 同一碳原子若a键在上 e键必然在下 a e键可以相互转化 二 取代环己烷的