大学有机化学.烷烃.pdf

第二章烷烃 烃类概述 烃烃 只含碳原子和氢原子的有机化合物 其 它有机化合物可看作烃的 只含碳原子和氢原子的有机化合物 其 它有机化合物可看作烃的衍生物衍生物 烃的分类 烃的分类 烃烃 脂肪烃 芳香烃 脂肪烃 芳香烃 饱和烃 不饱和烃 脂环烃 饱和烃 不饱和烃 脂环烃 苯型芳香烃 非苯型芳香烃 苯型芳香烃 非苯型芳香烃 链烃 环烃 链烃 环烃 第一节 烷烃的结构 结构特点结构特点 1 所有碳原子均采用所有碳原子均采用sp3杂化杂化 各原子间以 各原子间以单键单键相连 相连 2 成键原子可绕键轴成键原子可绕键轴 自由自由 旋转旋转 CH4CH3 CH3 1 1 烷烃的结构 第一节 烷烃的结构 1 1 烷烃的结构 烷烃的通式 烷烃的通式 CnH2n 2 同系物 同系物 具有具有相同分子通式相同分子通式和和结构特征结构特征的一系列 化合物 如 的一系列 化合物 如甲烷甲烷CH4 乙烷乙烷C2H6 丙烷丙烷C3H8 化学性质 化学性质类似类似 物理性质 物理性质呈规律变化呈规律变化 同系列差 同系列差 又叫又叫 系差系差 指相邻两个同系物在组 成上不变的差数 即 指相邻两个同系物在组 成上不变的差数 即CH2 第一节 烷烃的结构 1 1 烷烃的结构 烷烃中碳原子和氢原子的分类烷烃中碳原子和氢原子的分类 伯伯 一级 碳原子 一级 碳原子 1 C 仲仲 二级 碳原子 二级 碳原子 2 C 叔叔 三级 碳原子 三级 碳原子 3 C 季季 四级 碳原子 四级 碳原子 4 C 第一节 烷烃的结构 构造 构造 分子中原子间相互连接的分子中原子间相互连接的次序次序和和方式方式 构造异构 构造异构 分子式相同分子式相同 而构造不同从而形成不 同的化合物的现象 而构造不同从而形成不 同的化合物的现象 正丁烷异丁烷正丁烷异丁烷 1 2 烷烃的构造异构 第二节 烷烃的命名 1 10个碳原子的直链烷烃 分别用词头个碳原子的直链烷烃 分别用词头 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 表示碳原 子个数 大于 表示碳原 子个数 大于10个碳原子的烷烃则以中文数字命 名 个碳原子的烷烃则以中文数字命 名 2 1 普通命名法 烷烃异构体可用烷烃异构体可用 正正 异异 新新 来区分来区分 普通命名法只适用于直链烷烃或者含碳原子数 较少的异构体 普通命名法只适用于直链烷烃或者含碳原子数 较少的异构体 第二节 烷烃的命名 缩写 符号 缩写 符号 名称名称构造式构造式 缩写 符号 缩写 符号 名称名称构造式构造式 CH3 CH CH3 CH3 CH2 CH CH3 CH CH2CH3 CH3 C CH3 CH3 CH3 CH3 CH2CH3 CH2CH2CH3 CH2 CH2 2CH3 甲基 乙基 正丙基 异丙基 正丁基 异丁基 甲基 乙基 正丙基 异丙基 正丁基 异丁基 CH2CH2CHCH3 CH3 CH2 C CH3 CH3 CH3 C CH2CH3 CH3 CH3 仲丁基 叔丁基 仲丁基 叔丁基 叔戊基 新戊基 异戊基 叔戊基 新戊基 异戊基 Me Et n Pr i Pr n Bu i Bu s Bu t Bu i Pent t Pent n Pent 常见的烷基名称常见的烷基名称 第二节 烷烃的命名 2 1 普通命名法 取代甲烷取代甲烷 命名法命名法 二甲基乙基甲烷甲基乙基异丙基甲烷二甲基乙基甲烷甲基乙基异丙基甲烷 习惯命名法习惯命名法 异辛烷异辛烷 第二节 烷烃的命名 1 选选主链主链 首先 首先 碳链最长碳链最长 其次 其次 取代基 最多 取代基 最多 2 2 系统命名法 第二节 烷烃的命名 2 编号编号 取代基所在 取代基所在编号尽量小编号尽量小 较小的取代基 应该有较小的编号 较小的取代基 应该有较小的编号 2 2 系统命名法 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 第二节 烷烃的命名 3 命名命名 若含有多个相同取代基 合并取代基 若含有不同取代基 则按优先顺序列出 若含有多个相同取代基 合并取代基 若含有不同取代基 则按优先顺序列出 2 2 系统命名法 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 2 3 5 三甲基三甲基 4 正丙基庚烷正丙基庚烷 3 甲基甲基 5 乙基庚烷乙基庚烷 3 ethyl 5 methyl heptane 第二节 烷烃的命名 己烷的构造异构体 第三节 烷烃的构象异构 构象 构象 由于由于碳碳单键的旋转碳碳单键的旋转 导致分子中原子或 原子团在空间的不同排列方式 导致分子中原子或 原子团在空间的不同排列方式 3 1 乙烷的构象异构 乙烷的构象乙烷的构象 重叠式重叠式交叉式交叉式 HH H HH H HH H H HH 锯架式纽曼投影式锯架式纽曼投影式 H HH H HH H H H H HH 第三节 烷烃的构象异构 3 1 乙烷的构象异构 乙烷分子中各构象的能量曲线图乙烷分子中各构象的能量曲线图 室温下分子 碰撞产生 的 能量 室温下分子 碰撞产生 的 能量 83 8 kJ mol 远 大于 远 大于12 6 kJ mol 因 此乙烷分子 中的碳碳键 可自由旋转 因 此乙烷分子 中的碳碳键 可自由旋转 第三节 烷烃的构象异构 3 2 正丁烷的构象异构 正丁烷构象分析势能图正丁烷构象分析势能图 第三节 烷烃的构象异构 3 3 长链烷烃的构象 随着烷烃碳原子数目的增加 构象愈加复杂 但其优势构象均为 随着烷烃碳原子数目的增加 构象愈加复杂 但其优势构象均为对位交叉式对位交叉式 因此直链烷烃的 空间排列绝大多数为 因此直链烷烃的 空间排列绝大多数为锯齿形锯齿形 正庚烷正庚烷的空间构象模型 的空间构象模型 第四节 烷烃的性质 4 1 烷烃的物理性质 有机化合物的有机化合物的物理性质物理性质包括 包括 熔点 沸点 密 度 溶解度 折光率 比旋光度 熔点 沸点 密 度 溶解度 折光率 比旋光度等 等 1 物理状态物理状态 在室温 常压下 碳原子数在室温 常压下 碳原子数1 4的烷烃为气体 的烷烃为气体 5 17为液体 为液体 18以上为固体 以上为固体 第四节 烷烃的性质 2 沸点沸点 烷烃的沸点随碳原子增多而烷烃的沸点随碳原子增多而规律性地升高规律性地升高 原因 原因 碳原子数碳原子数越多 越多 分子间作用力分子间作用力越强 越强 对于同分异构体 对于同分异构体 支链支链越多的化合物沸点越低 越多的化合物沸点越低 第四节 烷烃的性质 3 熔点熔点 烷烃的熔点随碳原子增多而升高 但变化规律 与沸点不同 烷烃的熔点随碳原子增多而升高 但变化规律 与沸点不同 烷 烃 的 熔 点 曲 线 烷 烃 的 熔 点 曲 线 第四节 烷烃的性质 3 熔点熔点 分子对称性 分子对称性 新戊烷新戊烷 正戊烷正戊烷 异戊烷异戊烷 mp 130 C 160 C 17 C bp 36 C28 C9 5 C 第四节 烷烃的性质 4 密度密度 烷烃的密度同样烷烃的密度同样随碳原子增多而增大随碳原子增多而增大 但到 但到 0 8 g cm3趋于恒定趋于恒定 烷烃是密度最小的一类有 机化合物 烷烃是密度最小的一类有 机化合物 5 溶解度溶解度 烷烃属烷烃属非极性或弱极性非极性或弱极性化合物 根据化合物 根据 相似相 溶 相似相 溶 规律 极性相似者相溶 因此烷烃规律 极性相似者相溶 因此烷烃易溶于非 极性或极性小的有机溶剂 易溶于非 极性或极性小的有机溶剂 如苯 氯仿 四氯 化碳 乙醚等 而 如苯 氯仿 四氯 化碳 乙醚等 而难溶于水等强极性溶剂难溶于水等强极性溶剂 第四节 烷烃的性质 4 2 烷烃的化学性质 1 稳定性 由于烷烃中均为牢固的 键 包括由于烷烃中均为牢固的 键 包括C C键和键和C H键 所以烷烃具有高度的化学稳定性 当 然 这种稳定性 键 所以烷烃具有高度的化学稳定性 当 然 这种稳定性不是绝对不是绝对的 的 利用烷烃的稳定性 医药上有很多应用 利用烷烃的稳定性 医药上有很多应用 液体石蜡液体石蜡 C18 C24 凡士林凡士林 C18 C22 石蜡石蜡 C25 C34 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 取代反应取代反应 分子中的原子或原子团被其它原子 或原子团取代的化学反应 分子中的原子或原子团被其它原子 或原子团取代的化学反应 hv CH4 Cl2 hv Cl2 hv Cl2 CH3ClCH2Cl2 CHCl3 hv Cl2 CCl4 甲烷的氯代反应 甲烷的氯代反应 卤素的卤素的反应活性反应活性 F2 Cl2 Br2 I2 烷烃的卤代反应烷烃的卤代反应 烷烃分子中的一个或多个氢 原子被卤素原子 烷烃分子中的一个或多个氢 原子被卤素原子取代的化学反应 取代的化学反应 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 反应机理 反应机理 反应物转变为产物所经过的途 径或过程 也叫反应历程 反应机制 反应物转变为产物所经过的途 径或过程 也叫反应历程 反应机制 甲烷氯代反应的反应机理 甲烷氯代反应的反应机理 自由基反应自由基反应 包括 包括链引发链引发 链增长链增长和和链终止链终止三个步骤 三个步骤 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 链引发链引发 链增长链增长 链终止链终止 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 速率控制步骤 速率控制步骤 CH4 XCH3 HX X 键能键能 kJ mol H kJ mol F Cl Br I 129 7564 8 H F 431 0 H Cl 364 0 H Br 4 1 71 1 297 1 H I 138 0 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 向反应体系中加入少量能向反应体系中加入少量能抑制自由基生成抑制自由基生成或或 降低自由基活性降低自由基活性的的抑制剂抑制剂 可以使反应速率减 慢或终止反应 可以使反应速率减 慢或终止反应 过氧游离基过氧游离基 CH3 O2CH3O O 过氧化物过氧化物 CH3O O CH3 CH3O O CH3 活性降低活性降低 此机理同样适用于甲烷的溴代反应以及其它 烷烃的卤代反应 此机理同样适用于甲烷的溴代反应以及其它 烷烃的卤代反应 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 产生自由基的条件 产生自由基的条件 光照光照 加热加热 自由基引发剂 如自由基引发剂 如过氧化物过氧化物 四醋酸铅四醋酸铅等等 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 烷基自由基的构型烷基自由基的构型 带孤电子的碳原子采用带孤电子的碳原子采用 sp 杂化杂化 孤电 子占 据未参与杂化的 孤电 子占 据未参与杂化的p轨道 轨道 p轨道垂直于三个轨道垂直于三个sp 杂 化轨道所在的平面 杂 化轨道所在的平面 CCH3 H H CCH3 H CCH3 CH3 CH3 CH3 乙基自由基异丙基自由基叔丁基自由基乙基自由基异丙基自由基叔丁基自由基 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 烷烃卤代反应的烷烃卤代反应的选择性选择性 氢原子的反应活性顺序 氢原子的反应活性顺序 叔氢 仲氢 伯氢叔氢 仲氢 伯氢 light Cl Cl Cl2 43 57 light heat Br2 Br 3 97 Br 第四节 烷烃的性质 2 卤代反应 不同氢的反应活性与不同氢的反应活性与自由基的稳定性自由基的稳定性有关有关 自由基的稳定性与自由基的稳定性与共价键均裂时键的离解能共价键均裂时键的离解能大小 有关 大小 有关 CH3 HH3C H CH2CH3 HH3CH2C H H3CH CH3 H H3CH CH3 CH3 H 离解能离解能 435KJ mol 410KJ mol 397KJ mol 385KJ mol 第四节 烷烃的性质 3 氧化反应 自动氧化自动氧化 R3CH O2 R3C O2 R3C OOH R3COO R3CHR3COOH R3C R3COO 第四节 烷烃的性质 3 氧化反应 CnH2n 2 O2 燃烧燃烧 nCO2 n 1 H2O 3n 1 2 不完全燃烧则会生成有毒的不完全燃烧则会生成有毒的CO气体或煤烟状 的碳而污染环境 气体或煤烟状 的碳而污染环境 燃烧燃烧 烷烃完全燃烧生成烷烃完全燃烧生成二氧化碳二氧化碳和和水水 同时放出大 量的热 同时放出大 量的热 第四节 烷烃的性质 4 硝化和磺化反应 400 500 C HNO3 NO2 NO2 40 25 CH3CH3 H2SO4 400 C SO3H 第四节 烷烃的性质 4 硝化和磺化反应 反应机理反应机理 自由基反应自由基反应 R H heat R HorR