有机化学第2章烷烃和环烷烃.ppt

第二章烷烃和环烷烃 主要内容烷烃的结构 同分异构体烷烃的命名 普通命名法 IUPAC命名法 烷烃的物理性质烷烃的化学性质烷烃的卤代反应历程 主要内容环烷烃的分类与命名环烷烃的性质环烷烃的结构与稳定性烷烃和环烷烃的构象异构 教学步骤 概念 烃 分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物 同系列 有相同通式 结构上相差一定的 原子团 的一系列化合物 同系物 同系列中的化合物为同系物 系差 CH2 2 1烷烃的同系列及同分异构现象 2 1 1烷烃的同系列 2 2 2烷烃的同分异构现象 同分异构现象 化合物的分子式相同 分子的结构和性质不同的现象称为同分异构现象 同分异构体 具有同分异构现象的化合物称为同分异构体 分子的构造 分子中原子间相互连接的顺序称为分子的构造 表示分子构造的化学式称为构造式 构造异构现象 分子式相同 分子中原子相互连接顺序不同现象称为构造异构现象 2 3 3伯 仲 叔 季碳原子 在烃分之中 按照碳原子与所连碳原子的不同 可分为四类 仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子 或一级碳原子 用1 表示 与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子 或二级碳原子 用2 表示 与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子 或三级碳原子 用3 表示 与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子 或四级碳原子 用4 表示 与伯 仲 叔碳原子相连的氢原子 分别称为伯 仲 叔氢原子 不同类型的氢原子的反应性能有一定的差别 碳原子的四种类型 2 2烷烃的命名 普通命名法用于简单化合物的命名IUPAC命名法 系统命名法 IUPAC 国际纯粹与应用化学联合会 InternationalUnionofPureandAppliedChemistry 基础 普通命名法 2 2 1普通命名法 2 2 2烷基 1 选择主链 选择含碳原子数目最多的碳链作为主链 称为某烷 支链作为取代基 若有两条以上等长碳链时 则选择支链多的一条为主链 2 2 3系统命名法 IUPAC命名法 2 碳原子的编号 从最接近取代基的一端开始 将主链碳原子用1 2 3 编号 从碳链任何一端开始 第一个支链的位置都相同时 则从较简单的一端开始编号 若第一个支链的位置相同 则依次比较第二 第三个支链的位置 以取代基的系列编号最小 最低系列原则 碳链从不同方向编号时 得到两种不同编号系列 则顺次逐项比较两系列的不同位次 最先遇到的位数最小者 定为 最低系列 取代基位号 2 4 7 正确 2 5 7 将支链 取代基 写在主链名称的前面 取代基按 次序规则 次序优先的基团优先放在最后写出 相同基团合并写出 位置用2 3 标出 取代基数目用二 三 标出 表示位置的数字间要用 隔开 位次和取代基名称之间要用 隔开 3 烷烃的名称 2 2 4次序规则 次序规则的要点 1 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 例如 I Br Cl S P F O N C D H Br OH NH2 CH3 H2 多原子基团第一个原子相同 则要依次比较第二 第三顺序原子的原子序数 来决定基团的大小顺序 例如 CH3CH2 CH3 因第一顺序原子均为C 故必须比较与碳相连基团的大小 CH3 中与碳相连的是C H H H CH3CH2 中与碳相连的是C C H H 所以CH3CH2 优先 同理 CH3 3C CH3CH CH3 CH CH3 2CHCH2 CH3CH2CH2CH2 3 当取代基为不饱和基团时 则把双键 三键原子看成是它与多个某原子相连 课堂作业 比较以下基团的优先顺序 用系统命名法命名下列化合物 2 3 1碳原子的四面体构型 2 3烷烃的结构 构型是指具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况 烷烃分子中碳原子为正四面体构型 甲烷的正四面体构型如下图所示 乙烷的结构和模型 2 3 2碳原子的SP3杂化 杂化 就是几个轨道放到一起 进行充分混合 再平均分配 不但进行能量均分 而且轨道成份也平均分配 形成数目相等的几个能量和轨道成份都相同的新轨道 即杂化轨道 2 3 3烷烃分子的形成 键有如下几个的特点 1 键有方向性 两个成键原子必须沿着对称轴方向接近 才能达到最大重叠 2 成键电子云沿键轴对称分布 两端的原子可以沿轴自由旋转而不改变电子云的分布 3 键是头碰头的重叠 与其它键相比 重叠程度大 键能大 其中C H键 键能415 3KJ mol C C键 键能345 6KJ mol 因此 化学性质稳定 2 3 4其它烷烃的构型 碳原子都是以SP3杂化轨道与其他原子形成 键 碳原子都为正四面体结构 2 C C键长均为0 154nm C H键长为0 109nm 键角都接近于109 5 3 碳链一般是曲折地排布在空间 2 4烷烃的物理性质 2 4 1状态 常温 25 常压 760mmHg 下含有四个碳以下的烷烃为气体 含五到十六个碳的直链烷烃为液体 含十七个碳以上直链烷烃为固体 2 4 2沸点 1 直链烷烃的沸点随着相对分子质量的增加而有规律地升高 2 同数碳原子的构造异构体中 分子的支链越多 沸点越低 2 4 3熔点 1 固体分子其熔点也随相对分子质量增加而增高 2 支链烷烃的熔点比直链烷烃的低 但有的带支链的烷烃有高度的对称性 它们的熔点则比同数碳原子的直链烷烃高 M P 129 8 159 9 16 8 2 5 4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 2 5 6溶解度不溶与水 溶于某些有机溶剂 尤其是烃类中 2 5烷烃的化学性质 烷烃的结构 一般情况下烷烃化学性质不活泼 耐酸碱 常用作低极性溶剂 如正己烷 正戊烷 石油醚等 烷烃可与卤素发生自由基取代反应 烷烃的重要反应 2 5 1甲烷的卤代反应 反应特点 1 反应需光照或加热 2 光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷 反应有引发过程 3 反应速率 F2 Cl2 Br2 I2 不反应 2 5 2其他烷烃的卤代反应 伯 仲 叔氢的相对反应活性 如果定义 氢的相对活性 产物的数量 被取代的等价氢的个数 故室温时三种氢的相对活性为 3 H 2 H 1 H 5 4 1 与溴的反应 溴代反应时 光照 127 三种氢的相对活性为 3 H 2 H 1 H 1600 82 1 不同卤原子与不同氢原子反应的相对速率 以伯氢为标准 如下 总结 烷烃卤代反应的选择性 卤代反应中不同类型氢的反应活性3oH 2oH 1oH CH4 温度升高 选择性变差 不同卤素的反应选择性 溴代 氯代 合成上的应用价值 溴代 氯代 反应的选择性好 可得到较高纯度的产物 2 6烷烃的卤代反应历程 什么是反应机理 反应机理是对反应过程的详细描述 应解释以下问题 研究反应机理的意义 了解影响反应的各种因素 最大限度地提高反应的产率 发现反应的一些规律 指导研究的深入 2 6 1甲烷的氯代历程 定义 由化学键均裂引起的反应称为自由基反应 其特点为 1 反应机理包括链引发 链增长 链终止三个阶段 2 反应必须在光 热或自由基引发剂的作用下发生 3 溶剂的极性 酸或碱催化剂对反应无影响 4 氧气是自由基反应的抑制剂 甲烷氯代的机理表达 引发剂 容易产生自由基的试剂 如 过氧化物 抑制剂 降低自由基活性或抑制自由基生成的试剂 2 6 2甲烷氯代反应过程中的能量变化 过渡态理论 反应热 活化能 2 6 2 1过渡状态理论 过渡状态理论认为每一个反应的反应进程分为三个阶段 始态 过渡态和终态 即一个反应由反应物到产物的转变过程中 需要经过一个过渡状态 如下反应通式所示 用字母表示则为 反应进程中体系能量的变化如下图 反应能量进程图的函义 1 曲线上的每一点都对应着一种反应的状态和这种状态所具有的能量 2 过渡态处在反应进程位能曲线上的最高点 也就是反应所需要克服的能垒 是过渡态与反应物分子基态之间的位能差 称为反应的活化能 用 E活 表示 3 由图还可以看出 H就是反应热 反应热即反应物与产物之间的能量差 H 2 6 2 2甲烷氯代反应过程中的能量变化 反应进程 位能曲线图如下 1 在多步骤反应中 反应分多少步进行能量进程图上就有多少个峰 2 两峰之间的谷点表示反应活性中间体3 活化能最高的那步反应决定着整个反应的速率 过渡态与中间体的区别 过渡态 反应物转变为产物的中间状态 推测的 势能最高处的原子排列 寿命 0 无法测得 中间体 反应中生成的寿命较短的分子 离子或自由基 中间体一般很活泼 但可通过实验方法观察到 思考 1 链增长阶段是吸热还是放热 2 哪个过渡态是决定速率的一步 3 CH4 CH3 CH3Cl中哪一个是最稳定的化合物 哪一个最不稳定 2 6 3烷基自由基的构型和稳定性 自由基的构型 中心Csp2杂化 稳定性 键的离解能 Kj mol 自由基的稳定性大小顺序为 3 R 2 R 1 R CH3 小结 1 烷烃的卤代 氯代和溴代 反应 2 烷烃的卤代机理 自由基取代机理 自由基链反应机理 机理的各个步骤及表示方法 3 不同类型H的反应选择性或不同类型H的反应活性 自由基的稳定性4 烷烃的氯代和溴代在选择性上的差别 2 7环烷烃的分类和命名 2 7 1环烷烃的分类 2 7 2环烷烃的命名 2 7 2 1单环烷烃的命名 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 取代基位次按 最低系列 原则列出 基团顺序按 次序规则 排序在后的优先列出 侧链比较简单 以环为母体 链为取代基 侧链比较复杂 以链为母体 环为取代基 乙基环己烷2 甲基 4 环己基己烷 让次序规则中顺序较小的基团位次尽可能小 1 3 二甲基 5 乙基环己烷 受环的限制 键不能自由旋转 环上取代基在空间的位置不同 产生顺反 几何 异构 顺 cis 两个取代基在环同侧 反 trans 两个取代基在环异侧 2 7 2 2双环化合物的命名 桥环烃 分子内环与环之间有两个或两个以上共用碳原子的多环烃 桥头碳 几个环共用的碳原子 环的数目 断裂二根C C键可成链状烷烃为二环 断裂三根C C键可成链状烷烃为三环桥 两个桥头碳原子间的碳链或一个键环的编号方法 从桥头开始 先长链后短链 命名 1 根据组成桥环的碳原子总数称为 某烷 再加上词头 二环 字 2 从桥头碳开始 绕最长的桥到另一个桥头 再绕次长桥回来 最后再编最短的桥 3 可能的情况下给取代基以尽可能小的编号4 母体名称前冠以 环数 后接 方括中表明环内除桥头碳原子外的碳原子数目 从大到小排列 之间用圆点分开 2 8 8 三甲基二环 3 2 1 辛烷 螺环化合物 螺环烃 两个环共用一个碳原子的多环烷烃叫作螺环烃 螺原子 被供用的碳原子为螺原子命名 1 根据组成螺环的碳原子总数称为 某烷 再加上词头 螺 字 2 从小环中与螺原子相连的碳原子开始编号 经过螺碳原子 在由较大环回到螺碳原子 3 尽可能使取代基处在最小的位次4 母体名称前冠以 螺 后接 方括内注明环中除螺碳原子以外的碳原子数 由小到大 之间用圆点隔开 2 8环烷烃的结构与稳定性 2 8 1拜耳 Baeyer 的张力学说 基本假定 所有的环碳原子都具有四面体的结构 都在同一个平面上 且排列成正多边形 张力学说 任何与109 28 正常键角的偏离都会使分子产生恢复正常键角的作用力 这种作用力就称为角张力 与正常键角的偏差越大 张力就越大 2 8 2环烷烃的燃烧热 燃烧热 1mol纯烷烃完全燃烧生成CO2和水时放出的热 每个 CH2 的燃烧热应该是相同的 约为658 6KJ mol 1 环上每molCH2的张力能 指环上每molCH2的燃烧热值与开链烷烃每molCH2的燃烧热值 659KJ mol 之差 2 8 3环丙烷的结构 成键方式 轨道在轴线 两核连线 之外头碰头 斜侧式重迭 重迭程度较小 形成的键比通常的 键弱 比 键强 称弯曲键 特点 弯曲键 重叠程度小 键能下降 从而产生角张力恢复正常 键的倾向 弯曲键 使电子云暴露在成键两原子的外侧 类似于烯烃中的 键 易受亲电试剂的进攻 角张力 anglestrain 环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力 所有C H键均为重叠式构象 有扭转张力 三员环的张力能是由以下几种因素造成的 1 由于二个氢原子之间的距离小于范德华半径之和 所以产生非键作用 non bondinginteraction 造成内能升高 2 轨道没有按轴向重迭 导致键长伸长或缩短 电子云重叠减少 造成内能升高 3 由于键角偏离平衡值引起的张力能 即角张力 4 由扭转角变化 全重叠构象 引起的 扭转张力 2 9环烷烃性质 2 9 1与烷烃相似的性质 2 9 2与烯烃相似的性质 催化加氢 与卤素的反应 与HX反应 环丙烷若环上有取代基时 与卤化氢的加成时 环的破裂发生在含氢最多和含氢最少 或取代基最多与最少 的两个碳原子之间 氢总是加在含氢多的碳上 卤原子加在含氢少的碳上 符合马氏规则 四碳环不易开环 在常温下与卤素 卤化氢不反应 小结 环丙烷比较活泼 类似烯烃 易于开环加成 但它不能被高锰酸钾氧化 可用此法区别环丙烷和烯烃 如 三元环不能使高锰酸钾溶液褪色 能使溴水褪色 思考题 如何鉴别丙烷 环丙烷 丙烯和丙炔 2 10烷烃和环烷烃的构象异构 定义 因碳碳单键的旋转引起分子中的原子 团 在空间产生不同的排列方式称构象 各种不同的空间排列互称为构象异构体 1 10 1乙烷的构象 能量分析 2H之间的距离 0 250nm0 229nm2H原子的范德华半径之和 0 24nm交叉式 0 250nm 0 24nm无范氏张力 重叠式0 229nm 0 24nm有范氏张力 所以稳定性比较 交叉式 重叠式 乙烷构象转换与势能关系图 能量最低的一种构象 称作优势构象 能量最高的一种构象 称作最不稳定构象 1 10 2正丁烷的构象 丁烷构象转换与势能关系图 稳定性 对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 完全重叠式 1 10 3环己烷的构象 环己烷的结构 环己烷6个杂化的碳原子不是呈平面六角形 而是居于多面上 每个C C C键角保持109o28 主要有椅式和船式两种排列方式 这两种构象都是很稳定无张力的环 环己烷的两个经典构象 船式和椅式 1 10 3 1椅式构象 特点 6个碳分别处于两个相互平行的平面上 其中 C1 3 5在一个平面上 C2 4 6在一个平面上 有一个对称轴垂直于这两个平面 所有的键都是正常的 键 所有的键角都是109 5 无角张力 所有相邻的碳上 C H键都处于交叉式位置 也无扭转张力 范氏张力 相互邻近氢之间的距离都大于两个氢原子的范氏半径之和0 24nm无范氏张力 12个C H键分为两类 其中6个与对称轴平行 垂直于两个平面 叫直立键 又叫a键 6个a键上下交替排列 另外6个与对称轴成109 5度 斜着伸向环的外侧 叫平伏键 又叫e键 6个e键也是上下交替排列 两个椅式构象可以自由翻转 翻转后 上面的三个碳转到下面 下面的三个碳转到上面 6个a键全部变成e键 6个e键全部变成a键 动画 椅式构象中C H键的顺反关系 1 10 3 2船式构象 特点 所有的键角都是10