《烷烃和环烷烃》PPT课件.ppt

有机化学OrganicChemistry 烷烃和环烷烃吉林大学化学教学与研究中心刘晓冬Email yxwh 2 1 第2章烷烃和环烷烃 碳 氢 烃 RH ArH 烷烃的结构 C H 110pmC C 154pm 2 2 2 1烷烃 C sp3杂化 四面体结构 各原子之间都以单键 即 键 相连 键角接近109 28 CH4的结构 109 28 Csp3 H1s 非极性分子 烷烃的分子结构 乙烷分子 2 3 推广 烷烃分子中 各C原子之间均是 Csp3 Csp3 C H之间均成 Csp3 H1s C原子的四个键接近正四面体分布 烷烃为非极性分子 烷烃的通式和同系列 烷烃的通式 CnH2n 2 2 4 同系物具有相似的化学性质 但反应速率往往有较大的差异 物理性质一般随碳原子数的增加而呈现规律性变化 同系列中的第一个化合物往往具有明显的特性 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 同系列中的化合物互为同系物 例 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 同系列 2 5 烷烃的异构现象 碳链异构 正戊烷m p 130 b p 36 1 异戊烷m p 160 b p 28 新戊烷m p 17 b p 9 5 由于组成分子的原子或基团连接顺序不同引起的 2 6 构象异构 乙烷分子中两个C原子围绕着C C单键做相对旋转时 可产生无数种不同的空间排列 这种空间排列称为构象 乙烷的两种极限构象如下 乙烷的构象 乙烷没有碳链异构 2 7 因构象不同而产生的异构现象称为构象异构 构象可以用锯架式和Newman投影式来表示 交叉式 重叠式 优势构象 最不稳定构象 原子间距离最远内能最低 最稳定 键电子云排斥 vonderwaals排斥力 内能最高 最不稳定 2 8 乙烷构象的能量曲线 室温时分子热运动 具有83 80kJ mol 1的动能 因此乙烷分子是处于交叉 重叠以及介于两者之间的无数构象的动态平衡混合体系 但各种构象体存在的比例不同 交叉式构象所占的比例最大 为优势构象 但仍无法分离得到 2 9 正丁烷的构象 2 10 对位交叉式部分重叠式邻位交叉式全重叠式 2 11 正丁烷构象的能量曲线 对位交叉部分重叠邻位交叉全重叠邻位交叉部分重叠对位交叉 2 12 正丁烷实际上是各种构象异构体的混合物 但对位交叉式为优势构象 此时四个碳原子呈锯齿形排列 正丁烷各种构象的能差不大 室温下可迅速转化 含更多碳原子的直链烷烃 其优势构象都类似正丁烷 为能量最低的对位交叉式 因此直链烷烃的碳链在空间的排列是锯齿形 C5H12 最稳定 最不稳定 2 13 2 14 说明 构象产生的原因 键的自由转动 构象有无数种 构象异构体不能分离 是同一化合物 极限构象 交叉式和重叠式 2 15 烷烃的命名 普通命名法 1 10碳用天干表示 天干 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 直链烷烃 10个碳原子以上用中文数字表示 己烷 十一烷 十四烷 2 16 凡末端具有 的结构 且无其他支链 用 异 iso 表示 异戊烷 异己烷 凡末端具有 的结构 且无其他支链 用 新 neo 表示 新己烷 2 17 系统命名法 饱和碳原子的四种类型 1 C 伯碳 一级碳 2 C 仲碳 二级碳 3 C 叔碳 三级碳 4 C 季碳 四级碳 2 18 碳原子种类的扩展 1 自由基 伯自由基 2 自由基 仲自由基 3 自由基 叔自由基 1 碳负离子 伯碳负离子 3 碳正离子 叔碳正离子 烷基的命名 烷烃 烷基 2 19 甲基 乙基 正 丙基 异丙基 正 丁基 仲丁基 异丁基 叔丁基 2 20 2 21 次序规则 顺序规则 将游离价所在的原子按原子序数大小排列 如 对同位素元素 比较相对原子质量 如 将原子或基团排列成序的规则 规则要点 Br Cl OH CH3 H T D H 对多原子基团 若游离价所在原子相同 则将它所连接其他原子排序 仍比较原子序数大小 直到比较出它们的顺序为止 如 CH3 CH2CH3 C H H H C C H H 2 22 含多重键 双键或叁键 的基团 可认为是与两个或三个相同的原子相连 2 23 CH2Cl CHF2 CH2CH2CH CH3 2和 CH2CH CH3 2 请比较 C C H H C C H H C C H H C C C H Cl F 练习 找出优势基团 OH NH2 COOH OH正丁基 异丙基叔丁基 新戊基 系统命名法 主链 选择最长的连续不断的碳链 母体 某烷 若可能存在几个等长的碳链时 选择取代基最多的碳链作主链 编号 从取代基靠近的一端开始 最近 若在主链两端等距离处同时遇到取代基 且取代基多于两个时 比较第二个取代基的位次大小 1 2 24 3 2 4 命名 将取代基的位置 数量 名称标于母体名称之前 相同的取代基合并 取代基不同时 按 由小到大 的顺序排列 最简 5 2 25 庚烷 庚烷 2 5 二甲基 2 3 5 三甲基 4 丙基 3 甲基 5 乙基庚烷 2 3 6 三甲基 4 丙基庚烷 1 2 3 4 最长链为主链取代基编号数最小 取代基最多的链为主链小基团排在前面 2 26 4 乙基辛烷 2 甲基 3 乙基己烷 3 异丙基己烷 4 乙基 辛烷 相同取代基合并 用大写数字表示 2 27 3 4 6 三乙基辛烷 由名称写结构式 2 3 二甲基 3 乙基己烷 CCCCCC CH3 CH3 CH2CH3 H3HH2H2H3 烷烃的物理性质 烷烃的性质 烷烃分子的结构特征与共性 非极性 极化度小 物态正烷烃C1 C4 g C5 C16 l C17 s 沸点和熔点正烷烃的沸点和熔点随碳原子数目的增加而升高 相同碳原子数的烷烃异构体中 取代基对称性较好的烷烃比直链烷烃的熔点高 物理性质 沸点 熔点 溶解度 密度 折光率 比旋光度等 2 28 2 29 密度小于1 0 6 0 8g cm 3 是密度最小的一类有机物 溶解度烷烃分子为非极性分子 不溶于水 易溶于低极性的有机溶剂 如苯 CCl4 氯仿 烷烃的化学性质 CH电负性2 52 2 sp3杂化已饱和不能加成 低极性共价键不易发生异裂 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 甲烷的卤代反应 有机化合物中某一原子或基团被其他原子或基团替代的反应称为取代反应 被卤素取代的反应称为卤代反应 2 30 反应速率 F2 Cl2 Br2 I2 不反应 甲烷的卤代反应机理 反应机理 对反应过程的详细描述 旧的共价键如何断裂 新的共价键怎样形成 烷烃的卤代反应是自由基链反应 中间体 自由基 2 31 243kJ mol 1 4 2kJ mol 1 109kJ mol 1 2 32 甲烷氯代链传递势能变化图 过渡态 势能最高处的原子排列 Ea 活化能 H 反应热 Ea1 16 8kJ mol 1 H1 4 2kJ mol 1Ea2 4 1kJ mol 1 H2 109kJ mol 1 2 33 过渡态理论 在化学反应中 反应物相互接近 总是先达到一势能最高点 活化能 相应结构称为过渡态 然后再转变为产物 例 甲烷氯代机理步骤 2 过渡态 势能增加 势能降低 势能最高 2 34 2 35 烷烃的卤代反应取向 CH3自由基 C sp2杂化 自由基的稳定性与C所连基团的多少有关 事实1 43 57 活性 2 H 1 H 自由基的稳定性 2 1 甲基自由基的结构 2 36 事实2 自由基的稳定性 3 2 1 CH3 3 97 烷烃卤代卤素的选择性 Br2 Cl2 2 37 小结 烷烃卤代反应是自由基链反应 整个反应经历链引发 链增长和链终止三个过程 自由基的稳定性顺序为 3 2 1 CH3 因此 烷烃中各级H的活性为 3 H 2 H 1 H 卤素反应活性顺序为 F2 Cl2 Br2 I2 卤素的选择性顺序为 Br2 Cl2 思考题 1 由环己烷卤代制备一卤代环己烷 选择Cl2还是Br2 为什么 2 由甲基环己烷卤代制备1 甲基1 卤代环己烷 选择Cl2还是Br2 为什么 2 38 分类 2 2环烷烃 2 39 分类和命名 单环 多环 小环 C3 C4 普通环 C5 C6 中环 C7 C12 大环 C12 螺环 桥环 命名 单环环烷烃的命名与烷烃相似 只是在母体名称前加 环 字 由饱和碳原子组成的环烃 2 40 环丙烷 环戊烷 环己烷 若环上有取代基 按取代基位次最小原则对环碳原子编号 结构复杂时 可将环作为取代基 1 甲基 2 乙基环戊烷 2 甲基 5 环丁基己烷 2 41 环烷烃的性质 小环环烷烃 活泼 易开环 但不与KMnO4反应 2 42 小环的催化加氢反应 打开一根C C键 主要产物 离子型 加成反应 自由基取代反应 注意区分 小环化合物与卤素的反应 2 43 小环化合物与HI或H2O H2SO4的反应 2 44 2 45 环烷烃的结构 环烷烃的稳定性和Baeyer的张力学说 1885年 德国AvonBaeyer提出了张力学说 成环碳原子共平面 碳原子与其他原子成键时 如果偏离正常键角 单键为109 28 就会产生一种张力 角张力 偏离角越大 角张力越大 环越不稳定 60 偏离大 90 偏离小 108 接近 120 应比环戊烷不稳定 现代理论认为 C sp3杂化 当键角109 5 时 最大重叠 105 60 2 46 环丙烷 60 偏离正常键角 有恢复正常键角的倾向 形成弯曲键 弯曲键具有 电子云重叠程度小 有趋向电子云重叠最大的一种力量即张力 电子云分布在键轴的外侧 易受亲电试剂的进攻 而发生亲电加成反应 2 47 事实上 除环丙烷外 其他环烷烃的环碳原子均不在同一平面上 例如 环丁烷是蝴蝶型结构 Baeyer的张力学说仅适用三元环 近似地适用四元环 六元环以上的环无张力 张力学说不适用 单环环烷烃的立体结构 顺反异构 环阻碍C C键的旋转 产生了顺反异构 环己烷的构象异构 2 48 环己烷 C6H12 椅型构象 船型构象 6个C不共平面 C sp3杂化 C6H12 1 C6H12 2 49 椅型构象 船型构象 251pm 183pm 优势构象 29 7kJ mol 1 2 50 环己烷椅型构象的翻转 椅型环己烷 12个C H 6个a键 竖键 直立键 6个e键 横键 平伏键 环己烷椅型构象的翻转可使a e e a 但在转化的过程中 键的指向 向上或向下 不变 环己烷椅型构象的翻转 单取代环己烷的构象分析 甲基环己烷的构象 CH3与C3为对位交叉 优势构象 室温时占95 CH3与C3为邻位交叉 1 3 竖键作用 2 51 2 52 叔丁基环己烷的构象 1 3 竖键作用非常大 优势构象室温 100 2 53 cis 1 2 二甲基环己烷 二取代环己烷的构象分析 trans 1 2 二甲基环己烷 能量相等 优势构象 e a a e a a e e