有机化学第二章烷烃和环烷烃.ppt

OrganicChemistry有机化学 第二章烷烃和环烷烃 烷烃 Alkane 第二章烷烃和环烷烃 2 1烷烃和环烷烃的通式和构造异构2 2烷烃和环烷烃的命名2 3烷烃和环烷烃的结构2 4烷烃和环烷烃的构象2 5烷烃和环烷烃的物理性质2 6烷烃和环烷烃的化学性质2 7烷烃和环烷烃的来源和制法 2 6烷烃和环烷烃的化学性质 2 6 1自由基取代反应 1 卤化反应及机理 2 卤化反应的取向与自由基的稳定性 3 反应活性与选择性2 6 2氧化反应2 6 3异构化反应2 6 4裂化反应2 6 5小环环烷烃的加成反应加氢 加溴 加溴化氢 烃 hydrocarbons 烃 只含有C H两种元素的化合物 碳氢化合物 碳氢 烃 烃的分类 按分子中C原子的结合方式 可以分为 含有碳碳双键或叁键的碳氢化合物 烯烃 炔烃等 饱和烃 不饱和烃 unsaturatedhydrocarbons saturatedhydrocarbons 环丙烷 环己烷 仅含有C C单键的碳氢化合物 环烷烃 cycloalkanes 烷烃 alkanes 甲烷 乙烷 烃的分类 按分子中碳骨架分类 可以分为 脂肪烃 脂环烃 unsaturatedhydrocarbons saturatedhydrocarbons 环丙烷 环己烷 丙烯 丁烷 2 1烷烃和环烷烃的通式和构造异构 2 1 1烷烃和环烷烃的通式 烷烃的通式 CH2 n 2 CnH2n 2 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 methane ethane propane butane 环烷烃的通式 环戊烷 环己烷 环丙烷 环丁烷 环烷烃的通式 CH2 n CnH2n 2 1 2烷烃和环烷烃的构造异构 C4H10 C5H12 异丁烷 正丁烷 异戊烷 正戊烷 新戊烷 直链烷烃 支链烷烃 碳骨架异构 同分异构及构造异构 同分异构体 isomers 分子式相同 结构不同的化合物构造异构体 constitutionalisomers 分子式相同 分子中原子键合次序不同的化合物 异丁烷 正丁烷 C4H10 环烷烃的构造异构 C5H10 环烷烃C5H10的构造异构体 2 2烷烃和环烷烃的命名 2 2 1伯 仲 叔 季碳原子和伯 仲 叔氢原子 nomenclatureofalkanesandcycloalkanes 伯碳 1o 仲碳 2o 叔碳 3o 季碳 4o 2 2 1伯 仲 叔 季碳原子和伯 仲 叔氢原子 伯氢 1o 仲氢 2o 叔氢 3o 环烷烃 伯碳 1o 仲碳 2o 叔碳 3o 季碳 4o 伯氢 1o 仲氢 2o 叔氢 3o 烷基和环烷基 烷基 alkylgroups 烷烃中去掉一个H原子剩余的部分 甲烷 甲基 methane 甲基缩写 甲烷 Me 烷烃分子从形式上去掉一个氢原子所剩下的基团叫做烷基 用R表示 如 烷基 Methyl Me Ethyl Et n Propyl n Pr i Propyl i Pr n Butyl n Bu i Butyl i Bu s Butyl s Bu t Butyl t Bu Neopentyl neo 烷烃分子从形式上去掉两个氢原子所剩下的基团叫做亚烷基 如 2 2 3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 普通命名法 分别用甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸表示碳原子数在10个以下的碳的数目 C原子数大于10的用十一 十二等数字表示 用 正 异 新 分别表示直链 一端具有异丙基和叔丁基的构造异构体 正 戊烷 异戊烷 新戊烷 C5 C5 烷烃的普通命名 C5 C7 C20 碳原子数为10以上时用大写数字表示 以甲烷为母体 把其它的烷烃看作是甲烷的衍生物 选择连接烷基最多的C原子作为母体甲烷按照 先小后大 的原则将各个烷基依次列出 二甲基乙基甲烷 二甲基乙基异丙基甲烷 2衍生命名法 系统命名法 InternationalUnionofPureandAppliedChemistry 缩写作IUPAC1980年出版的 有机化学命名原则 直链烷烃的命名与普通命名法相似 去掉 正 支链烷烃的命名分三步 选主链 定编号 正名称 遵循 从简就低大让小名构对应守规矩 支链烷烃的命名 a 选择主链 确定母体 选取最长的碳链作为主链 有多条碳链可选 选取含支链最多的 根据主链的碳原子数 称 某 烷 庚烷 辛烷 支链烷烃的命名 a 选择主链 确定母体 选取最长的碳链作为主链 有多条碳链可选 选取含支链最多的 根据主链的碳原子数 称 某 烷 3 异丙基己烷 2 甲基 3 乙基己烷 b 为主链上的碳原子编号 从最靠近支链一端依次用阿拉伯数字编号 当编号有几种可能时 要使支链的位次号较小 符合 最低系列 规则 5 乙基辛烷 4 乙基辛烷 b 为主链上的碳原子编号 从最靠近支链一端依次用阿拉伯数字编号 当编号有几种可能时 要使支链的位次号较小 符合 最低系列 规则 4 7 二甲基 3 乙基壬烷 3 6 二甲基 7 乙基壬烷 不同基团编号相同时 使小取代基编号最小 6 甲基 3 乙基辛烷 3 甲基 6 乙基辛烷 c 确定化合物的名称 将取代基的位次号和名称写在烷烃名称的前面 当含有不同的取代基时 按照 次序规则 将 优先 的基团列在后面 当含有几个相同的取代基时 用 一 二 三 表示其个数 逐个标明其位次号 所有表明位次号的阿拉伯数字之间用逗号分开 数字与汉字之间半字线 隔开 实例 3 4 6 三乙基辛烷 3 7 二甲基 4 乙基壬烷 更多实例 2 2 5 三甲基己烷 4 4 二甲基 1 环戊基戊烷 8 甲基 7 乙基 2 甲氧基 3 氯 4 溴壬烷 2 2 8 三甲基 7 7 二乙基 3 异丙基壬烷 含支链的取代基的命名 仲丁基1 甲基丙基 2 7 二甲基 4 仲丁基辛烷 2 7 二甲基 4 1 甲基丙基 辛烷 2 2 4环烷烃的命名 单 环烷烃 通式 CnH2n 桥环烃 稠环 桥环烃 螺环烃 与烯烃通式相同 联环烷烃 两个环共用一个原子为螺环 共用一个以上原子为桥环 2 2 4环烷烃的命名 环烷烃的命名与烷烃相似 称 环某烷 环上的支链作为取代基 当有多个取代基时 使所有的取代基位号尽可能小 1 甲基 3 乙基环己烷 1 1 二甲基 3 异丙基环戊烷 螺环的命名 螺环编号 从靠近螺原子开始 先小环后大环 螺 4 5 癸烷 spiro 4 5 decane 除螺C外的碳原子数 用 隔开 取代基编号取最小 6 甲基螺 4 5 癸烷 螺环的命名 1 6 二甲基螺 4 5 癸烷 1 甲基螺 3 5 5 壬烯 桥环的命名 桥头碳 几个环共用的碳原子 环的数目 断裂二根C C键可成开链烷烃为二环 断裂三根C C键可成开链烷烃为三环桥环碳原子数 不包括桥头C 由多到少列出 中间使用 分隔环的编号方法 从桥头开始 先长链后短链 二环 4 3 0 壬烷 环的数目 桥头间的碳原子数 桥环化合物碳原子数 桥环命名实例 二环 2 2 1 庚烷 二环 4 4 0 癸烷 2 7 7 三甲基二环 2 2 1 庚烷 8 甲基二环 4 3 0 壬烷 更多实例 10 甲基 2 氯二环 3 3 2 癸烷 2 6 二甲基 2 溴二环 2 2 1 庚烷 二环 4 1 0 庚烷 1 2 二甲基 3 乙基 6 氯二环 3 2 1 辛烷 多环烷烃 Prismane 棱烷 Cubane 立方烷 Housane 房烷 五棱烷 Adamentane 金刚烷 Basketane 篮烷 四环 2 2 0 02 6 03 5 己烷 五环 4 2 0 02 5 03 8 04 7 辛烷 六环 4 4 0 02 5 03 9 04 8 07 10 癸烷 三环 3 3 1 13 7 癸烷 五环 4 4 0 02 5 03 8 04 7 癸烷 2 3烷烃和环烷烃的结构 2 3 1 键的形成及其特性 碳原子采取sp3杂化 s轨道成分 1 4 p轨道成分 3 4 4个C H 键 sp3 1s 键 甲烷的球棍模型 甲烷的比例模型 甲烷的模型 乙烷的结构 乙烷中的成键 1个C C 键 6个C H 键 键的特性 键呈圆柱形对称 键能较大 可极化性小 可沿键轴自由旋转 由于 键是沿成键轨道方向交盖而成 C C C的键角保持接近109 5 因此直链烷烃的形状是曲折形 而不是直线形 正十五烷 正丁烷的球棒模型和比例模型 2 3 2环烷烃的结构与稳定性 环烷烃通式为CnH2n 即 CH2 n 每个单元燃烧热应相同 摩尔燃烧热 是指1mol化合物在氧气中完全燃烧所放出的热量 890kJ mol 1 一些环烷烃的燃烧热 环烷烃的稳定性 普通键 角张力 anglestrain 环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力 环丙烷 Newman投影式 透视式 所有C H键均为重叠式构象 有扭转张力 环丁烷 环戊烷 环己烷 构象与构象异构体 由于 键呈圆柱状对称 C 单键能够发生旋转 由此而导致的分子中的其它原子或基团在空间的排布方式不同 分子的这种立体形状 构象 conformation 由此产生的异构体 构象异构体 conformers 描述立体结构的几种方式 透视式Wedge and dash 锯架式Sawhorse Newman投影式NewmanProjection 纽曼 Newman 投影式写法 1 2 3 2 4烷烃和环烷烃的构象 2 4 1乙烷的构象 H的vonderwaals半径 1 2 2 3 小于两个氢的vonderwaals半径之和2 4 交叉式构象 扭曲式构象 重叠式构象 staggeredconformer skewedconformer eclipsedconformer 乙烷构象转换与势能关系图 旋转中须克服能垒 扭转张力电子云排斥相邻两H间的vonderwaals排斥力 一般情况下 乙烷分子绝大部分时间以稳定构象形式存在 2 4 2丁烷的构象 交叉式 anti 反交叉式 部分重叠式 邻位交叉式 gauche 全重叠式 eclipsed 丁烷构象与势能关系图 动画 稳定性 对位交叉 邻位交叉 部分重叠 全重叠 丁烷构象与势能关系图 2 4 3环己烷的构象 环己烷的碳骨架不是平面结构 有两种典型构象 椅型构象 船型构象 椅式构象与船式构象 椅式构象 chairform 船式构象 boatform C2 C3 C5 C6共平面 两者互为构象异构体 a键与e键 12个C H键分为两类 6个C H键处于直立键 a键 6个C H键处于平伏键 e键 a键 e键 二个平面 C1 C3 C5原子在一个平面上 C2 C4 C6原子在另一个平面上 axialbond equatorialbond 椅式构象 H H的VanderWaal s半径之和2 4 在椅式构象中H原子之间的距离大于此值 a键和e键的相互转换 翻转后 原来的a键转变为e键 而e键转变为a键 船式构象 有几组H H之间距离小于H的VanderWaal s半径之和 2 40 图2 16环己烷的构象翻转 1 3 直立键相互作用 次要作用 CH3与C3为对位交叉 CH3与C3为邻位交叉 取代基处在a键上时 取代基和环上碳原子处于邻位交叉式 取代基越大 它处于e键的构象越稳定 构象间的平衡 优势构象 1 3 竖键作用非常大 2 5烷烃和环烷烃的物理性质 物理性质物态 气体 液体 固体 沸点 b p 熔点 m p 密度 比重 溶解度 水中溶解度 有机溶剂中 折光率 物理常数 单一纯净的有机化合物在一定的条件下其物理常数为固定值 据此可以分离和鉴定有机化合物 烷烃和环烷烃 大多为无色 有一定气味的液体 直链烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高 沸点与分子间作用力 vanderWaals力相关 相对分子质量大的分子 其表面积增大 分子间vanderWaals力 色散力增大 其沸点随之升高 2 5 1沸点 当C原子数相同时 含支链越多的烷烃 相应的沸点越低 沸点 36 1 27 9 9 5 烷烃熔点的变化基本上与沸点相似 直链烷烃熔点随相对分子质量的增加而升高 偶数碳原子烷烃比奇数原子烷烃的熔点升高较多 烷烃的熔点与分子中所含碳原子数的关系 2 5 2熔点 烷烃熔 沸点关系图 C原子数相同烷烃的不同异构体 对称性较好的异构体具有较高的熔点 熔点 130 160 17 当C数相同时 环烷烃的沸点 熔点均高于烷烃 因为后者具有较大的刚性和对称性 熔点的变化 CH电负性2 52 2 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 sp3杂化已饱和不能加成 低极性共价键H酸性小不易被置换 2 6烷烃和环烷烃的化学性质 分子中的某个原子或基团被其他原子或基团所取代的反应 取代反应 通过自由基取代H原子的反应 自由基取代反应 2 6 1自由基取代反应 卤化反应 halogenation 也叫卤代反应 卤化氢 1 卤化反应 halogenation 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 有O2存在时反应延迟 过后正常 延迟时间与O2量有关 烷烃 卤素 卤代烷 在漫射光或热的作用下 甲烷发生氯代反应 甲烷的氯化较难停留在一氯化阶段 产物为四种氯甲烷的混合物 氯气过量时主要得到四氯化碳 甲烷过量时主要得到一氯甲烷 甲烷的氯化 烃卤化反应的更多例子 2 卤化的反应机理 烷烃的氯化是一个连锁反应 也叫链反应 一般说 链反应分为链引发 链增长和链终止三个阶段 链引发 链终止 链增长 3 卤化反应的取向与自由基的稳定性 氯代反应的选择性 选择性 2 1 3 7 1 选择性 3 1 5 1 氯代选择性 3oH 2oH 1oH 5 0 3 7 1 只考虑氢原子的类型 忽略烷烃结构的影响 溴的选择性 选择