有机化学第2章烷烃.ppt

第二章烷烃 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 烷烃的构型 构象 构象式的表示法烷烃卤代的自由基机理 链引发 链传递和链终止反应的势能变化 过渡态理论卤代反应的选择性 卤代反应活性顺序的解释 自由基的稳定性 烃 只由碳 氢两种元素组成 碳氢化合物 开链烃 碳原子相连成链状的烃 叫脂肪烃 饱和脂肪烃叫烷烃 饱和烃 烃分子中碳原子间都是单健相连 碳原子的其余价健都为氢原子所饱和的化合物 2 1同系列和同分异构 1 同系列 homologousseries 烷烃结构通式 CnH2n 2 凡具有同一个通式 结构相似 化学性质也相似 组成上相差一个或几个CH2 亚甲基 物理性质则随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物系列 2 同分异构 构造异构 官能团异构 甲醚 乙醇 碳链异构 Skeletalisomer 直链和支链的异构 构造异构体物理性质有一定的差异 直链烃的沸点比带有支链的构造异构体的高 正丁烷 沸点 0 5 异丁烷 沸点 10 2 烷烃中碳原子和氢原子的分类 伯 仲 叔 季碳原子 伯氢 仲氢 叔氢 伯碳原子 一级碳原子 1 直接与一个碳原子相连 仲碳原子 二级碳原子 2 直接与二个碳原子相连 叔碳原子 三级碳原子 3 直接与三个碳原子相连 季碳原子 四级碳原子 4 直接与四个碳原子相连 2 2烷烃的命名 母体名称 取代基名称 位置和数目选择主链 主链上碳原子编号 最低系列 编号方法 取代基排列顺序 普通命名法 系统命名法 IUPAC命名原则 烷基名称 烷基 烷烃分子从形式上消除一个氢原子剩下的原子团 烷基的通用符号 R 烷基甲基Me乙基Et丙基n Pr异丙基i Pr丁基n Bu异丁基i Bu仲丁基s Bu叔丁基t BuAr 芳基Ph 苯基 Ac 乙酰基 选择主链 2 3 7 三甲基 6 异丙基 4 异丁基壬烷 具有相同长度的链可作为主链时 则应选定具有支链数目最多的碳链 烷基大小的次序 甲基 乙基 丙基 丁基 戊基 己基 最低系列 编号方法 按上方的编号系列 取代基位次位2 6 8按下方的编号系列 取代基位次位2 4 8 a 支链烷基名称和位置写在前 b 小基团在前 大基团在后 c 相同基团合并 以汉字二 三 四等标明数目 d 表示位置的数字间要用逗号隔开 位次和取代基名称之间要用 半字线 隔开 写出名称 2 3烷烃的结构 分子结构 分子中原子间的排列次序 原子相互间的立体位置 化学键的结合状态以及分子中电子的分布状态等各项内容在内的总称 构型 一定构造的分子中原子在空间的排列状况 构造 分子中原子间的排列次序 甲烷分子 CH4 构型 正四面体型 键角109 5 构造的表示方法 Kekule结构式 lewis结构式 构型 分子立体结构 的表示方法 楔形透视式 锯架透视式 纽曼式 Newman 甲烷分子 CH4 构型 楔形式 甲烷分子构造 Kekule结构式 IUPAC建议 即正常粗细的线表示在纸平面上的键 楔形实线表示伸出纸面向前 虚线表示伸向纸后方的键 甲烷分子构型的解释 sp3杂化 C原子核外电子排布 1s22s22p2 碳原子形成烷烃时电子激发杂化 s 3p 杂化轨道 4sp3 形成4个完全相等的sp3杂化轨道 每两个杂化轨道之间的夹角都是109 28 sp3轨道和甲烷分子的形成 乙烷分子的结构 键 C H C C键中成键原子的电子云沿轴向重叠 成键的电子云沿键轴近似于园柱形对称分布 成键原子可绕键轴旋转 2 4烷烃的构象 构象和构象异构体 构象 由于围绕单键旋转而产生的分子中的原子或基团在空间的不同排列状况 描述立体构象的几种方式 纽曼投影式透视式 p24 构象分析 分析可能的构象 优势构象 内能最低 乙烷的构象 交叉式构象 扭曲式构象 重叠式构象 交叉式构象 原子间距离最远内能较低 重叠式构象 C H键电子云排斥 vonderwaals排斥力 内能较高 有无数个 最稳定 最不稳定 氢原子间的vonderwaals排斥力 乙烷构象转换与势能关系图 构象之间转化所需要克服的能垒 扭转能 单键的自由旋转 并不是完全自由的 重叠式构象或其它非交叉式构象分子中存在着扭转张力 电子云排斥相邻两H间的vonderwaals排斥力具有这种构象的分子有转化成稳定的构象而消除张力的趋势 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 邻位交叉式 gauche 甲基间距离最远 最稳定 较不稳定 较稳定 甲基间距离最近 最不稳定 丁烷构象转换与势能关系图 规律 大基团总是占据反位 是对位交叉 最稳定 最不稳定 2 5烷烃的物理性质 烷烃的沸点 随分子量增加而升高 同分异构体中 分支程度愈高 沸点越低 正丁烷 沸点 0 5 异丁烷 沸点 10 2 烷烃的熔点 碳原子数目增加 熔点升高 含偶数的烷烃的熔点比奇数的升高多一些 分子的对称性越大 在晶格中排列愈紧密 分子间作用力愈强 熔点越高 小结 熔点 沸点 溶解度变化规律的解释 分析分子间的作用力 分子间的引力称为范德华引力 静电引力 氢键 诱导力和色散力 烷烃的溶解度 相似相溶 原理 非极性或弱极性分子 不溶于极性溶剂 溶于非极性溶剂 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烷烃的化学性质 卤代反应 卤代反应历程 以甲烷氯代为例 氧化反应 异构化反应 裂化反应 热裂化反应 催化裂化 裂解p29 1 卤代反应 烷烃卤代反应的相对活性 伯 仲 叔氢的反应活性 烷烃氯代反应的选择性 若伯氢 仲氢氯代反应的活性一样 则两种一氯代烃的产率 理论上为 6 2 3 1 但实际上为 43 57 1 1 33 说明伯氢 仲氢氯代反应的活性是不一样的 仲氢比伯氢活泼 设仲氢相对于伯氢的反应活性为x 类似地 叔氢相对于伯氢的反应活性y 复杂的混合物 氯代反应在合成上意义不大 溴代选择性 127oC 3oH 2oH 1oH 1600 82 1 烷烃溴代反应的选择性 溴代产物单一 在合成上可用溴代来制备卤代烃 问题 如何解释上述反应的选择性 小结 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 选择性 3oH 2oH 1oH CH4 温度升高 选择性变差 不同卤素的反应选择性 溴代比氯代更具有选择性 合成上溴代更具有应用价值 p31 p32 过渡态理论 化学反应 基元反应 是一个由反应物逐渐变为产物的连续过程 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 B C键伸长变弱 部分断裂 A B键部分生成 体系的能量升至最大 过渡态 反应进程 位能曲线图 反应进程中体系能量的变化 活化能 E反应热 E 正反应 E 逆反应 可由键的解离能来估算 p34 决定反应速度的是活化能E 是能垒高度 而非反应热 自由基型链反应 freeradicalchainreaction 2 卤代反应 反应历程 以甲烷为例 烷烃卤代机理的决速步骤 以氯代为例 决速步骤 过渡态 势能增加 势能降低 势能最高 烷烃卤代的决速步骤 甲烷氯代的势能变化图 过渡态 势能最高处的原子排列 Ea 活化能 activationenergy DH 反应热 活性中间体 原因 决速步骤的中间体 自由基 的相对稳定性 2o 1o 中间体自由基愈稳定 决速步聚活化能愈小 决速步聚愈快 用过渡态理论解释 3oH 2oH 1oH CH4 卤代反应中不同类型氢的反应活性 卤代的选择性 过渡态理论 决定反应速度的是活化能E 是能垒高度 比较伯氢 仲氢卤代反应 决速步骤