《有机化学》徐寿昌_第二版_第2章_烷烃.ppt

第二章烷烃 Alkane 本章主要内容1 烷烃的定义与同分异构现象2 烷烃的系统命名法 3 烷烃的结构及构象 表示方法与稳定性 4 烷烃的化学性质 氧化 异构化 裂解 取代 5 自由基的稳定性与自由基反应历程 1 开链烃 链烃 又叫脂肪烃 包括 烷烃 烯烃 二烯烃 炔烃等 闭链烃 环烃 包括 脂环烃和芳香烃两类 分子中只含有C H两种元素的有机化合物叫碳氢化合物 简称烃 hydrocarbon 2 0前言 一 烃的定义 二 烃的分类 2 1 烷烃 分子中除C C单键相连外 其它价键都被氢原子所饱和的碳氢化合物 也叫饱和烃 根据含C原子数目依次叫甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 名称分子式构造式构造简式 2 1烷烃的通式 同系列和构造异构 3 2 烷烃的通式直链烷烃分子中 n个 CH2 基团 亚甲基 连成碳链 碳链两端再连有两个氢原子 因此直链烷烃的通式可写为 H CH2 n H或 CnH2n 2 3 烷烃的构造异构 构造异构 分子式相同 但分子中各原子相连的方式和次序不同的化合物 互称为构造异构体 CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3CH3 例如 碳架异构 4 烷烃分子从丁烷开始出现构造异构 构造异构体之间是不同的化合物 物理性质及化学性质不同 乙烷可看成甲烷上的一个H被甲基 CH3取代 丙烷可看成乙烷上的一个H被甲基 CH3取代 丁烷可看成丙烷上的一个H被甲基 CH3取代 5 戊烷可看成是正丁烷和异丁烷上的一个H被 CH3取代的产物 正戊烷 异戊烷 新戊烷互为同分异构体 随着碳原子数的增加 烷烃的构造异构体的数目也越多 6 烷烃的通式CnH2n 2 直链烷烃的通式可写为 H CH2 n H同系物 在组成上相差一个或多个CH2 且结构和性质相似的一系列化合物称为同系列 同系列中的各化合物互称同系物 系差 同系列相邻的两个分子的差值CH2称为系差 表2 1中的化合物都是烷烃同系列中的同系物 4 同系物与系差 7 伯碳原子 第一碳原子 用 1 表示 仲碳原子 第二碳原子 用 2 表示 叔碳原子 第三碳原子 用 3 表示 季碳原子 第四碳原子 用 4 表示 例1 5 烷烃中碳原子及氢原子的分类 其中 与伯 仲 叔碳原子相连的H原子分别称为伯 仲 叔H原子 8 伯碳原子 第一碳原子 primary 仲碳原子 第二碳原子 secondary 叔碳原子 第三碳原子 tertiary 季碳原子 quaternary 例2 英文表示 9 烷基 烷烃去掉一个氢原子后的原子团 用R 或CnH2n 1 表示 因此 烷烃也可用通式RH表示 伯烷基 直链烷烃去掉一个末端氢原子后的原子团 用 正 或n 代表 甲基 CH3 乙基 CH3CH2 正丙基 CH3CH2CH2 仲烷基 烷烃去掉一个仲氢原子所得的烷基 用 仲 或sec 表示 6 烷基的命名 仲丁基sec 丁基 10 叔烷基 烷烃去掉一个叔氢原子所得的烷基 用 叔 或 t 表示 叔丁基t 丁基 叔戊基t 戊基 异烷基 n 0 型的烷基 用 异 或 iso 表示 异丙基 异丁基 异戊基 新戊基 伯 仲 叔系列正 异 新系列 11 Me 甲基 MethaneAr 芳基Et 乙基 EthanePh 苯基Pr 丙基 PropaneAc 乙酰基i Pr 异丙基 R 烷基n Bu 正丁基Butanet Bu 叔丁基 三级丁基 常用烷基等基团的英文简写 normal正 isomer异 primary伯 secondary仲 tertiary叔 课堂练习 写出下列基团的结构式 a 正丁基b 异丁基c 仲丁基d 叔丁基 12 直链烷烃 根据碳原子数命名 甲烷 乙烷 丙烷 支链烷烃 异构体 2 2烷烃的命名 一 习惯命名法 正戊烷异戊烷新戊烷 正丁烷 异丁烷 13 HHCH3CH3 C CH3CH3 C CH2CH3CH3 C CH3CH3CH3CH3异丁烷异戊烷新戊烷三甲基甲烷二甲基乙基甲烷四甲基甲烷 1 直链烷烃按碳原子数命名 10以内 用天干 甲乙丙丁戊己庚辛壬癸 10以上 用中文数字 十一 烷 二 衍生物命名法 烷烃可看成甲烷的衍生物 三 系统命名法 IUPAC 14 第一步 选择主链 把构造式中连续的最长碳链作为母体 以最长碳链的碳原子数目称为某烷 若最长碳链不止一条 选择其中含较多支链的为主链 最长连续碳链有八个碳原子 该化合物母体的名称为辛烷 例1 2 带有支链的烷烃的系统命名 15 六个碳的主链上有四个取代基六个碳的主链上有两个取代基 例2 正确主链 不正确 16 从最接近取代基的一端开始将主链碳原子用阿拉伯数字1 2 3 编号 使取代基的位次最小 编号正确编号不正确 第二步 给带有支链的烷烃编号 17 第一个取代基位置相同时 从结构简单的取代基开始编号 次序规则 CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CH3CH2CH33 甲基 5 乙基庚烷 多取代基时 编号时应使取代基位次加和值最小 最低系列原则 CH3CHCH2CHCH2CH2CHCH3CH3CH3CH32 4 7 三甲基辛烷 1 1 18 a 用阿拉伯数字在取代基名称前标明位次 2 甲基 b 有不同取代基时 按次序规则 简单的放在前面 复杂的放在后面 c 相同的取代基合并 取代基数目用二 三 表示 位次数字之间用逗号 隔开 位次与基名之间用短线 相隔 最后一个基名和母体名称直接相连 第三步 命名取代基 19 取代基 3 甲基5 乙基 取代基 2 5 二甲基3 4 二乙基 取代基位次 取代基名称 取代基数目 例如 20 例1 CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CH33 甲基 5 乙基辛烷CH2CH2CH3 注意编号 例2 CH3CH2CH CHCH2CH3CH3 CHCHCH32 5 二甲基 3 4 二乙基己烷CH3CH3 注意主链 1 1 21 CH3CH CHCH2CHCH2CH3CH3CH3CH2CH CH3CH3 请同学们给出下面烷烃的系统名称 课堂练习 2 3 二甲基 5 异丁基庚烷 不是最长碳链 取代基不是最多 2 3 二甲基 5 乙基 7 甲基辛烷 取代基未合并 2 6 7 三甲基 4 乙基辛烷 取代基位次和不是最小 5 乙基 2 3 7 三甲基辛烷 不符合次序规则 2 甲基 4 乙基 6 异丙基辛烷 不是最长碳链 取代基不是最多 2 3 7 3甲基 5 乙基辛烷 合并取代基未用汉字二 三 四等标示 2 3 7 三甲基 5 乙基辛烷 正确的名称 22 2 3 1甲烷的结构和sp3杂化轨道 球棒模型 Stuart模型 2 3烷烃的结构 23 sp3杂化轨道 一个s轨道与三个p轨道形成四个sp3杂化轨道 不对称性 24 成键电子云围绕键轴呈圆柱形对称分布的键均称为 键 以 键相连的两个原子可以相对旋转而不影响电子云的分布 键结合牢固 甲烷的四个C H 键及 键的特点 键 25 乙烷分子中C C 键 C H 键用直线表示 2 3 2其它烷烃的结构 乙烷的C C 键 Stuart模型 球棒模型 乙烷的结构 6个C H 键1个C C 键 26 经测定 除乙烷外 其它烷烃分子的碳链并不排布在一条直线上 而是曲折地排布在空间 这是烷烃碳原子的四面体结构所决定的 如丁烷的结构 烷烃分子中各原子之间都以 键相连接的 所以两个碳原子可以围绕 键键轴相对旋转 形成了不同的空间排布 在室温下烷烃 液态 的各种不同排布方式在不断地互相转变 球棒模型 27 键线式 只写出锯齿形骨架 用锯齿形线的角 120 及其端点代表碳原子 不写出每个碳上所连的氢原子 但除碳原子外的其它原子 团 必须写出 烷烃分子结构的书写 键线式 构造式与构造简式 键线式 构造简式 系统名称 28 2 4 1乙烷的构象 1 球棒模型乙烷的交叉式构象 球棒模型一 2 4烷烃的构象构象的概念 分子通过单键的旋转而引起分子中各原子在空间相对位置不同 即排列方式不同 的现象 29 乙烷的重叠式构象 球棒模型二 重叠式 交叉式构象比较 氢原子间距不同 30 3 纽曼投影式 从键轴延长线观察 重叠式构象交叉式构象 重叠式构象交叉式构象 2 透视式 从斜侧面观察 构象的表示法 31 构造 构型与构象的区别 构造 constitution 组成分子的各原子间的连接顺序 构型 configuration 一定构造的分子中 原子和基团在空间的排布 构象 conformation 一定构型的分子中 由于单键的旋转而导致原子和基团在空间的不同排布 构型是固定的 而构象一般是瞬间的 构型的变化须破坏化学键 而构象的变化则不会发生键的断裂 32 乙烷分子各种构象的能量曲线 交叉式稳定 12 6kJ mol 33 丁烷的结构 模型 2 4 2丁烷的构象 键线式 Stuart模型 构造式 34 丁烷的构象 看成乙烷的两个端氢被甲基取代 35 丁烷C 2 C 3 键旋转引起的各构象的能量变化 36 丁烷C 2 C 3 键旋转引起的各构象的能量变化对位交叉式最稳定 全重叠式最不稳定 37 2 5烷烃的物理性质 1 沸点 直链烷烃 直链烷烃 随着烷烃相对分子量的增加 分子间的作用力也增加 其沸点也相应增高 分子间的作用力 氢键和vanderwaals力 偶极 偶极作用 色散力 影响物质的沸点 熔点及溶解度等物理性质 38 支链烷烃 同碳数烷烃的构造异构体中 分子的支链越多 则沸点越低 同数碳原子的构造异构体中 支链增多 则单分子趋向球形 使分子间不能像正烷烃那样接近 分子间作用力也就减弱 所以在较低的温度下 就可以克服分子间引力而沸腾 例如 正丁烷的沸点 0 5 异丁烷的沸点 11 7 39 烷烃的熔点基本上随分子量的增加而增加 奇数和偶数碳 烷烃的熔点变化 是因为晶体分子间的作用力不仅取决于分子的大小 也取决于他们在晶格中的排列 分子的对称性增加 它们在晶格中的排列越紧密 熔点也越高 正戊烷 129 8 异戊烷 159 9 新戊烷 16 8 直链烷烃的熔点与分子中所含碳原子数目的关系 2 熔点 40 3 相对密度 随着相对分子量的增加而有所增加 最后接近0 8左右 分子间的作用力随着分子质量的增加而增加 使分子间的距离相对地减少的缘故 4 溶解度 烷烃不溶于水 而易溶于四氯化碳等有机溶剂 结构相似者相溶 相似相溶原理 烃基与官能团 思考题 正丁醇 CH3CH2CH2CH2OH 的沸点 117 3 比其同分异构体 乙醚 CH3CH2OCH2CH3 的沸点 34 5 高很多 但它们在水中的溶解度几乎相同 8g 100mL 为什么 兰州大学试题 41 烷烃为不活泼有机物 在空气中燃烧 放热 CH4 2O2 CO2 2H2O 881kJ molCH3CH3 7O2 4CO2 6H2O 1538kJ molCH3CH3CH2CH2CH3CH3 CH CH320 80 2 6烷烃的化学性质 2 6 1氧化反应 2 6 2异构化反应 放热 42 裂化 高温下烷烃分子发生裂解产生小分子的过程 CH3CH2CH2CH3 混合物 较低级的烯 烷 H2 热裂化反应 在5MPa及500 600 下进行的裂化反应 催化裂化 在催化剂存在下的裂化 碳链断裂的同时伴有异构化 环化 脱氢等反应 生成含支链的烷烃 烯烃和芳香烃等 裂解 在更高温度下 700 进行深度裂化得到更多低级烯烃 乙烯 丙烯 丁烯等 2 6 3裂化反应 炼油厂 石化公司 的主体工作 43 CH4 Cl2 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 2 其它烷烃的氯代反应 ClCH3CH2CH3CH3CH2CH2Cl CH3CHCH3正丙基氯43 异丙基氯57 设 伯氢原子活泼性为1 仲氢原子相对活泼性为x 57 43 2x 6x 4 Cl2光25 CCl4 丙烷氯代反应 伯 仲 叔氢原子的反应活性 2 6 4取代反应 1 甲烷的氯代反应 自由基取代 44 CH3CH3CH3CH3CH Cl2 CH3 C Cl CH3 CHCH3CH3CH2Cl叔丁基氯36 异丁基氯64 设y为叔氢原子的相对活泼性则 36 64 y 9y 5 06 则在室温下伯 仲 叔氢原子的反应活性为1 4 5 异丁烷氯代反应 烷烃氯化产物复杂 一般不用氯代来制备卤代烃 45 光127 CH3CH3CH3CH3 CHCH3 Br2CH3 C Br CH3 CHCH2BrCH399 3 烷烃与其它卤素的取代反应 伯 仲 叔氢原子的反应活性 1 82 1600 溴更具有选择性 产物单一 可用溴代来制备卤代烃 烷烃与碘作用得不到碘代烷 与氟反应剧烈 不易控制 会引起爆炸 痕量 46 光 光 思考题 为什么以下反应得到如下的主要产物 例题1 例题2 Why 47 Cl Cl 能量 Cl Cl 氯自由基 Cl H CH3 HCl CH3 甲基自由基 CH3 Cl2 CH3Cl Cl Cl Cl Cl2 CH3 CH3 CH3CH3Cl CH3 CH3Cl 链的引发 链增长 链终止 2 7甲烷氯代反应历程 自由基反应 48 反应热 反应物与产物之间的能量差 H H为负值表示放热 用键离解能估算 CH3 H Cl Cl CH3 Cl H Cl435243349431678780 H 678 780 102kI molCH3 H Br Br CH3 Br H Br435192293366627659 H 627 659 32kI mol 说明 比较反应热 溴代反应比氯代反应慢 反应热 活化能和过渡态 2 8甲烷氯代反应过程的能量变化 49 链引发 Cl Cl 2Cl 243 H 243kJ mol链增长 Cl H CH3 H Cl CH3435431 H 4kJ molE活化 17kJ molCH3 Cl Cl CH3 Cl Cl243349 H 106kJ molE活化 4kJ mol 活化能 过渡态与反应物之间的能量差是形成过渡态所必须的最低能量 也是使该反应进行所需的最低能量 叫活化能 过渡态 只有能量较高的反应物粒子发生有效碰撞 形成过渡态 时 才能克服粒子间的范德华斥力发生反应 50 本步反应的能量变化 过渡态 H 4kI mol 吸热步骤 速度慢 51 CH3 Cl Cl CH3 Cl Cl CH3 Cl Cl H 106kI mol 能量变化 110kJ mol 放热步骤 速度较快 52 总 Cl H CH3 CH3 Cl Cl能量变化 E活化 17kJ mol H1 4kJ mol H2 106kJ mol E活化 4kJ mol 53 X2 2X 光或热 X RH HX R R X2 RX X X X X2R X RXR R R R 链引发 链增长 链终止 2 9一般烷烃的卤代反应历程 54 从丙烷开始 一氯代产物就不止一种 氯自由基可以分别夺取伯 仲 叔氢原子 形成伯 仲 叔烷基自由基 进一步可生成不同的一氯代产物 从各键的离解能来看 形成各烷基自由基所需的能量 CH3 H CH3 H D 435kJ molCH3CH2CH2 H CH3CH2CH2 H D 410kJ molCH3 CH H CH3 CH H D 395kJ molCH3CH3CH3CH3CH3 C H CH3 C H D 380kJ molCH3CH3 2 10烷基自由基的稳定性 55 从各键的离解能来看 形成各烷基自由基所需的能量 CH3 1 R 2 R 3 R 伯烷基自由基仲烷基自由基叔烷基自由基3 R 2 R 1 R CH3 越稳定的自由