重大有机2烷烃

第二章烷烃 Alkane 一 烷烃的同系列和异构二 烷烃的结构1 甲烷的结构2 乙烷分子的形成三 烷烃的命名1 普通命名法2 系统命名法四 烷烃的构象五 烷烃的物理性质六 烷烃的化学性质 卤代反应 烃的主要来源 天然气甲烷 主要 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷石油各种烃的混合物 汽油C5 11 煤油C11 15 柴油C15 18 润滑油C16 20 石蜡C18 30 沥青C30 40煤芳香烃等 第二章烷烃 烃 只由碳和氢两种元素组成的化合物 hydrocarbons 环烃 一 烷烃的同系列和异构 系差相邻两同系物之间的组成差别 烷烃同系物的系差为CH2 同系物 homolog 同系列中的化合物互称为同系物 同系列 homologousseries 具有同一分子通式和相同结构特征的一系列化合物 烷烃 指由碳和氢两种元素组成的饱和 开链有机化合物 具有明显的特性 烷烃的通式 CnH2n 2 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 烷烃的同分异构现象 同分异构 isomerism 分子式相同 但分子中各原子的排列次序 结合方式或空间位置不同 立体异构 构造相同 原子在空间排布方式不同 构造异构 分子中原子间的排列顺序 结合方式 异构现象 碳架异构位置异构官能团异构 包括互变异构 构象异构 碳链异构 carbon chainisomerism 碳原子之间的连接次序和方式不同 例2C6H14 5种 例1C5H12 3种 同分异构体的书写口诀 主链由长到短 减碳架支链 支链由整到散 位置由心到边 排布由对到邻再到间 最后用氢原子补足碳原子的四个价键 烷烃构造异构体的数目 伯碳 1 只与1个其他碳原子直接相连 一级碳原子仲碳 2 只与2个其他碳原子直接相连 二级碳原子叔碳 3 只与3个其他碳原子直接相连 三级碳原子季碳 4 只与4个其他碳原子直接相连 四级碳原子 伯氢 1 H 伯碳上的H仲氢 2 H 仲碳上的H叔氢 3 H 叔碳上的H 不同类型的氢反应活性不一样 二 烷烃的结构 碳原子外层电子排布为1s22s22px12py1 有2个未成对电子 应该是二价的 但碳原子实际上是四价的 由于2S轨道的能量与2p较接近 2S上的1个电子可以激发到2pz空轨道上 激发态的碳原子有4个单电子 1 甲烷的结构 处于激发态的碳原子可以与4个H结合形成CH4 但甲烷的结构式并未表示出氢原子与碳原子在空间的相对位置以及的甲烷分子立体形状是怎样 甲烷分子的空间结构通常用Kekule模型和Stuart模型来表示 事实上 甲烷分子具有正四面体的空间结构 甲烷的棍球模型 甲烷的比例模型 Hybridize Tetrahedral allorbitalbondanglesare109 5o 甲烷的形成与结构 乙烷分子的形成 头碰头重叠形成C C 键 由于烷烃分子中的碳采取SP3杂化 因此烷烃分子的碳链是锯齿形的 一 普通命名法 commonnomenclature 又叫习惯命名法 适用于简单的链烃 1 按分子中碳原子总数叫 某烷 10C用甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸表示 10C用十一 十二等中文数字表示 2 用 正 异 新 等字区别同分异构体 戊烷 戊烷 戊烷 三 烷烃的命名 正 异 新 n pentaneisopentaneneopentane 烷烃的英文名称 表示碳原子数的词头 ane词尾组成 要求掌握1 10个碳原子的直链烷烃的中英文名称 二 系统命名法 分为三步 一选二编三配基 1 选母体 碳链最长 取代最多2 编号 位次最低 最低系列原则 3 配基 先小后大 优先基团后列出 同基合并 在英文命名中 取代基按词首的字母排列顺序先后列出 关键是如何确定主链和处理取代基的位置 直链烷烃直链烷烃的系统命名法和习惯命名法基本相同只是不写正字 例如 CH3CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH3 习惯名正丁烷正己烷 系统名丁烷己烷 支链烷烃 关键是如何确定主链和处理取代基的位置 烃基及其命名 烃分子中去掉一个氢原子后剩下的原子团叫做烃基 脂肪烃基 脂肪烃去掉1个H所剩下的部分 R 芳香烃基 芳香烃去掉1个H后剩下的部分 Ar 烷基 烷烃去掉一个H后所生成的一价原子团 R 正烷基 去掉直链烷烃末端H所得的原子团CH3 CH3CH2 CH3CH2CH2 MethylEthyln Propyl简写MeEtn Pr仲烷基 CH3CH2 CH 型的烷基 叫仲某 烷 基 CH3异烷基 CH3CH CH2 n 型的烷基 CH3 命名时 仲 字常用sec 或s 表示 命名时 异 字常用iso 或i 表示 叔烷基 CH3 CH3CH2 C 型的烷基 叫叔某 烷 基 CH3 命名时用t 表示 烷烃同一碳上去掉2个H或3个H后 分别称为亚基 次基 例 写出下列各取代基的构造式 1 i Pr2 异戊基3 新戊基4 三级戊基 辛烷 3 甲基 5 乙基 2 5 二甲基 3 4 二乙基己烷 3 甲基 5 乙基庚烷5 甲基 3 乙基庚烷 2 5 2甲基3 4 2乙基己烷 2 5 甲基 3 4二乙基己烷 例3CH3CH2CHCH2CHCH2CH3C2H5CH3 辛烷 3 甲基 3 乙基 5 丙基 4 异丙基 3 ethyl 4 isopropyl 3 methyl 5 propyloctane 主要烷基的优先顺序 异丙基 丙基 乙基 甲基 在英文命名中 取代基按词首的字母排列顺序先后列出 四 烷烃的构象 因单键旋转而使分子中原子或基团在空间产生不同的排列形象称为构象 每一种空间排列形象就是一种构象 conformation 因构象不同而产生的异构现象称为构象异构 围绕C C 键旋转可产生无穷多的构象 一般研究典型的极限构象 乙烷的两种极限构象及表示方式 球棒模型 Sawhorse透视式 重叠式 顺叠式 构象 交叉式 反叠式 构象 球棒模型 Newman投影式 重叠式 顺叠式 构象 交叉式 反叠式 构象 构象的能量分析 非键合的两原子或基团接近到相当于范氏半径之和时 二者间以弱的引力相互作用 体系能量较低 如果接近到这一距离以内 斥力就会急剧增大 体系能量升高 一些原子或基团的范德华半径 pm HCNOClCH3120150150140180200 乙烷的重叠式内能最高 最不稳定 而交叉式内能最低 最为稳定 这种构象称为优势构象 12 5kj mol 其他构象的内能则介于交叉式与重叠式之间 随着乙烷分子中两个碳原子绕单键的相对旋转 能量不断变化 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率不同 能否跟据以上构象异构原理 用纽曼投影式并以C2 C3为旋转轴 画出正丁烷的四种构象 2 3 正丁烷沿C2和C3之间的 键键轴旋转有四种典型构象 部分重叠式 反叠式 对位交叉式 反错式 邻位交叉式 顺错式 全重叠式 顺叠式 丁烷的构象 正丁烷构象的能量曲线 正丁烷各种构象的能差不大 室温下可迅速转化 正丁烷实际上是各种构象异构体的混合物 但对位交叉式 Anti 为优势构象 约占70 邻位交叉式 Gauche 约占30 其他构象所占比例极小 全重叠式邻位交叉式部分重叠式对位交叉式 当正烷烃碳原子数增加时 尽管构象也随之更复杂 但仍然主要以对位交叉式构象状态存在 所以直链烷烃绝大多数是锯齿形的 如正戊烷主要以第1种构象形式存在 第3种为全重叠构象 最不稳定 例 把下列纽曼投影式写成透视式 它们是否相同物质 它们是不同物质 答案 比较 结构 Structure 构造 Constitution 构型 Configuration 构象 Conformation 分子内各原子的排列顺序和结合方式 分子内各原子的成键顺序 一定构造的分子中各原子的空间排布 物态 熔点 沸点 比重 溶解性等 C1 C4气体C5 16液体 C17固体 五 烷烃的物理性质 36 1 沸点 正烷烃随碳原子数的增加 沸点升高 例试判断下列化合物沸点的高低 答案 C B D A E 在同分异构体中 分支程度越高 沸点越低 因为烷烃分子中支链的存在会影响分子间的相互靠近 减弱分子间的引力 主要是色散力 色散力是短距离的力 使沸点随之降低 熔点 bp 36 127 99 5mp 129 8 159 9 16 8 直连烷烃的熔点随分子量的增大而升高 趋势与沸点相似但偶数碳的直连烷烃比相邻的奇数碳的直连烷烃熔点高 这与晶格的紧密排列有关 高度对称的支链烷烃其熔点却异乎寻常的高 这是因为分子的对称性越高 在晶体中排列越紧密 如 六 烷烃的化学性质 1 氧化反应 部分氧化R R O2 ROH R OHRCH2CH2R O2 RCOOH R COOH 燃烧CH4 2O2 CO2 2H2OH 891 1kJ mol 2 烷烃的热解 CH3CH2CH2CH3 CH3 CH2CH2CH3CH3CH2 CH2CH3CH3CH2CH2CH2 H 高温 CH3 CH2CH2CH3 CH4 CH2 CHCH3CH3 CH2CH3 CH3CH2CH3CH3CH2 CH2CH3 CH3CH3 CH2 CH2 有机化合物分子中的氢原子 或其它原子 基团 被另一原子或基团取代的反应称为取代反应 被卤原子取代叫卤代 halogenation 3 卤代反应 substitutionreaction 甲烷的氯代 甲烷和氯气在黑暗中不起反应甲烷和氯气在光照 加热或催化剂作用下发生取代反应 生成的一氯甲烷还会继续被氯代 生成二氯甲烷 三氯甲烷和四氯化碳四种产物的混合物 工业上把这种混合物作为溶剂使用 CH3 Cl Cl2 CH2Cl2 HCl二氯甲烷 CHCl3 Cl2 CCl4 HCl四氯化碳 CH2Cl2 Cl2 CHCl3 HCl三氯甲烷 通过控制一定的反应条件和原料的用量比 可以使其中一种氯代物成为主要的产品 比如 400 450 甲烷 氯气 10 1 主要生成一氯甲烷 400 左右 甲烷 氯 0 263 1 主要生成四氯化碳 键离解能和反应热 常见共价键的离解能见表2 6 根据键离解能可以计算反应热 CH3 H Cl Cl CH3 Cl H Cl 键离解能 KJ mol 435243351431 反应热 435 243 351 431 104 KJ mol 键离解能指将有机物分子中共价键连接的原子或原子团 拆开成原子或自由基时所吸收的能量 甲烷的氯代反应机制 本章重点 反应机制 也叫反应历程 reactionmechanism 就是对某个化学反应逐步变化过程的详细描述 烷烃卤代反应是自由基的链反应 free radicalchainreaction 其历程分3步进行 链引发 链增长 链终止 在链增长阶段 当一氯甲烷达到一定浓度时 氯原子除了同甲烷作用外 也可同一氯甲烷作用 结果生成二氯甲烷 以同样方式 可生成氯仿及四氯化碳 Cl CH3Cl CH2Cl HClCH2Cl Cl2 CH2Cl2 Cl Cl CH2Cl2 CHCl2 HClCHCl2 Cl2 CHCl3 Cl Cl CHCl3 CCl3 HClCCl3 Cl2 CCl4 Cl Cl Cl Cl ClCH3 Cl CH3ClCH3 CH3 CH3CH3 链终止 chain terminatingstep 消除自由基 活化能和过渡态 过渡态是反应物和产物之间的中间状态 以甲烷为例 过渡态与反应物之间的能量差称为活化能 用Eact表示 动画模拟自由基取代反应 其他烷烃的氯代一般烷烃氯代时 可得到各种异构体的混合物 仲氢与伯氢的活性比 2 1 55 2 45 6 3 67 1仲氢比伯氢活泼 2 1 72 4 28 6 3 86 1仲氢比伯氢活泼 1 氯丙烷 45 2 氯丙烷 55 叔氢与伯氢的活性比 3 1 29 1 48 9 5 44 1叔氢比伯氢活泼实验结果表明 室温下3 2 1 氢原子相对活性之比约为5 4 1 并与烷烃的结构基本无关 根据各类H的相对活性 可预测烷烃各氯代产物异构体的得率 如丁烷的氯代 1 氯丁烷得率 3 3 8 100 27 3 实际为28 2 氯丁烷得率 8 3 8 100 72 7 实际为72 自由基的稳定性顺序 3 2 1 CH3这可以从甲烷 伯 仲 叔碳原子上的C H键离解能看出 图烷基自由基的能量比较 2 1 97 2 3 6 97 1 卤代反应活性次序 易到难 叔氢 仲氢 伯氢F2 Cl2 Br2 I2 表2 7