第二章饱和烃201508合肥工业大学有机化学案例.ppt

烃：碳氢化合物,仅含C、H。,烷烃：开链的饱和烃。环烷烃：闭链的饱和烃。,第二章饱和烃:烷烃和环烷烃,烃的衍生物：烃分子中氢被其它原子或基团所取代。,第一节直链烷烃的同系物、同分异构现象和命名,1烷烃的通式和同系列CH4C2H6C3H8C4H10C5H12烷烃的通式：CnH2n+2,同系物之间联系：同系物之间物理性质呈现规律性变化，化学性质相似。,有机化学学习中重要的规律之一！,同系列：通式相同，结构、性质相似，组成上相差一个或多个CH2的一系列化合物统称为同系列；系列差：CH2；,同系物：同系列中的化合物互为同系物。,同分异构现象：分子式相同而结构式不同的现象。同分异构体：分子式相同而结构式不同的化合物。,2、同分异构现象和同分异构体,同分异构体：构造异构体。,本质：由于分子结构中原子的连接次序不同。,CH4：CH4C2H6：CH3CH3C3H8：CH3CH2CH3,C4H10：CH3CH2CH2CH3,C5H12：,有机分子碳原子增加，同分异构体数目急剧增加。,烷烃的同分异构现象：,水螅毒素,3、烷烃中碳原子和氢原子的类型,伯碳原子，第一碳原子：1。伯氢原子，第一氢原子,仲碳原子，第二碳原子：2。仲氢原子，第二氢原子,叔碳原子，第三碳原子：3。叔氢原子，第三氢原子,季碳原子，第四碳原子：4。,4烷烃的命名,4.1.1根据烷烃中碳原子的数目称为“某烷”。甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十、十一、十二烷,有机化合物命名：有机化学最基本知识；,4.1、烷烃普通命名法（习惯命名法）,普通命名法和系统命名法。,适用：结构简单有机化合物。,例：C5H12戊烷C15H32十五烷。,4.1.2区分异构体:用“正、异、新等”区别分子中特有结构。,4.2、系统命名法（IUPAC命名法）适用：所有有机化合物。,戊烷,（1）选择主链（找母体）：最长、支链最多的碳链。根据主链碳原子数称“某烷”。其中1-10个碳原子称为甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸烷，十一个碳原子以上称为“十一、十二烷”。,（2）编号：从最靠近支链的一端开始。使取代基位次最小。,（3）命名：先写取代基(标出取代基的位置)，再写成某烷。,2-甲基戊烷。,54321,12345,4.2.1系统命名法规则：选择主链（找母体）、编号、命名。,2，2，4-三甲基戊烷,2,4,7-三甲基辛烷,12345678,2,5,7-三甲基辛烷：错误,2，3，5-三甲基-4-丙基庚烷,1234567,3-甲基-5-乙基庚烷,5-甲基-3-乙基庚烷：错误,为什么甲基放在乙基前？,烷基通式：CnH2n+1，R-。CH3-甲基C2H5-乙基CH3CH2CH2-丙基。,4.2.2取代基及其次序规则：,（1）取代（烷）基：烷烃（有机）分子中除去一个氢原子剩余部分，通常用R-表示。,a.把与主链碳直接相连的原子按原子序数大小排列，原子序数大的优先。例：-I-Br-Cl-CH3-H,b.如果直接相连的原子相同，则比较第二个原子，依次类推。例：-CH(CH3)2-CH2CH2CH3-CH2CH3-CH3,（2）取代基“优先”基团顺序（大小顺序）：中文命名在有机化合物中取代原子或取代基团的排列次序。,取代基次序规则：有机化合物命名时简单基团（小基团）在前标号最小，复杂基团（大基团）在后。-中文命名规则。英文取代基规则：按取代基第一个英文字母顺序。,-C(CH3)3:,优先基团顺序：-C(CH3)3-CH=CH2-CH(CH3)2,C.双键和叁键分别作为两个和三个单键处理。例：比较大小:-C(CH3)3、-CH=CH2、-CH(CH3)2,-CH(CH3)2:,-CH=CH2:,CAS编号：物质数字识别号码，美国化学会的下设组织化学文摘社（ChemicalAbstractsService，简称CAS）。该社负责为每一种出现在文献中的物质分配一个数字组合-CAS编号（登录号）。,4.3CAS编号（登录号）,H2O：7732-18-5，,阿司匹林：50-78-2,厄贝沙坦CAS号：138402-11-6,CAS已经登记了62,164,509种物质，并且还以每天4,000余种的速度增加。,这是为了避免化学物质有多种名称的麻烦，使数据库的检索更为方便。其缩写CAS在生物、化学上便成为物质唯一识别码的代称，相当于每一种化学物质都拥有了自己的“学号”。如今的化学数据库普遍都可以用CAS编号检索。,第二节烷烃的结构和构象,结构（构造）：分子中各原子的连接顺序和连接方式。,1、烷烃的构型、sp3杂化、键,1.1甲烷的构型：具有一定结构的分子中各原子在空间的排列情况，即分子的立体结构。-具有极其复杂性。,甲烷：CH4,每个sp3杂化轨道具有1/4s成分和3/4p成分。,杂化：不同类型的轨道相互作用而形成新轨道的过程。,1.2、烷烃中碳原子的杂化：,葫芦形,1.3、CH间（甲烷）成键：键,C-H键(SP3-S),1.4、乙烷结构（CH3-CH3）:CC键,C-C键,C-C键(SP3-SP3),电子云延成键轨道的轴方向重叠交盖，重叠度最大，-单键有方向性；,1.5键特点：,成键电子云密集成键原子之间，呈现轴对称。,对于-单键，可以自由旋转。,键能较大，不易断裂，化学反应活性低。,不同键电子云模型图：,2、烷烃的结构和模型：,键线式,2.1成锯齿型结构,球棒模型凯库勒(Kekl)模型,2.2、有机分子模型：,比例模型斯陶特(Stuart)模型,正己烷分子模型,3、烷烃的构象,构象：同一构型的化合物，由于-单键的旋转而产生分子中原子在空间不同的排列形式，引起的结构差异，这种特定的结构排列形式称为构象。,是有机化合物最重要立体结构之一！,3.1、构象定义,-单键旋转产生的有机分子不同排列形式称为构象异构体，该现象称为构象异构。,楔型式,纽曼(Newman)投影式,3.2、构象结构的表示：,近端C原子,远端C原子,球棒模型,3.3乙烷的构象,交叉式,透视式,纽曼投影式,重叠式,无数种中间形式构象,乙烷的两种典型构象,3.4、乙烷不同构象间（重叠式、交叉式构象）比较：,交叉式构象因两个碳原子上的氢原子距离最大，其排斥力较小，分子内能最低，因而较稳定，为优势构象。,3.5、乙烷分子的能量曲线,交叉式最稳定为优势构象,3.6、正丁烷的构象和势能关系图,乙烷的构象,H-CH2-CH2-HCH3-CH2-CH2-CH3,1对位交叉,2部分重叠,3邻位交叉,4全重叠,5邻位交叉,6部分重叠,7对位交叉,3.6.1正丁烷的构象：,能量,旋转角,4全重叠2，6部分重叠3，5邻位交叉1=7对位交叉,2,4,6是不稳定构象，1,3,5,7是稳定构象。1=7是优势构象（能量最低的稳定构象称为优势构象）,沿C2-C3键轴旋转的转动能垒22.6kJmol-1,3.6.2、正丁烷的构象和势能关系图,有机分子结构中的几个概念比较：,构型是固定的，数目有限；构型的变化须破坏化学键；而构象一般是瞬间的，而构象的变化则不会发生键的断裂。,3）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。,2）构型（configuration）：具有确定构造的分子中，原子和基团在空间的排布；由原子的成键轨道方向性决定的-分子的立体结构。,1）构造（constitution）：分子中原子间的连接方式和次序；,构型和构象都是有机分子立体结构。,有机分子结构层次：,分子式：组成；,构造：原子连接;,构型：原子位置;,构象：原子动态位置;,有机化合物的物理性质包括：化合物的状态、熔点、沸点、密度、折光率、偶极矩、晶型和溶解度（性）等称为物理常数。-同系物之间物理性质呈现规律性变化，与有机分子之间作用紧密相关。,烷烃为非极性分子，偶极距为0，分子间作用力是色散力，随分子量的增大而增大，随分子间距离的增大而迅速减小。,烷烃同系列中，m.p，b.p，d都随分子量增加而增加，即随碳数增加而增加。,第三节烷烃的物理和化学性质,1、烷烃的物理性质,1.1物质状态（25，一个大气压下）C1C4烷烃：气体C5C16正烷烃：液体C17以上：固体,1.2密度直链烷烃的密度随分子量的增加而增大，最后趋向于最大值0.78。,1.3溶解度烷烃为非极性化合物，不溶于水，溶于某些有机溶剂。如苯、氯仿、四氯化碳、其它烷烃。,1.4沸点正烷烃的沸点随着分子量的增加而增高。烷烃异构体中，支链愈多，沸点愈低。,b.p()：36.1289.5m.p()：-129.7-159.9-16.6,1.5熔点正烷烃的熔点随着分子量的增加而增高。分子结构的对称性越大，熔点也越高。,A:稳定：对强酸，强碱，强氧化剂，强还原剂都不发生反应。,结构特点：烷烃分子中只有C-C和C-H间-键。,2烷烃的化学性质,B：烷烃的多数反应都是通过自由基机理进行的。,2.1卤代反应,CH4:Cl2=10:1温度：400450主要产物：一氯甲烷CH4:Cl2=0.263:1温度：400主要产物：四氯化碳,2.1.1、卤素反应烷烃分子中的氢原子被其他原子或基团所取代的反应。卤代反应：被卤素取代的反应。也称卤化反应。,2.1.2烷烃的卤代反应机理（历程）：（以CH4Cl2反应为例）,有机反应机理中包括反应过程中有机分子键的断裂和形成、有机分子间电子转移、分子几何形状变化等，与反应中间体的能量变化。,CH4+Cl2CH3Cl+HCl,有机反应机理：从反应物到产物所经历的途径的详细描述，是对化学反应过程中化学键变化的逐步描述。又称为反应历程或反应机制。ReactionMechanism。,有机反应机理是有机化学学习和研究最重要内容！,(250400）,自由基反应机理：链引发、链增长和链终止。,CH4+Cl2CH3Cl+HCl,分为三个步骤：,Cl+HCH3CH3Cl+Cl能量变化,甲烷氯代反应中一个过程的能量变化,任何化学反应过程都伴随着反应体系能量变化！,C1+CH4CH3+HCl(决定反应速率),活化能,2.1.3、卤代反应取代的位置与自由基的稳定性：,仲氢：伯氢=57/2：43/6=4：1叔氢：伯氢=36/1：64/9=5：1叔氢：仲氢：伯氢=5：4：1氢的相对活性:叔氢仲氢伯氢,用自由基（游离基)的稳定性来解释：（自由基碳原子连接的取代基越多越稳定）,叔氢：伯氢=36/1：64/9=5：1,2.2.1燃烧完全氧化,2.2烷烃的氧化和燃烧反应,地球上现代社会运行的动力基础之一；地球温室效应重要原因之一。,2.2.2部分氧化,工业上常用高级烷烃通过氧化反应来制备高级脂肪醇和脂肪酸。,在高温（4001000）及无氧条件下使烷烃分子发生键断裂的反应叫裂化反应。-现代石油化工的基础反应之一。,2.2.3裂化反应,基础高分子材料原料来源。,热裂化：在5MPa，500600进行的裂化反应。催化裂化：在450500、常压及催化剂存在下进行的裂化。石油工业利用裂化反应来提高汽油（C6C9）的产量和质量。(原油分馏只能得到10-20%的汽油,且质量不好),裂解：石油馏分在700以上进行的深度裂化。目的：获取基本化工原料。如：乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯、乙炔等。,第四节天然气和石油烷烃的天然来源,天然气：存在于地下岩石储集层中以烃类为主的混合气体的统称。,页岩气和可燃冰主要成分均为甲烷。,干气：甲烷：8699%（体积）常温加压不易液化。湿气：甲烷（4060%），乙烷、丙烷、丁烷等及少量H2S、N2、He等气体。常温加压可部分液化。,存在于地下的一种液态、气态或固态的复杂烃类化合物，主要是烷烃，也有芳香烃和环烷烃。石油是由古地质年代有机物质（主要是单细胞植物，如蓝-绿海藻类；单细胞动物，如有孔虫类）沉积后，经过长期物理、化学变化而生成。,原油是一种深褐色或暗绿色液体。C：8387%；H：1114%；O、S、N：67%。,2、石油,石油各馏分的组成和用途,环烃：由碳和氢两种元素组成的环状化合物。分成脂环烃和芳香烃两类,第二节环烃,环己烷环己烯环戊二烯环辛炔,通式：环烷烃CnH2n；环烯烃CnH2n-2；环炔烃CnH2n-4。,有机分子中1个环产生1个不饱和度。,1.1单环脂环烃：环烷烃、环烯烃、环炔烃,1.2多环烃类,1脂环烃分类,（1）桥环化合物结构特点：,二环2.2.1庚烷二环4.1.01,6庚烷,分子中环结构共用两个碳原子，即“桥头”碳原子(即两个环共用的碳原子)，其他碳原子与“桥头”碳原子相连成“桥”结构。具有该结构的环状化合物称为桥环化合物。,桥环和螺环化合物,（2）螺环烃结构特点：,螺3.4辛,螺4.5-1,6-癸二烯,分子中多个碳环结构,且碳环共用一个碳原子的环状化合物叫螺环化合物。共用碳原子称为螺碳原子。具有该结构的环状化合物称为螺环化合物。,螺原子,环丙烷环丁烷环己烷,(1)母体：简单环烃的命名与烷烃相似，只需在烷烃前加“环”字即可。,甲基环己烷,2、环烃的命名,2.1、单环烷烃的命名,1-甲基-2-异丙基环戊烷,(2)编号：当环上有2个取代基时,则从小取代基开始编号，并以最小和数为原则。,1-甲基-3-乙基环己烷,1,2,4-三甲基环己烷,(3)简单的环上连有较长的碳链时，也可将环当作取代基。,1-环丁基戊烷,（4）环烯（炔）烃的命名a、母体：选择含有烯（炔）烃双（三）键的环为母体。b、编号：从不饱和键开始编号，使取代基位次最小。c、命名：按照相关环烃类似规则命名。,4-甲基（-1-）环已烯,1-甲基-3-环已烯X,2.2多环脂环烃命名,2.2.1环桥环化合物命名,二环,二环,桥环烷烃的环数：切断桥环化合物任意键，变成链状化合物所需最小次数，即为该桥环化合物所含的环数。,桥环化合物环数确定：,五环,三环,四环,六环,桥头碳原子,桥碳原子（桥墩）,环桥环化合物命名：确定母体、标号、命名,确定母体：确定环数和组成环的碳原子总数，命名为某烷,加词头二（双）环.,二环戊烷,二环庚烷,(b)确定各桥：各“桥”所含碳原子数目,按由大到小的次序写在“二环”和“某烷”之间的方括号里，数字用圆点分开。,2.1.0,3.1.1,以双环为例：,(c)环上碳原子编号:从一个桥头碳原子(含)开始,先编最长的桥至第二个桥头,再编余下的较长的桥,回到第一个桥头;最后编最短的桥。有取代基，取代基标号最小原则。,二环3.2.2壬烷,6-甲基-,(d)环上有多个取代基：编号的顺序以取代基位置号码加和数为较小和取代基优先次序决定。,二环3.2.2壬烷,二环3.2.2壬烷,桥环上有取代基时，需要对环上碳原子标号：,2,6-二甲基-,2,7-二甲基-,命名实例,桥环化合物名称格式取代基+二环+带数字的方括号（大.中.小）+母体烃的名称,8,8-二甲基二环3.2.1辛烷,二环2.2.2-2,5,7-辛三烯,2.2.1螺环化合物命名,(a)确定母体：根据组成螺环分子中的碳原子总数命名为“某烷”,再在其前面加上词头“螺”.,螺辛烷,螺碳原子,螺碳原子,螺辛烷,(b)确定螺桥：确定连接于螺原子的两个环的碳原子数(不含螺原子),按由小到大的次序写在“螺”和“某烷”之间的方括号里,数字用圆点分开。,3.4,2.5,(c)取代基位置确定：螺环上碳原子编号,从连接螺原子(不含)上的一个碳开始,先编较小的环,然后经过螺原子再编第二个环，编号的顺序以取代基位置号码加和数最小为原则。,螺3.4辛烷,螺2.5辛烷,1-甲基-6-乙基,1-甲基-5-乙基,螺环化合物名称格式：取代基+螺+带数字的方括号小.大+母体烃的名称,环丙烷的结构:,稳定性：,3、环烷烃的结构,电子云不是轨道轴对称分布在成键原子连线上,而是分布在一条曲线上。,角张力：键角偏离正常键角而引起的张力。,化学键：不是头对头的最大程度重叠,弯曲键：电子云重叠度少，键的稳定性差。,环丁烷的结构：,蝴蝶式,环戊烷的结构：,信封式,4、环己烷的结构和构象：,椅型,环己烷中存在两种主要构象。,4.1环己烷特点：环结构稳定。6个碳原子不在同一平面。,船型,4.2椅型（式）构象特征：,（1）碳原子分布：1、3、5碳原子在一个平面，2、4、6碳原子在另一个平面上，两个平面相互平行。,对称轴,e-键，平伏键,-键，直立键,-键，直立键,（2）、氢原子分布：,第一类：每个碳原子上有1个氢原子与对称轴平行，称为-键，直立键；其中3个向上，3个向下，相邻两个氢原子方向相反。,第二类：氢原子的C-H键与a键氢原子呈109.5o夹角，称为e-键，平伏键。,氢原子：12个氢原子分成两类：一类垂直于环平面，与对称轴平行，另一类与对称轴成109.5角。,碳原子：分子中有两个平行的平面，C1、C3、C5和C2、C4、C6；,氢原子和位置示意简图总结：,氢原子相对位置：1、2碳原子上a、a为反式，a、e为顺式；1、3碳原子a、a为顺式，a、e为反式。其他类推。,（3）、椅式构象结构特点,其中所有的C-C-C键角基本维持在109.5o；相邻碳原子的键都处于邻位交叉式的位置；环己烷椅式构象即没有角张力，也没有扭转张力，稳定性好。,（4）椅式构象间可进行构象相互转换,4.3环己烷船型（式）构象特征：,（1）碳原子分布：1,3,4,6四个碳原子在同一平面内，2,5碳原子在这一平面的上方。,（2）、氢原子分布：第一类：1,3,4,6上氢原子在四个碳原子平面的上下，H-C-H夹角为109.5o。第二类：2,5氢原子呈109.5o夹角，其中2个C-H键与1,3,4,6碳原子面平行。,（3）、船型（式）构象结构特点1,6和3,4之间有两个正丁烷似的全重叠；1、2，2、3，4、5，5、6之间有四个正丁烷似的邻位交叉。,4.4船式构象与椅式构象之间转换环己烷中的C-C键虽然不能象直链烷烃一样360o自由旋转，但是可以通过C-C键转动在不同构象之间变换，这种构象之间的互变称为环转换。,环转换不涉及到C-C键断裂，所以需要能量较低。,环己烷的扭船式构象,4.5环己烷其他构象,环己烷的半椅式构象,三个全重叠三个邻交叉,四个全重叠两个邻交叉,4.6环己烷构象和位能之间关系,一取代：两种构象状态,稳定构象,5取代环己烷构象,5.1一取代环己烷构象以甲基环己烷为例,CH3与C3-H、C5-H有相互排斥力，这称为1,3-二直立键作用。每个H与CH3的1,3-二直立键作用相当于1个邻交叉。,不稳定构象,5.2二取代环己烷构型和构像异构二甲基环已烷为例,二甲基环已烷是一个非常具有代表性的分子结构。可同时存在构造异构、构型异构和构象异构。,二甲基环已烷的构造异构体。,1，2-二甲基环已烷,1，3二甲基环已烷,1，4二甲基环已烷,两个取代甲基在环的同一面，顺-1,2-二甲基环已烷,因环上单间不能自由旋转而引起的环己烷上取代基相对位置不同，产生的异构体称为构型异构体，又称为几何异构体。,实际上，环己烷并不是平面结构，另一种构像形式表示更能反映取代基之间关系，分析不同构象能量和稳定性。,二甲基环已烷构型异构-有顺反异构,两个取代甲基在环的不同一面，反-1,2-二甲基环已烷,（1）1,2-二甲基环已烷构型异构和构象,同单甲基环已烷类似，二甲基环己烷也存在构象异构。,两个取代甲基处于a-键上，分别与其他四个碳原子的a-键氢原子有阻碍，能量高，不稳定。,反-1,2-二甲基环已烷a，a型,两个取代甲基处于e-键上，与其他原子处于邻位交叉形式，能量高，不稳定，优势构象。,反-1,2-二甲基环已烷e，e型,反-1,2-二甲基环己烷构象,顺-1,2-二甲基环己烷构象,顺-1,2-二甲基环已烷a，e型,两种构象中两个取代甲基分别处于a，e-键上，两种构象能量相同，是同一种构象。,顺-1,2-二甲基环已烷a，e型,对比：,反-1,2-二甲基环已烷e，e型,能量低，更稳定，优势构象。,（2）1,3-二甲基环已烷构型异构和构象,顺-1,3-二甲基