第二章 烷烃和环烷烃.ppt

1、第二章 烷烃和环烷烃,烷烃(alkane)是饱和烃，分子中碳原子间均以单键相连，而其余价键被氢原子所饱和，即与碳原子结合的氢原子数目已达到最高限度，不可能再增加了，称为饱和烃(saturated hydrocarbon)（又称为石蜡烃）。,分子中只含有C和H两种元素的有机化合物称为烃(hydrocarbon),一、 烷烃的结构,在甲烷分子中碳原子采取SP3杂化，四个SP3杂化轨道的取向是指向正四面体的顶点，轨道间的夹角为109028。,SP3杂化轨道成不对称纺棰型，一端大，一端小。大的一端与H的1S轨道或其他C原子的SP3杂化轨道沿轴向重叠形成键，从而组成烷烃。,由于碳原子的杂化轨道之间的夹角

2、不是1800，因此烷烃链不是直线。书写的结构式为直线型，是为了书写方便，只具有示意性。结构式可以简化为曲线形势，每一个拐点及端点代表一个碳原子。如：,2.1 烷烃,CH3CH2CH(CH3)CH2CH(CH3)2可表示为：,注意：这种表示式中只有碳原子的位置，所有的碳原子实际是键饱和的，不饱和的部分存在氢。,另外，如果需要画出三维结构，可用透视法表示：,表示该键指向纸面的背后,表示该键指向纸面的前面,可以认为烷烃由一系列（一个或几个）CH2连接成碳链，两端再连上两个氢原子而成。因此烷烃通式为: CnH2n+2 。从通式可以看出：任何两个烷烃之间相差的都是整数倍的 -CH2- (亚甲基)。,像烷

3、烃这样，具有同一个通式，组成上相差一个或若干个CH2的一系列化合物，称为同系列(homologous series)。同系列中各化合物互称为同系物(homolog)。 同系物结构相似，化学性质相似，物理性质随碳原子数增加而有规律地变化。,有机化合物中除了烷烃同系物之外，还有其他同系物。这是有机化学的普遍现象，同系物中化学性质相近，共性易见，但也有特殊性的差异。根据结构上的差异来理解这种差异，这是有机化学学习基本方法之一。,二、 伯、仲、叔和季碳原子,烷烃中的碳原子大多数可根据与其相连的碳原子数目的多少分为四类，即伯、仲、叔和季碳原子。,分别把与伯、仲、叔 碳原子相连的氢原子称为伯、仲、叔氢原子

4、,提问： 1.有无季氢原子？ 2.甲烷碳原子是何类型碳原子？,甲烷碳原子不属于任何一种碳原子，这就是刚开始时所说的大多数碳原子的原因。,同分异构：化合物具有相同的分子式但具有不同结构和性质的现象。具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。,在有机化学中，化合物的结构(structure)是指分子中原子间的排列次序和结合方式、原子相互间的立体位置以及分子中电子的分布状态等各项内容在内的总称。 构造(constitution) 构型(configuration) 构象(conformation),三、 烷烃的同分异构现象,分子式为：C2H6O CH3OCH3CH3CH2OH,烷烃同系列中，甲、乙、

5、丙烷无同分异构，但对丁烷： (A) CH3CH2CH2CH3 C4H10 bp-0.5 (B) CH3CH(CH3)2 C4H10 bp-10.2 二者分子式相同，都为丁烷。但A和B结构不同，A无支链，称正丁烷；B有侧链，称异丁烷。这种分子式相同，构造不同的异构体称构造异构体。,构造不同，必然将会造成性质上的不同。例如上面丁烷的沸点。 随碳原子数目增加，构造异构体的数目将大大增加。例如丁烷有两个同分异构体，戊烷将有三个，己烷有五个，(都是指的链烃)。,构造(constitution)：分子中原子相互连接的顺序和方式。,戊烷： CH3CH2CH2CH2CH3 正戊烷 bp36.1 C5H12 C

6、H3CH2CH(CH3)2 异戊烷 bp 28 C(CH3)4 新戊烷 bp9.5 *请写出分子式为C6H14的所有构造异构体。,四、 烷烃的命名,1、普通命名法：,烷烃名称用“某烷”，（原子数110用天干，甲、乙、丙、丁癸表示，十个以上用汉字数字表示，如十一烷等）。,这种命名法有时为区分同分异构，采用一些词头，如“异”、“新”等，如：,异丁烷 正丁烷 新戊烷,一般简单化合物可以用此法，而复杂化合物较难用此法。,2、 系统命名法：,烷烃从形式上消除一个氢原子而剩下的原子团称为烷基(用R-表示) 。这里“基”含有一价的意思。,亚甲基 亚乙基,系统命名法是根据IUPAC命名法及结合我国文字特点而制

7、订：,(1)直链烷烃按碳原子数命名，命名法与“普通命名法”基本相同，但在命名中没有正、异之分。例：,此外，两价的烷基称为亚基，如：,CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 普通命名法： 正庚烷 系统命名法： 庚烷,(2)含有支链的烷烃，把它当作直链烷烃的衍生物。,例1,烷烃的系统命名法举例,2.3.3-三甲基戊烷,原则1：选取最长的碳链作主链，并从最靠近取代基的一端开始编号。（选长链，编小号）,2.5-二甲基-3.4-二乙基己烷,原则2：如有等长碳链时，应选取含取代基多的为主链。,2.2.3.5-四甲基己烷,原则3：二个取代基距链端等距离时，应使第三个取代基位次最小。,3-甲基-5-乙基庚

8、烷,原则4：两个不同的取代基位于相同位次时，次序规则中小次序的取代基具有较小编号。书写时也遵从此法。,练习：,3-甲基-3-乙基庚烷,2,3,5,5-四甲基庚烷,五、烷烃的构象(conformation),1、乙烷的构象,烷烃分子中的C-C单键是可以自由旋转的。对于乙烷来说，在C-C单键自由旋转的过程中，由于甲基上的氢原子的相对位置发生变化，就形成了许多不同的空间排列方式。这种仅仅由于围绕单键旋转而引起的分子中各原子在空间上的不同排布方式称为构象。 乙烷的构象有无数种。最极端的两种是：交叉式和重叠式。,透视式表示为：,纽曼投影式表示为：,重叠式 交叉式,不同的构象式之间的能量是不相同的，其能量

9、示意图为,锯架式表示为:,重叠式的能量比交叉式高12.6kJ/mol。（单键旋转的能垒一般在12.641.8kJ/mol，这种能垒非常低，室温下的分子热运动即可达到，因此在常温下是分离不出纯的烷烃的分子构象的）。,交叉式构象为稳定构象或优势构象,2、丁烷的分子构象,丁烷的分子构象有点类似于乙烷的分子构象，又有不同之处。因为丁烷存在两个体积较大的甲基。,A 对位交叉式 B 部分重叠式 C 邻位交叉式 D 全重叠式 E 邻位交叉式 F 部分重叠式,这四种典型构象的稳定性次序为: 对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式,六、烷烃的化学性质 烷烃分子中原子间都是以 键相连的，键能较大，价键较牢固，所以

10、烷烃的性质较稳定，在常温常压下，与强酸强碱或强氧化剂都不发生反应。因此在某些反应中可用烷烃作为溶剂。 但烷烃的稳定性是相对的，在一定条件下，C-C和C-H键也可断裂而发生化学反应。,烷烃是生产卤代烷烃的重要原料。,卤代反应,烷烃和卤素在光照(h)或加热的条件下，烷烃分子中的氢原子被卤素取代的反应称为卤代反应。若被溴或氯取代称为溴代或氯代反应。,反应难以停留在一取代阶段，生成的一取代物可继续被卤代， 即:,通常甲烷的氯化反应得到的是四种氯代产物的混合物。,如果严格控制反应条件和原料比，例如400 500下 , CH4:Cl2= 10:1（摩尔比），主要得到一氯甲烷； CH4:Cl2= 0.263

11、:1（摩尔比），主要得到四氯甲烷。,1. 甲烷的氯代反应：,2 烷烃氯代反应机理,反应机理（reaction mechanism）又称反应历程，是描述反应物如何逐步变成产物的过程，包括反应分几步进行，每步反应中旧键断裂和新键形成的情况以及反应条件对反应速率的影响等等。,反应机理是在综合大量实验事实后提出的理论假设。现在公认的反应机理，是符合目前已观察到的反应事实，但并不能说明已到了最终的证实。随着新现象和事实的发现，有的机理可能得到进一步的完善和肯定，也可能需以修正，或者完全废弃。,学习和掌握反应机理有助于认识反应本质，从而达到控制和利用反应的目的，也有助于认识各种反应之间的内在联系，便于总结

12、和记忆大量的有机反应。,以甲烷的氯代反应为例： 甲烷的氯代反应一般包括以下几个步骤：,(1) 氯分子在光照或高温条件下，吸收能量发生均裂生成氯自由基.,(2) 当氯自由基与甲烷分子发生碰撞时，则生成甲基自由基。,(3) 生成的甲基自由基也非常活泼，当它与氯分子碰撞时，又生成新的氯自由基。,（4）反应是不会无限制地进行下去的，反应到最后，体系中的甲烷和氯分子越来越少，而自由基却越来越多，此时自由基互相碰撞生成分子。,象这种每步都生成一个新的自由基，因而使反应可以不断继续进行下去的反应叫做链反应。由于链反应的活性中间体是自由基，所以又叫自由基链反应（free radical chain react

13、ion). 链反应包括三阶段：反应（1）链引发阶段； 反应（2）和（3）链增长阶段； 反应（4）链终止阶段。,3 甲烷氯代反应过程的能量变化,运用上述反应机理可以解释一些实验现象,（1）不同氢原子的反应活性 随着分子中碳原子数的增加, 一卤代物往往不止一个, 反应产物较复杂。,4 其他烷烃的卤代反应,氢的相对反应活性比 30H:10H=(36/1):(64/9)=5:1,氢的相对反应活性比 20H:10H=(55/2):(45/6)=3.8:1,通过许多烷烃氯代反应的研究表明，不同类型氢的反应活性顺序为30H20H10H，其相对反应活性之比为5:3.8:1,（2）不同卤素的反应活性 与卤素的反应一般遵循下列规律： 氟 氯 溴 碘 烷烃的氟代反应太剧烈，放出的热量足以破坏烷烃的所有价键， 难以控制，反应的最终产物是碳和氟化氢。与此相反，碘代反应则太难进行。所以，烷烃的卤代反应通常是指氯代和溴代反应。其中溴代反应更有用，因为它的选择性更强。例如：,在溴代反应中，氢原子的活性顺序与氯代一样，但差别比氯代大， 30H : 20H : 10H=16