有机化学课件第二章烷烃

1、第二章,烷 烃,2.1 烷烃的通式、同系列和构造异构 2.2 烷烃的命名 2.3 烷烃的结构 2.4 烷烃的构象 2.5 烷烃的物理性质 2.6 烷烃的化学性质 2.7 甲烷氯代反应历程 2.8 甲烷氯代反应过程中的能量变化 2.9 一般烷烃的卤代反应历程 2.10 烷烃的天然来源,第二章 烷烃,一) 烃的定义,二) 烃的分类,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,根据烃分子中碳原子连接方式 1) 脂肪烃：饱和烃和不饱和烃 2) 脂环烃：分子中碳原子联结成闭合碳环 3) 芳香烃： 含芳香环的一大类烃化合物，如苯环,1)烷烃碳原子的四个共价键，除以单键与其他碳原子相互结合

2、成碳链外，其余的价键也都和氢原子相结合，即完全为氢原子所饱和。又叫饱和烃,由于石蜡是烷烃的混合物,故烷烃也称石蜡烃. 例如:甲烷,乙烷,丙烷,丁烷(正丁烷,异丁烷),戊烷 (正戊烷,异戊烷,新戊烷,2.1 烷烃的通式,同系列和同分异构,丙烷 C3H8,丁烷 C4H10,戊烷 C5H12,CH3CH2CH3,CH3(CH2)2CH3,CH3(CH2)3CH3,CH4,CH3CH3,甲烷 CH4,乙烷 C2H6,名称 分子式 构造式 构造式的简写式,2)烷烃的通式直链烷烃分子中，一个或几个-CH2-基团（亚甲基）连成碳链，碳链的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

3、-H 或： CnH2n+2,同分异构体由于分子式相同,但它们的构造不同(分子中各原子相连的方式和次序不同). 又叫构造异构体,戊烷可看成是正丁烷和异丁烷上的一个 H被甲基-CH3 取代的产物: (正戊烷,异戊烷,新戊烷,烷烃分子中，随着碳原子数的增加,烷烃的构造异构体的数目也越多. 写出C7H16的同分异构体,烷烃的通式 CnH2n+2, 直链烃的通式可写为: 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式的差值 CH2 称为系差,3)同系物,在烃分子中仅与一个碳相连的碳原子叫做

4、伯碳原子（或一级碳原子，用1表示） 与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2表示） 与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（或三级碳原子，用3表示） 与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4表示,4)烷烃中碳原子的分类,与伯,仲,叔碳原子相连的H原子,分别称为 伯,仲,叔H原子,如,有机化合物的命名的基本要求是必须能够反映出分子结构，使我们看到一个不很复杂的名称就能写出它的结构式，或是看到构造式就能叫出它的名称来。烷烃的命名法是有机化合物命名的基础，应很好的掌握它,2.2 烷烃的命名,常用的命名法,习惯命名法,系统命名法,衍生物命名法,1）含有10个或10个以下碳原子的直链烷

5、烃，用天干顺序“甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸”10个字分别表示碳原子的数目，后面加烷字。 例如： CH3CH2CH2CH3 命名为正丁烷。 （2）含有10个以上碳原子的直链烷烃，用小写中文数字表示碳原子的数目。 如CH3（CH2）10CH3命名为正十二烷,一. 习惯命名法,3）对于含有支链的烷烃，则必须在某烷前面加上一个汉字来区别。在链端第2位碳原子上连有1个甲基时，称为异某烷，在链端第二位碳原子上连有2个甲基时，称为新某烷。 CH3 CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3 CH3-C-CH3 CH3 正戊烷 异戊烷 新戊烷,系统命名法是中国化学学会根据国际纯

6、粹和应用化学联合会（IUPAC）制定的有机化合物命名原则，再结合我国汉字的特点而制定的（1960年制定，1980年进行了修定） 系统命名法规则如下,三. 系统命名法(IUPAC,烷基：烷烃分子去掉一个氢原子后余下的部分。其通式为CnH2n+1-，常用R-表示。 常见的烷基有： 甲基 CH3 乙基 CH3CH2 正丙基 CH3CH2CH2 异丙基 （CH3）2CH 正丁基 CH3CH2CH2CH2 异丁基 （CH3）2CHCH2 仲丁基 叔丁基 （CH3）3C,1) 直链烷烃按碳原子数命名 10以内：依次用天干:甲乙丙丁戊己庚辛壬癸(gui) . 10以上：用中文数字:十一.烷,1）选择分子中最

7、长的碳链作为主链，按这个链所含的碳原子数称为某烷，并以此作为母体,选择主链,2)带有支链的烷烃,2） 分子中有两条以上等长碳链时，则选择支链多的一条为主链,1) 从最接近取代基的一端开始，将主链碳原子用1、2、3编号,碳原子的编号,2） 若第一个支链的位置相同，则依次比较第二、第三个支链的位置，以取代基的系列编号最小（最低系列原则）为原则,A 将支链（取代基）写在主链名称的前面 B 取代基按“次序规则”小的基团优先列出 烷基的大小次序： 甲基乙基丙基丁基戊基己基异戊基异丁基异丙基。 C 相同基团合并写出，位置用2，3标出, 取代基数目用二,三标出。 D 表示位置的数字间要用逗号隔开，位次和取代

8、基名称之间要用“半字线”隔开。 E 如果支链上还有取代基时，则必须从与主链相连接的碳原子开始，给支链上的碳原子编号。然后补充支链上烷基的位次、名称及数目,烷烃名称的写出,次序规则,将单原子取代基按原子序数大小排列，原子序数大的顺序大，原子序数小的顺序小，有机化合物中常见的元素其顺序由大到小排列如下： IBrClSPONCDH,如果多原子基团的第一个原子相同，则比较与他相连的其它原子，比较时，按原子序数排列，先比较最大的，仍相同，在顺序比较居中的、最小的。如果有些基团仍相同，则沿取代链逐次比较。 CH3CH2- CH3- Me3C- CH3CH2CH(CH3)- (CH3) 2CHCH2- CH

9、3CH2CH2CH2- 特丁基 仲丁基 异丁基 正丁基,含有双键和叁键的基团，可以认为连有两个或叁个相同的原子,OH -CHO -CH2OH,将下面基团按照次序规则排列顺序,5）如果两个不同取代基所取代的位置按两种编号法位号相同时，命名时按顺序规则中顺序较小的基团一端编号,6）如支链上还有取代基，则从主链相连的碳原子开始，将支链的碳原子依次编号，支链上取代基的位置就由这个编号所得的位号表示，把这个取代基的位号写在支链位号的后面和支链名称的前面，例如,7）复杂烷烃如有两个以上等长的碳链，可按下列原则选择主链： 选具有支链数目最多的为主链,选择支链位号最小的为主链,2，6-二甲基-4-乙基-5-异

10、丙基辛烷 2-甲基-5-（1，1-二甲丙基）癸烷,命名以及写出结构式,2.3 烷烃的结构,2.3.1 甲烷的结构和sp3杂化轨道,甲烷的球棒模型,烷烃分子之中碳原子为正四面体构型 。甲烷分子 之中，碳原子位于正四面体构的中心，四个氢原子在四面体的四个顶点上，四个C-H键长都为0.109nm，所有键角 H-C-H都是109.5,甲烷的正四面体构型,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,杂化就是由若干个不同类型的原子轨道混合起来，重新组合成数目相等的.能量相同的新轨道的过程。 C的电子构型：1S22S22P2,sp3杂化轨道的特点,1) 具有更强的方向性，能更有效地与别的原

11、子轨道重叠形成稳定的化学键。每个sp3杂化轨道，各含1/4 S成份3/4 P成份。 (2) sp3杂化轨道的空间取向是指向正四面体的顶点。 (3) sp3杂化轨道夹角是10928，使四个键角之间尽可能的远离,4. 在形成甲烷分子时，4个氢原子的S轨道分别沿着碳原子的SP3杂化轨道的对称轴靠近，当它们之间的吸引力与斥力达到平衡时，形成了4个等同的碳氢 键。 键：沿键轴旋转，它的形状和位相符号不变。 键的特点： （1）重叠程度大，不容易断裂，性质不活泼。 （2）能围绕其对称轴进行自由旋转,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,其他

12、烷烃：据测定，除乙烷外，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相对旋转，形成了不同的空间排布。实际上，在室温下烷烃（液态）的各种不同排布方式经常不断地互相转变着,丁烷的球棒模型,为了方便，只要写出锯齿形骨架,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.但其它原子必须写出,注意:键线式书写烷烃的分子结构,烷烃的构象,由于单键可以“自由”旋转。使分子中原子或基团在空间产生不同的排列，这种特定的排列形式称为构象。由单键旋转而产生的异构体，称为构象异构

13、体或旋转异构体。几种构象的表示形式,伞形式 锯架式 纽曼投影式 表示前碳 表示后碳,乙烷的构象,由于碳碳键可以旋转，所以按照每旋转60可得到的构象分别为,1) 球棒模型,乙烷的重叠式构象,重叠式、交叉式构象比较,3)纽曼投影式,重叠式构象 交叉式构象,重叠式构象 交叉式构象,2)透视式表示乙烷的构象,乙烷分子各种构象的能量曲线,12.6kJ/mol,丁烷的结构（模型,2.4.2丁烷的构象,为 主,2.4.2丁烷的构象,丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化,丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化,烷烃的物理性质,1、状态：在常温常压下，1至4个碳原子的直链烷烃是气体，5

14、至16个碳原子的是液体，17个以上的是固体。 2、熔沸点：随分子量的增大而升高，原因： 分子大，接触面积大，范德华力大； 分子大，分子运动所需能量大。 A 烷烃的沸点 随C数增加的变化： 1) 直链烷烃的沸点随着分子量(碳数)的增加而有规律地升高,并且升高的趋势渐缓； 2) 在含同数碳原子的烷烃异构体中,直链异构体的沸点最高,支链越多,沸点越低,B 烷烃的熔点： 1）直链烷烃的熔点随分子量(碳数)的增加而升高. 2）支链烷烃的熔点比直链烷烃低. 3溶解度：烷烃是非极性分子，又不具备形成氢键的结构条件，所以不溶于水，而易溶于非极性的或弱极性的有机溶剂中。 4密度：烷烃是在所有有机化合物中密度最小

15、的一类化合物。无论是液体还是固体，烷烃的密度均比水小。随着分子量的增大，烷烃的密度也逐渐增大,烷烃的化学性质稳定（特别是正烷烃）。在一般条件下（常温、常压），与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及金属钠等都不起反应，或反应速度极慢。 原因： （1） 其共价键都为键，键能大 C-H 390435KJ/mol C-C 345.6KJ/mol （2）分子中的共价键不易极化（电负性差别小C2.5， H2.2） 但稳定性是相对的、有条件的，在一定条件下（如高温、高压、光照、催化剂），烷烃也能起一些化学反应,2.6 烷烃的化学性质,2.6.4 取代反应,烷烃与某试剂可以发生反应，结果烷烃分子中的氢

16、原子可被其他原子或原子团取代，这种反应叫做取代反应,烷烃卤代反应一般指 氯代和溴代, 而氟代剧烈（爆炸性反应），碘代很难直接发生 卤素反应的活性次序为：F2 Cl2 Br2 I2,在紫外光漫射或高温下，甲烷易与氯、溴发生反应,甲烷的卤代反应较难停留在一元阶段，氯甲烷还会继续发生氯化反应，生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。 若控制一定的反应条件和原料的用量比，可得其中一种氯代烷为主要的产物。 比如 甲烷 ：氯气 = 10 ：1 （400450时）CH3Cl占98% = 1 ：4 （400时）主要为CCl4,实验事实证明： 1. 甲烷和氯气在室温下和暗处可以长期保存而并不起反应。 2. 在暗处，若

17、温度高于250时，反应立即发生。 3. 在室温有紫外光的照射下，反应立即发生。 4. 若将Cl2先用光照射，然后迅速在黑暗中与甲烷混合，则发生氯代反应。 5. 若将Cl2照射后，在黑暗中放置一段时间，然后与甲烷混合，反应又不发生,2其他烷烃的氯代反应 1） 反应条件与甲烷的氯代相同（光照），但产物更为复杂，因氯可取代不同碳原子上的氢，得到各种一氯代或多氯代产物。例如,2） 伯、仲、叔氢的相对反应活性,分子中，有六个等价伯氢，两个等价仲氢，若氢的活性一样，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这说明在室温氯代时，各类氢的反应活性是不一

18、样的， 氢的相对活性 = 产物的数量被取代的等价氢的个数。这样可知,即仲氢与伯氢的相对活性为4 ：1,异丁烷一氯代物,同理可求得叔氢的相对反应活性,即叔氢的反应活性为伯氢的5倍,室温时三种氢的相对活性为： 3H ：2H ：1H = 5 ：4 ：1 在高温时（450）氯代时三种氢的活性接近于1 ：1 ：1。 溴代反应时（光照，127），三种氢的相对活性为： 3H ：2H ：1H = 1600 ：82 ：1 如,故溴代反应的选择性好，在有机合成中比氯带更有用,烷烃的卤代反应历程,反应历程 化学反应所经历的途径或过程，又称为反应机理。 反应历程是根据大量的实验事实作出来的理论推导，实验事实越丰富，可

19、靠的程度就越大。到目前为止，有些已被公认确定下来，有些尚欠成熟，有待于理论化学工作者的进一步努力,2.7 甲烷氯代反应历程,从上可以看出，一旦有自由基生成，反应就能连续的进行下去，这样周而复始，反复不断的进行反应，故又称为链锁反应（free radical chain reaction）。 凡是自由基反应，都是经过链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的,1) 反应热反应物与产物之间的能量差(H).负值为放热.用键离解能估算. CH3-H + Cl-Cl CH3-Cl + H-Cl 435 243 349 431 678 780 H=678-780= -102 kI/mol CH3-H +

20、 Br-Br CH3-Br + H-Br 435 192 293 366 627 659 H=627-659= -32 kI/mol,2.8 甲烷氯代反应过程的能量变化,说明:比较反应热 ,溴代反应比氯代反应缓慢,反应热、活化能和过渡态,1) Cl-Cl 2Cl 243 H= + 243 kj/mol (2) Cl + H-CH3 H-Cl + CH3 435 431 H= + 4 kj/mol (3) CH3 + Cl-Cl CH3-Cl + Cl 243 349 H= -106 kj/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

21、活化能,Cl + H-CH3 H3CHCl H-Cl + CH3 反应的能量变化,总： Cl + H-CH3 CH3-Cl + Cl 能量变化,X2 2X (光或热) X + RH HX + R R + X2 RX + X . X + X X2 R + X RX R + R R-R,2.9 一般烷烃的卤代反应历程,1)链的引发,2)链增长(链传递,3)链终止,自由基的稳定性 两个反应产物的比例与反应物中该种氢的比例不相一致，其原因是由于中间体的稳定性不同，两个反应的中间体均为自由基， 自由基越稳定则越易生成，又由于自由基反应的定速步骤为自由基的生成，因此自由基越稳定，生成相应的产物的反应越快,2.6.1 氧化反应,1、燃烧 燃烧反应的机制非常复杂，但也是自由基反应。 1、完全燃烧 用途：可用燃烧来测定它们的C、H含量。 很好的燃料。 2、不完全燃烧 烷烃的不完全燃烧会产生有毒的CO和黑烟C，是汽车尾气所造成的空气污染之一。 用途：炭黑是黑