第二章烷烃ppt课件

1、第二章第二章 烷烃烷烃 Alkanes, cycloalkanes and their conformations 第一节第一节 烷烃的构造异构、结构与命烷烃的构造异构、结构与命名名一一. 同系列和同分异构同系列和同分异构烃：只含有碳原子和氢原子的化合物。分为脂肪烃：只含有碳原子和氢原子的化合物。分为脂肪烃和脂环烃，又可分为饱和与不饱和烃。开链的烃和脂环烃，又可分为饱和与不饱和烃。开链的称为脂肪烃，闭合成环的称为脂环烃。称为脂肪烃，闭合成环的称为脂环烃。芳香烃单环芳烃、多环芳烃烃烃开链烃开链烃饱和脂肪烃 烷烃不饱和脂肪烃烯烃炔烃环烃环烃脂环烃单环环烷烃、环烯烃、环炔烃多环螺环桥环饱和、不饱和脂

2、环烃单环环烷烃、环烯烃、环炔烃多环螺环桥环饱和、不饱和C4H10CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3C5H12烷烃：通式烷烃：通式CnH2n+2, 在组成上相差在组成上相差CH2及其整数倍及其整数倍，同系列中的各化合物互为同系物。同系物结构相似，同系列中的各化合物互为同系物。同系物结构相似, 化学性质相近。化学性质相近。同分异构体：具有相同分子式的不同化合物。同分异同分异构体：具有相同分子式的不同化合物。同分异构分为构造异构和立体异构。构分为构造异构和立体异构。构造异构体：具有相同分子式构造异构体：具有相同分子式, 分子中原子或基团因连接分子中原子或基团因连接顺序不同而产生的异构体。

3、顺序不同而产生的异构体。由碳架不同引起的异构，称碳架异构。由碳架不同引起的异构，称碳架异构。(属构造异构属构造异构)烷烃随碳、氢原子数的增加，而出现不同的构造状态。烷烃随碳、氢原子数的增加，而出现不同的构造状态。碳数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20异构数 1 1 1 2 3 5 9 18 35 75 4347 366,319天然气含天然气含75%甲烷、甲烷、10%乙烷、乙烷、5%丙烷。丙烷。石油的主要成分为：含石油的主要成分为：含550个碳原子的链状烷烃及个碳原子的链状烷烃及少量环烃和其他衍生物。少量环烃和其他衍生物。天然气 C1C6 20以下液体石油(石油醚) C5C6

4、 2060汽油 C4C8 40200煤油 C10C16 175275柴油 C15C20 250400润滑油 C18C22 300石蜡 C20C30 350沥青 C30以上 不挥发1.烷烃的结构特征烷烃的结构特征n碳原子都是碳原子都是 sp3 杂化杂化 ，呈四面体结构，呈四面体结构n键角约为键角约为109.5 nCC 键的平均键长为键的平均键长为154pm，CH 键的平键的平均键长为均键长为107pm HCHHHHCHHH109.5109.5CHHHHCsp3Hs基态时基态时 C C：1s2 2s2 2px1 2py1 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0 2pz0 sp3杂化 激发态

5、sp3简单烷烃的结构 烷烃分子立体形状表示方法：烷烃分子立体形状表示方法：实线实线- -键在纸平面上键在纸平面上; ;楔线楔线- -键在纸平面前键在纸平面前; ;虚线虚线- -键在纸平面后。键在纸平面后。CCHHHHHHCCHHHHHH斯陶特模型斯陶特模型 书写结构简式时，书写结构简式时，C-H和和C-C单键可省略。单键可省略。 H H H H H H-C-C-C-C-C-H CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 H H H H H键联式的书写，键联式的书写，H原子和原子和C原子都可省略。以拐点原子都可省略。以拐点表示表示C。CCCCCCHHHHHHHHHHHHCH2CH2CH2CH2CH2

6、CH2CH3CH2CH2CH2CH3(CH3)2CHCH2CH2(CH3)CH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CHCH2CH2CH3CH3CH3CH3CH2CHCHCH3OHCH3CH3CH2CHCH(CH3)2OHOHCH3CH=CHCH2CH2CH(CH3)2OH(CH3)3CCH2CH(CH2CH3)2CH3CCH2CHCH2CH3CH3CH3CH2CH32. 烷烃的构象烷烃的构象(Conformation)n构象：分子中的原子或基团在空间的特定构象：分子中的原子或基团在空间的特定排列形式排列形式n构象异构体：由单键旋转而产生的异构体构象异构体：由单键旋转而产生的异构体n单键旋转会产

7、生无数个构象，它们互为构单键旋转会产生无数个构象，它们互为构象异构体象异构体乙烷的构象n构象式的表达方式：构象式的表达方式：nNewman 投影式、锯架式、伞式投影式、锯架式、伞式(楔形式楔形式)H HH HH HH HH HH HH HH HC C C CH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH H重重叠叠式式楔形式楔形式 锯架式锯架式 纽曼式纽曼式 H HH HH HH HH HH HCH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HCHHH交交叉叉式式 楔形式楔形式 锯架式锯架式 纽曼式纽曼式重叠式构象与交叉式构象能量差 12.1 KJmol

8、-1HHHHHHHHHHHH60O重叠式构象交叉式构象重叠式与交叉式构象的能量分析n键长：键长：CH 1.07, CC 1.54 An键角：键角：HCH 109.5n重叠式两个重叠式两个H之间距离：之间距离：2.29 An氢原子半径：氢原子半径：gH = 1.2 AC C C CH HH HH HH HH HH H2 22 29 9C C C CH HH HH HH HH HC C C CH HH HH H2 25 50 0排斥力最大排斥力最大 排斥力最小排斥力最小 内能高内能高 内能低内能低乙烷不同构象的能量曲线图60 120 180 240EHHHHHHHHHHHH重叠式构象交叉式构象HH

9、HHHHHHHHHH12.1 kJ / mol旋转角度乙烷不同构象的能量曲线图乙烷不同构象的能量曲线图 转动能：转动能：12.1kJ/mol，每对重叠氢，每对重叠氢H-C-C-H重叠张力重叠张力(扭转张力扭转张力)：4.0kJ/mol 室温下，构象异构体处于快速转化的动态平衡中，某一构象停室温下，构象异构体处于快速转化的动态平衡中，某一构象停留时间极短留时间极短( 邻位交叉式邻位交叉式 部分重叠式部分重叠式 完全重叠完全重叠式式 室温下，正丁烷构象异构体处于快速转化的动态平衡中，不能室温下，正丁烷构象异构体处于快速转化的动态平衡中，不能分离。最稳定的对位交叉构象是优势构象。分离。最稳定的对位交

10、叉构象是优势构象。 HHHHCH3H3CHHHCH3H3CCH3HHCH3HHHCH3HHCH3HH每对两面角之间的排斥力： H C C H 12/3=4kJ/mol CH3C C H (14.6-4)/2=5.3CH3C C CH3 22.6-8=14.63.8kJ/mol乙烷衍生物的构象分布乙烷衍生物的构象分布n一般情况下是对位交叉式 邻位交叉式n但也有例外的情况发生 衍生物 对位交叉的比例%ClCH2CH2Cl 70BrCH2CH2Br 8491PhCH2CH2Ph 90邻位交叉为主的特殊情况OHHHHOHHOHHHHClH二二 链烷烃的命名链烷烃的命名n1. 系统命名法系统命名法 n2

11、. 习惯命名法普通命名法）习惯命名法普通命名法）n3. 衍生物命名法衍生物命名法n4. 俗名俗名 1. 系统命名法nIUPAC命名法命名法n中文系统命名法中文系统命名法(CCS)：由中国：由中国化学会根据化学会根据IUPAC命名法的原则，命名法的原则，结合中文特点而制定的结合中文特点而制定的n系统命名法化合物名称的构成：系统命名法化合物名称的构成：n立体化学名取代基名母体名立体化学名取代基名母体名1. 碳原子和氢原子的分类及烷基的概念碳原子和氢原子的分类及烷基的概念 1伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子2烷基烷基 R- 烷烃分子去掉一个氢原子后余下的基

12、团。烷烃分子去掉一个氢原子后余下的基团。CH3C CHCH2CH3CH3CH3CH3一级碳原子二级碳原子三级碳原子四级碳原子n与一个碳相连的碳称为一级碳，伯碳，1C, 上面的氢为1H;n与两个碳相连的碳称为二级碳，仲碳，2C, 上面的氢为2H;n与三个碳相连的碳称为三级碳，叔碳，3C, 上面的氢为3H;n与四个碳相连的碳称为四级碳，季碳，4C。CH3CH2CH3CH3CH2CH2 正丙基 n-propyl (n-Pr)CH3CHCH3 异丙基 isopropyl (i-Pr)CH3CCH3CH3CH3CH2CHCH3 仲丁基 sec-butyl (s-Bu) 叔丁基 tert-butyl (t

13、-Bu)CH3CCH3CH3CH2 新戊基 neopentyl CH3 CH3CHCH2 异丁基 i so-butyl (i -Bu)HCH3 C3C C3HHCH3CH2CH2C3HHCH3 C3C C3HHCH3CCH3CH3CH3CH3 甲基 methyl (Me)CH3CH2 乙基 ethyl (Et)直链烷烃的命名n按照分子中所含的碳原子数而称为按照分子中所含的碳原子数而称为“某烷某烷 ”n碳原子数在十个以下的，用天干甲、乙、碳原子数在十个以下的，用天干甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来表示丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来表示 n碳原子数在十个以上的，用中文数字十一、碳原子数在

14、十个以上的，用中文数字十一、十二、十三十二、十三来表示来表示 主链及编号主链及编号n选择含取代基多的最长碳链n最低系列规则CH3CCHCH2CHCH3CH3CH3CH3 6 5 4 3 2 12,2,3,5-四甲基己烷CH3 1 2 3 4 5 6CH3CH2CHCHCHCHCH3CH2CH3CH2CH3CH3CH37 6 5 4 3 2 12,3,5-三甲基-4-丙基庚烷取代基n相同的取代基合并，列出各取代基位号并用中文数字表示取代基数目n取代基上带支链的，给支链编号，命名方式有2种：10 9 8 7 6 5 4 3 2 1CCH2CH2CHCH3CCH3CCH3CH2CH2CH2CH2CH

15、3CH3CH3CH2CH3CH3CH3CH21122332-甲基5,5-二(1,1-二甲基丙基)癸烷2-甲基5,5-二-1,1-二甲基丙基癸烷英文命名Alkane “烷”词尾-aneAlkyl “基”词尾-ane变为 -ylMethaneHeptaneEthaneOctanePropaneNonaneButaneDecanePentaneUndecaneHexaneTridecane词头词头nmono, di, tri, tetra, penta, hexan 代表取代基个数单、双、叁等。代表取代基个数单、双、叁等。nn(正正) , iso(异异) , neo(新新) 代表取代基异代表取代基异

16、构。构。nsec(二级二级,仲仲) , tert(三级三级,叔叔) 代表取代基代表取代基异构。异构。n表示取代基个数的词头不参与字顺排序表示取代基个数的词头不参与字顺排序, iso, neo 参与字顺排序参与字顺排序取代基nIUPAC保留了保留了8个烷基的俗名个烷基的俗名:nIsopropyl 异丙基，异丙基， Isobutyl 异丁基异丁基nsec-Butyl 仲丁基，仲丁基，tert-Butyl 叔丁基叔丁基nIsopentyl 异戊基，异戊基，tert-Pentyl 叔戊基叔戊基nNeopentyl 新戊基，新戊基，Isohexyl 异己基异己基n缩写缩写:n Me methyl 甲基甲

17、基, Et ethyl 乙乙基基 , Pr propyl 丙基丙基, Bu butyl 丁丁基基, Ph phenyl 苯基苯基IUPAC与与CCS命名的差别命名的差别CH3CH2CHCHCHCHCH3CH2CH3CH3CH3CH37 6 5 4 3 2 12,3,5-三甲基-4-乙基庚烷4-Ethyl-2,3,5-trimethylheptane2. 习惯命名法普通命名法）习惯命名法普通命名法）n直链烷烃命名为正某烷直链烷烃命名为正某烷n带支链的烷烃用带支链的烷烃用“异异”, “新等区别新等区别CH3CHCH3CH2CH3异戊烷CH3CCH2CH3CH3CH3新己烷衍生物命名法衍生物命名法n

18、以甲烷为母体，其它为取代基命名以甲烷为母体，其它为取代基命名 CHCH3CHCCH2CH2CH3 CH3 CH3二甲基丙基异丙基甲烷二甲基丙基异丙基甲烷俗名俗名n根据其来源而命名，如甲烷又称沼根据其来源而命名，如甲烷又称沼气气第二节第二节 烷烃的物理性质烷烃的物理性质n物理性质物理性质不需要发生化学变化就表现不需要发生化学变化就表现出来的性质出来的性质n外观：形状、颜色、气味外观：形状、颜色、气味n物理常数：物理常数：m.p. , b.p. , n20D , a20D , d , m , 溶解度溶解度 物理性质与化合物的结构有关物理性质与化合物的结构有关1.形状形状 2.沸点沸点(bp) 3.

19、熔点熔点(mp) 4.相对密度相对密度 5.溶解度溶解度烷烃分子同系物中，随碳原子数的增加，其沸点也相烷烃分子同系物中，随碳原子数的增加，其沸点也相应升高。在分子式相同的构造异构体中，支链越多，应升高。在分子式相同的构造异构体中，支链越多，分子间距越大，其沸点越低。分子间距越大，其沸点越低。m.p. -129.8oC -159.9oC -16.8oCb.p. 36.1 28 9.5烷烃分子同系物中，随碳原子数的增加，其熔烷烃分子同系物中，随碳原子数的增加，其熔点也曲线升高。偶数碳原子直链烷烃熔点大于点也曲线升高。偶数碳原子直链烷烃熔点大于相邻的两个奇数碳原子烷烃，在分子式相同的相邻的两个奇数碳

20、原子烷烃，在分子式相同的构造异构体中，对称性越好，分子在晶格中的构造异构体中，对称性越好，分子在晶格中的排列越紧密，其熔点越高。排列越紧密，其熔点越高。奇数碳奇数碳偶数碳偶数碳烷烃分子同系物中，随碳原子数的增加，状烷烃分子同系物中，随碳原子数的增加，状态趋于固态，相对密度趋于态趋于固态，相对密度趋于0.8，非极性，难，非极性，难溶于水，易溶于溶于水，易溶于CCl4。第三节第三节 烷烃的化学性质烷烃的化学性质n烷烃分子中只有碳碳，碳氢烷烃分子中只有碳碳，碳氢 s-键，故十分稳定键，故十分稳定n碳氢键的极性小，不易发生异裂，碳氢键的极性小，不易发生异裂，一般发生均裂一般发生均裂化学性质取决于分子的

21、结构。化学性质取决于分子的结构。C-C、C-H键键键键能较大能较大,极性较小，烷烃稳定。高温、光照等条极性较小，烷烃稳定。高温、光照等条件下烷烃具有反应活性。件下烷烃具有反应活性。1.1.异构化反应异构化反应烷烃主要有以下化学性质：烷烃主要有以下化学性质：1.异构化反应异构化反应 2.卤代反应卤代反应 3. 燃烧反应燃烧反应 4. 热裂化反应热裂化反应 5.硝硝化反应和磺化反应等化反应和磺化反应等CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3AlBr3, HBr27 20%80%2. 烷烃的卤化烷烃的卤化甲烷氯化反应的产物甲烷氯化反应的产物 甲烷的氯代反应，如果适当地控制反应条件和加入的CH4

22、和Cl2的比例，可以控制得到一氯甲烷(CH3 Cl)和四氯甲烷(CCl4)的产量。甲烷氯化反应的产物甲烷氯化反应的产物热氯化方法控制温度在400450之间，如果甲烷：氯=10：1时，产物以CH3Cl为主。如果甲烷：氯=1：4时，产物以CCl4为主。缩短反应时间有利于生成CH3Cl。反应活性反应活性n氯化和溴化是常用反应氯化和溴化是常用反应n氟化反应大量放热，难以控制氟化反应大量放热，难以控制n碘化反应吸热，反应很慢碘化反应吸热，反应很慢nF2 Cl2 Br2 I2氢原子的反应活性和碳自由基的稳定性氢原子的反应活性和碳自由基的稳定性n烷烃分子中处于不同状态的氢原子(伯、仲、叔氢)，在发生卤代反应

23、时,其反应活性并不一致。因其C-H键发生均裂所需能量(键的离解能)不同。根据实验测定不同氢原子的反应活性如下：叔氢原子仲氢原子伯氢原子n各氢原子的反应活性与反应的中间产物碳自由基稳定性有关。自由基越稳定则在反应中越易形成，因此，反应速度越快。碳自由基的稳定性如下：CH3CH3CCH3CH3CHCH3CH3CH2CH3Cl2, -HClCH3CH2CH3 CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH345%Cl55%250Cl2, -HClCH3CHCH3 CH3CH2CH2Cl + CH3CCH364%Cl36%250CH3CH3CH3氯 代Cl2, -HClCH3CH2CH2CH3 CH3(C

24、H2)3Cl + CH3CHCH2CH328%Cl72%250Br2, -HBrCH3CH2CH3 CH3CH2CH2Br + CH3CHCH33%Br97%170Br2, -HBr CH3CH2CH2CH3 CH3(CH2)3Br + CH3CHCH2CH32%Br98%170Br2, -HBrCH3CHCH3 CH3CH2CH2Br + CH3CCH3痕量Br100%250CH3CH3CH3溴 代反应的选择性反应的选择性CH3CH2CH2CH3 + Cl2CH3CH2CH2CH2Cl + CH3CH2CHCH3hv35Cl28% 72%CH3CHCH3 + Cl2(CH3)2CHCH2Cl

25、 + (CH3)3CClhv3563% 37%CH3V(1 H)：V(2 H) = 28 / 6 ：72 / 4 =1：4V(1 H)：V(3 H) = 63 / 9 ：37 / 1 =1：5.3V(1 H)：V(2 H) ： V(3 H) =1：4：5.3溴化反应的选择性溴化反应的选择性n溴化反应的选择性更好溴化反应的选择性更好CH3CH2CH3 + Br2CH3CH2CH2Br + CH3CHCH3hv127 3% 97%CH3CHCH3 + Br2(CH3)2CHCH2Cl + (CH3)3CClhv12763% 37%CH3V(1 H)：V(2 H) ： V(3 H) =1：82：1600Br3. 烷烃的硝化和磺化烷烃的硝化和磺化CH3CH2CH3 + HNO3CH3NO2 + CH3CH2NO2+ CH3C