有机化学02-烷烃.ppt

1、Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,第二章,烷 烃 alkane 1、烷烃的构造异构及命名 2、烷烃的构型及构象 3、烷烃的物理性质及化学性质 4、卤代反应机理,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烃(hydrocarbons)：仅由C、H两种元素组成的有机化合物,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构造异构,通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质随 碳原子数的增加而有规律变化的化合物系列,烷烃的通式：CnH2n+2 （例：CH4, C2H6, C3H8, C4H10, ）,同

2、系列 （同系物, Homolog）,同系列中的化合物为同系物,构造异构：具有相同的分子式，但原子的连接顺序不同的分子,C4H10,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构造异构,C5H12,C6H14,C25H52,3679万,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,（1）碳、氢类型 伯、仲、叔、季 （1o、2o、3o、 4o）,与一个碳原子相连的碳原子 1o碳（伯碳、一级碳） 与两个碳原子相连的碳原子 2o碳（仲碳、二级碳） 与三个碳原子相连的碳原子 3o碳（叔碳、三级碳） 与四个碳原子相连的碳原子 4o碳（

3、季碳、四级碳）,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,与伯碳原子相连的氢原子 1o氢（伯氢、一级氢） 与仲碳原子相连的氢原子 2o氢（仲氢、二级氢） 与叔碳原子相连的氢原子 3o氢（叔氢、三级氢）,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,（2）烷基的命名 烷烃分子中去掉一个氢原子剩下的原子团。,甲基(Me) methyl,乙基(Et) ethyl,丙基(Pr) propyl,异丙基(i-Pr) isopropyl,异丁基 (i-Bu) isobutyl,仲丁基(s-Bu) sec-butyl,叔丁基(t-

4、Bu) tert-butyl,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,亚基：一个化合物从形式上去掉两个单价或一个双价的原子或原子团的剩余部分。,亚甲基 methylidene,亚乙基 ethylidene,亚异丙基 isopropylidene,次基：一个化合物从形式上去掉三个单价（同一原子）或一个叁价的原子或原子团的剩余部分。,次甲基 methylidyne,次乙基 ethylidyne,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,（3）次序规则 命名时，决定不同取代基的排列次序。, 单原子取代基按其原子序数

5、大小排列，大者为“较优” 基团。若为同位素，则质量大的为“较优”基团。,“”表示“优于”,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,多原子取代基则逐个原子顺次比较，排出优先次序。,两个基团的第一个原子所连接的原子或基团相同（C、H、H） 则比较第二个原子：,丁基：C、H、H 异丁基：C、C、H,异丁基丁基,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,含有双键或三键基团，可以认为连有两个或三个相同原子。,乙烯基第一个原子：C、C、H 乙炔基第一个原子：C、C、C,乙炔基乙烯基,练习：比较-COOH、-OH、-CH2

6、OH、-CHO的次序？ 比较苯基、乙烯基、异丙基、氯乙基的次序？,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,普通命名法 系统命名法,用于简单的化合物命名，习惯命名法 碳原子数目 + 烷 英文命名用词尾-ane表示烷烃,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,正丁烷,异丁烷,正戊烷,异戊烷,新戊烷,n-butane,isobutane,n-pentane,isopentane,neopentane,异构体用“正、异、新”词头区别； 相应的英文为“n-、iso、neo”； 碳原子数大于10用汉文数字表示。,Org

7、anic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,系统命名法 IUPAC命名法,国际纯粹与应用化学联合会 （International Union of Pure and Applied Chemistry）,1979,1980,原则：“一名对一物”（可能“一物对多名”）,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,直链烷烃：同普通命名法，去掉“正”字,支链烷烃：（1）选主链 碳原子数最多的碳链为主链,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,A,B,支链较多为主链,Organic C

8、hemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,（2）编号 a. 从靠近取代基一端开始编号,b. “最低系列”原则：选择取代基的编号顺次逐项比较为最小的编号。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,（3）书写 取代基位次 取代基名称 母体名称 a.含有几个相同的取代基时，取代基名称前用二、三、 四等表示其数目，其位次则必须逐个注明，位次的 阿拉伯数字之间以“，”隔开。,2-甲基己烷 2-methylhexane,2,3,5-三甲基己烷 2,3,5-trimethylhexane,Organic Chemistry,化 学 与 生

9、命 科 学 学 院,烷烃的命名,b. 含有几个不同的取代基时，按照“次序规则”，优先后出,4-丙基-6-异丙基壬烷,4-isopropyl-6-propylnonane,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,C.若支链上还有取代基时，这个取代了的支链的名称可放在 括号中或用带撇的数字来标明支链中的碳原子。,2-甲基-5-（1,2-二甲基丙基）癸烷 2-甲基-5-1,2-二甲基丙基癸烷,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,d. IUPAC法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。英文名称中的一、二、三和

10、四等数字用相应的词头“mono”、“di”、“tri”和“tetra”等表示，简单的取代基英文数字词头不参加字母顺序排列，但“iso”,“neo”则参与排序。,2,5-二甲基-3-乙基己烷,3-ethyl-2,5-dimethylhexane,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的命名,2,8-二甲基-4-乙基壬烷,4-ethyl-2,8-dimethylnonane,命名总结：长、多、低,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,甲烷,正四面体 C-H键长0.109nm 键角10928,分子模型,Kekul 模

11、型,Stuart 模型,构型：具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,两个成单电子，呈2价 4个C-H完全相等,？,碳的sp3杂化,基态 激发态 杂化态,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,最稳定的排列方式, S + P,甲烷分子的形成,形成4个C-H 键,?,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,键,原子轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称(头碰头)的轨道称为轨道。轨道构成的共价键称为键。,sp3-s 键,

12、键,沿着轨道对称轴平行方向的重叠（肩并肩）形成的共价键。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,键的特点：, 键电子云重叠程度大，键能大，不易断裂； 键可自由旋转(成键原子绕键轴的相对旋转不改变电子云的形状)； 两核间不能有两个或两个以上的键。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,乙烷 C2H6,C-H 键 sp3s,C-C键 sp3sp3,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的

13、构型,分子立体结构的表示方法,楔形透视式,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,锯架透视式,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构型,纽曼投影式,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,构象(Conformation)：是具有一定构造的分子，因单键旋转 改变其原子或原子团在空间的相对位置而呈现的不同立体形象。,乙烷的构象,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,球棍模型,楔形式,锯架式,纽曼式,重叠式,交叉式,Organ

14、ic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,当二个氢原子的间距少于240pm（即二个氢原子的范德华半径之和）时，氢原子之间会产生排斥力，从而使分子内能增高。 键成键电子之间的扭转张力,重叠式,交叉式,稳定性：交叉式 重叠式,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,丁烷的构象,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象

15、,室温下，对位交叉式占63%，邻位交叉式占37%,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的构象,乙二醇,2-氯乙醇,由于可以形成分子内氢键， 主要是以邻位交叉式存在。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的物理性质,1 物质状态,烷烃在室温常压下：1C4C (g)，5C16C (l)，17C(s), 沸点 bp.,烷烃的沸点随分子量的增加而逐渐升高；,CH3(CH2)3CH3,bp./ ,36.1,68.9,98.4,CH3(CH2)

16、4CH3,CH3(CH2)5CH3,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的物理性质,相同分子量的烷烃，支链越多，沸点越低。,C5H12 b.p.36 9.5,分子间接触面积大作用力强,分子间接触面小，作用力弱,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的物理性质, 熔点 mp.,直链烷烃的熔点随分子量的增加而升高，其中含偶数个碳原子的升高得多些。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的物理性质,原因：在晶体中，分子之间的作用力不仅取决于分子的大小，而且和分子的对称性有关。,mp./

17、 ,-129.7,-159.9,-16.6,分子量相同的烷烃异构体中，对称性大的熔点高些。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的物理性质,烷烃不溶解于水，易溶解于有机溶剂。, 相对密度 d,相对密度，是有机物的质量与同体积水的质量比，是无单位的量。, 溶解度,直链烷烃的相对密度随着分子量的增加而增大，最后趋近于最大值0.78(20)。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质, 烷烃的稳定性,在常温下，强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂等都不能和烷烃起反应，或反应速度很慢。,原因：,烷烃是饱和烃，CC键和CH键

18、都是比较牢固的共价键(键)，键能较大；,分子无极性(0)，碳和氢的电负性差别小(C：2.5，H：2.2)，分子中的共价键不易极化；,分子中无官能团。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质, 氧化反应,燃烧(完全氧化),部分氧化(控制氧化),C10C20的脂肪酸可代替天然油脂制肥皂,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,在高温无氧条件下使烷烃分子中的C-C键和C-H键发生断裂的反应。, 热裂反应,目的是使石油工业的重馏份转变为轻馏份，提高汽油的产量和质量。,Organic Chemistry,化

19、学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,4 卤代反应,甲烷的氯代反应,氯甲烷混合物,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,反应速率: F2 Cl2 Br2 I2 （不反应）,F2 ：反应过分剧烈、较难控制 Cl2 ：正常（常温下可发生反应） Br2 ：稍慢（加热下可发生反应） I2 ：不反应。即使反应, 其逆反应易进行,主要讨论的内容,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,其它烷烃的氯代反应,1-氯丙烷,2-氯丙烷,1H与2H的活性比：,43%,57%,Organic Chemistry

20、,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,2-甲基-1-氯丙烷,2-甲基-2-氯丙烷,1H与3H的活性比：,64%,36%,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,氢原子被氯取代的难易：叔氢 仲氢 伯氢,解释：CH键断裂的难易,室温时，氯代反应的平均活性：,3H : 2H : 1H = 5 : 4 : 1,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,1-氯丁烷(A),2-氯丁烷(B),Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃的化学性质,其它烷烃的溴代反应,

21、溴化反应的选择性比氯化反应高得多。,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃卤代反应历程,反应历程： 化学反应所经历的途径或过程，反应机理。,完全正确,？,研究内容： 反应步骤 反应中心 价键变化 影响因素,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃卤代反应历程,甲烷的氯代反应,实验事实：（1）甲烷氯气混合物室温暗处不反应 （2）混合物高温或光照下迅速反应 （3）甲烷光照后，与氯混合不反应 （4）氯光照后，与甲烷混合迅速反应 （5）少量的氧的存在会推迟反应进行 （6）产物有少量乙烷,？,Organic Chemistry,化

22、 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃卤代反应历程,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃卤代反应历程,Step 1 链引发,生成自由基,？,Bond energy,242.2kJ/mol,415.3kJ/mol,345.6kJ/mol,Energy to break one bond,4.02310-19J,6.89910-19J,5.74110-19J,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃卤代反应历程,Step 2 链增长,消耗旧自由基 生成新自由基,？,H=104 KJ/mol,H=7.5 KJ/mol,吸热更多，不易进行,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃卤代反应历程,Step 3 链终止,Organic Chemistry,化 学 与 生 命 科 学 学 院,烷烃卤代反应历程,烷基自由基的稳定性,叔氢 仲氢 伯氢,？,烷基自由基稳定性顺序： 3 2 1,Organic Chemistry,