《S饱和脂肪烃》PPT课件.ppt

第二章第二章 饱和脂肪烃饱和脂肪烃 目的要求目的要求：掌握烷烃的同分异构现象及系统命名方法；掌握烷烃的同分异构现象及系统命名方法；掌握烷烃的结构及杂化轨道理论；掌握烷烃的结构及杂化轨道理论；掌握烷烃的性质；掌握烷烃的性质；.了解烷烃的构象；了解烷烃的构象；5.5.了解烷烃的来源及用途。了解烷烃的来源及用途。烷烃的基本结构特征烷烃的基本结构特征（1）碳原子彼此以）碳原子彼此以单键单键相连；相连；（2）与碳结合的）与碳结合的氢原子数目已达最高限度氢原子数目已达最高限度，不，不能再增加，故又称为能再增加，故又称为“饱和烃饱和烃”。分子通式分子通式：CnH2n+2 仅有仅有碳氢碳氢两种元素组成的化合物称为两种元素组成的化合物称为烃烃。碳原子与其他原子以碳原子与其他原子以单键单键相连且达相连且达最大限度最大限度，称饱和烃，开链的饱和烃即为烷烃。称饱和烃，开链的饱和烃即为烷烃。也即烷烃的基本结构特征为：也即烷烃的基本结构特征为：一、同系列及异构现象一、同系列及异构现象1、同系列、同系物、同系差同系列、同系物、同系差从几种简单的烷烃看：从几种简单的烷烃看：甲烷甲烷 CH4H-CH2-H 乙烷乙烷 C2H6H-(CH2)2-H 丙烷丙烷 C3H8H-(CH2)3-H 丁烷丁烷 C4H10H-(CH2)4-H.通式通式 CnH2n+2H-(CH2)n-H 同系列同系列：凡是具有同一个通式，结构相似，化学性质也凡是具有同一个通式，结构相似，化学性质也 相似，物理性质则随碳原子数的增加而有规律相似，物理性质则随碳原子数的增加而有规律 地变化的化合物系列为。地变化的化合物系列为。同系物同系物：同系列中各化合物彼此互称为。：同系列中各化合物彼此互称为。同系差同系差：相邻同系物在组成上相差一个恒定的：相邻同系物在组成上相差一个恒定的结构增量结构增量 即即CH2。2 2、烃的同分异构现象、烃的同分异构现象甲烷、乙烷、丙烷只有一种结合方式，没有甲烷、乙烷、丙烷只有一种结合方式，没有异构现象。异构现象。丁烷有二种结合方式：丁烷有二种结合方式：正丁烷正丁烷异丁烷异丁烷戊烷有三种结合方式：戊烷有三种结合方式：正戊烷正戊烷异戊烷异戊烷新戊烷新戊烷象丁烷或戊烷中二个分子的不同在于分象丁烷或戊烷中二个分子的不同在于分子中原子相互连接的方式和次序不同。这种子中原子相互连接的方式和次序不同。这种现象称为现象称为同分异构现象同分异构现象。分子中原子互相连接的方式和次序称分子中原子互相连接的方式和次序称构造构造;我们把分子式相同，构造不同的异构体称为我们把分子式相同，构造不同的异构体称为构造异构体构造异构体。随着碳原子数的增加，异构体的数目增加很快：随着碳原子数的增加，异构体的数目增加很快：C C原子数原子数 4 5 6 74 5 6 7 10 13 10 13 25 25 异构体数异构体数 2 3 5 92 3 5 9 75 75 802 802 3679 3679万多个万多个 结构异构存在的意义：结构异构存在的意义：说明有机化合物数目庞大的原因之一；说明有机化合物数目庞大的原因之一；认识一个有机化合物仅知道分子式是不认识一个有机化合物仅知道分子式是不够的，只有知道其分子结构，才能有全面的认识。够的，只有知道其分子结构，才能有全面的认识。3 3、碳原子和氢原子的类型、碳原子和氢原子的类型伯碳：或第一碳，或伯碳：或第一碳，或1级，用级，用1表示表示与一个与一个C原子直接相连。原子直接相连。仲碳：或第二碳，或仲碳：或第二碳，或2级，用级，用2表示表示与二个与二个C原子直接相连。原子直接相连。叔碳：或第三碳，或叔碳：或第三碳，或3级，用级，用3表示表示与三个与三个C原子直接相连。原子直接相连。季碳：或第四碳，或季碳：或第四碳，或4级，用级，用4表示表示与四个与四个C原子直接相连。原子直接相连。甲烷是一个例外，不属于以上类型。甲烷是一个例外，不属于以上类型。二、命名二、命名1、普通命名法、普通命名法-仅适于简单烷烃仅适于简单烷烃直链的烷烃直链的烷烃（没有支链）：称为（没有支链）：称为“正某烷正某烷”。“某某”指烷烃中指烷烃中C原子的数目。用甲、乙、丙、原子的数目。用甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸表示，十以后用丁、戊、已、庚、辛、壬、癸表示，十以后用大写数字表示，十一、十二、大写数字表示，十一、十二、。例如：。例如：正正-代表不含支链的化合物代表不含支链的化合物;异异-指分子中碳链一端的第二个碳原子上带有一指分子中碳链一端的第二个碳原子上带有一个个CH3的化合物的化合物;新新-具有叔丁基结构的含五个或六个碳原子的链具有叔丁基结构的含五个或六个碳原子的链烃。烃。“异异”、“新新”只适用于少于七个碳原子的烷烃。只适用于少于七个碳原子的烷烃。支链的烷烃支链的烷烃：为区别异构体，用为区别异构体，用“正正”、“异异”、“新新”等词头表示。例如：等词头表示。例如：2、烷基的命名、烷基的命名 烷基：烷烃分子去掉氢原子剩下的原子团叫烷烷基：烷烃分子去掉氢原子剩下的原子团叫烷基，常用基，常用“R-”表示。一价基的通式为表示。一价基的通式为CnH2n+1甲基甲基CH3-(Me)methane 乙基乙基CH3CH2-(Et)ethane 丙基丙基CH3CH2CH2-(n-Pr)propane 异丙基异丙基(CH3)2CH-(i-Pr)丁基丁基CH3CH2CH2CH2-(n-Bu,butane)异丁基异丁基(CH3)2CHCH2-(i-Bu)仲丁基仲丁基CH3CH2CH(CH3)(sec-Bu)叔丁基叔丁基(CH3)3C-(t-Bu)亚甲基（二价基）亚甲基（二价基）次甲基（三价基）次甲基（三价基）（见（见p14下页）下页）CH2 CH3、系统命名法（又称、系统命名法（又称IUPAC命名法）命名法）(国际国际纯化学和应用化学联合会纯化学和应用化学联合会)直链烷烃直链烷烃：同普通命名法，但不加：同普通命名法，但不加“正正”字字。支链烷烃支链烷烃：按以下步骤：按以下步骤：（1）选主链选主链（母体）：选取（母体）：选取含碳原子最多含碳原子最多的的碳链为主链，即最长链；碳链为主链，即最长链；（2）编号编号：对主链上的碳原子依次编号，尽：对主链上的碳原子依次编号，尽可能可能使含支链使含支链的碳原子编号小；的碳原子编号小；（3）补充支链补充支链：将支链的位置、数量、名：将支链的位置、数量、名称补充在主链名称前。称补充在主链名称前。注意书写方式（逗点、注意书写方式（逗点、短横线等），相同的取代基合并。短横线等），相同的取代基合并。书写顺序：书写顺序：英文英文-按第一个字母的顺序；按第一个字母的顺序；中文中文-按按“次序规则次序规则”，由小，由小到大。到大。（4）支链上又有支链时，可）支链上又有支链时，可对支链进行编对支链进行编号号。（5）若分子中有两个）若分子中有两个等长等长主链，则主链，则选含支选含支链多的链多的为主链。为主链。4、次序规则：次序规则：主链上连有多个不同支链时，支链的排列顺序主链上连有多个不同支链时，支链的排列顺序按立体化学中的按立体化学中的“次序规则次序规则”，将，将较优基团较优基团列列在在后后面。面。CH3CH2CHCHCH2CH2CH3CH2CH3CH34-甲基甲基-3-乙基庚烷乙基庚烷乙基为较优基团，故应排在后面。乙基为较优基团，故应排在后面。排列较优基团的方法：排列较优基团的方法：a.各支链与母体相连的原子的各支链与母体相连的原子的原子序数大的原子序数大的，为较优基团为较优基团。b.若与母体相连的若与母体相连的第一个原子相同第一个原子相同，则，则比较第比较第二个原子二个原子，以此类推。，以此类推。c.烷基的优先次序（由小到大）：烷基的优先次序（由小到大）：甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、异戊基、甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、异戊基、异丁基、新戊基、异丙基、仲丁基、叔丁基。异丁基、新戊基、异丙基、仲丁基、叔丁基。d.最低系列编号法最低系列编号法:当主链有几个支链时当主链有几个支链时,从主链的任一端开始编从主链的任一端开始编号号,可得两套表示取代基位置的数据。逐个比可得两套表示取代基位置的数据。逐个比较两种编号法中取代基位置的数字，最先遇较两种编号法中取代基位置的数字，最先遇到位次较小者，定为到位次较小者，定为“最低系列最低系列”。例如例如：C C C C C C CC 1 2 3 4 5CCC678CC C C C C C CCCCCC1238 7 6 5 4如何命名？如何命名？2，7-二甲基二甲基-5-乙基辛烷乙基辛烷2,7-二甲基二甲基-4-乙基辛烷乙基辛烷注意：中文命名中阿拉伯数字表示取代基的注意：中文命名中阿拉伯数字表示取代基的位置，汉文数字表示取代基的数目，二者不位置，汉文数字表示取代基的数目，二者不可混淆。可混淆。3甲基戊烷2,4二甲基戊烷3甲基十一烷4,4二甲基庚烷4甲基5乙基辛烷4异丙基庚烷练习：下列化合物的系统命名法中哪些应予以改正：练习：下列化合物的系统命名法中哪些应予以改正：三、烷烃的结构三、烷烃的结构1、碳原子的碳原子的SP3杂化杂化 C:1S2.2S2.2Px.2Py轨道进行轨道进行SP杂化后，不再是原来的杂化后，不再是原来的S或或P轨道，轨道，而是一种含有与原来不同轨道成分的新轨道。形而是一种含有与原来不同轨道成分的新轨道。形成的四个成的四个SP杂化轨道在空间互为杂化轨道在空间互为109.5。33 首先发生电子跃迁首先发生电子跃迁,由由2S2P变成变成2S2P,再再经过杂化经过杂化,形成形成SP杂化轨道。其构型是碳原子杂化轨道。其构型是碳原子处在四面体的中心，四个杂化轨道指向四面体处在四面体的中心，四个杂化轨道指向四面体的顶点。的顶点。22133sp3杂化：杂化：C原子的电子组态：原子的电子组态：1s22s22px12py12pz，其中，其中2s22px12py12pz为价轨道，其中的电为价轨道，其中的电子为价电子。子为价电子。在形成化学键时，原子的不同能级的价轨道进行在形成化学键时，原子的不同能级的价轨道进行“混合混合”，即，即“杂化杂化”，形成新的价轨道，价电，形成新的价轨道，价电子的排布也随之改变，利用杂化轨道与其它原子子的排布也随之改变，利用杂化轨道与其它原子形成共价键。形成共价键。轨道的轨道的“杂化杂化”、“成键成键”等过程等过程是同时完成的。是同时完成的。sp3杂化轨道形状杂化轨道形状四个四个sp3轨道互成轨道互成109.5的角，的角，指向四面体的四个顶角。指向四面体的四个顶角。C的四个的四个sp3轨道道氢原子沿氢原子沿sp3轨道的对称轴方向轨道的对称轴方向接近接近C原子，原子，H的的1s轨道与轨道与sp3轨轨道的电子云能最大限度的重叠，道的电子云能最大限度的重叠，形成四个稳定的、彼此夹角为形成四个稳定的、彼此夹角为109.5的的C-H键，即为甲烷键，即为甲烷CH4分子。分子。甲甲烷的的C-H键C C的的spsp3 3轨道与另一个轨道与另一个C C的的spsp3 3轨道沿着各自的对称轨道沿着各自的对称轴成键，就形成轴成键，就形成C-CC-C键：键：这是这是C原子能形成碳链和碳环的化学键的基础。原子能形成碳链和碳环的化学键的基础。C的的sp3轨道也可以与卤原子的轨道也可以与卤原子的p轨道重叠，形轨道重叠，形成成C-X键：键：因此氯甲烷的分子形状应与甲烷形状相似。因此氯甲烷的分子形状应与甲烷形状相似。同样同样C的的sp3sp3轨道还可以与轨道还可以与O、N等原子的杂化轨等原子的杂化轨道形成道形成C-O、C-N等等键。键。键的特点：键的特点：成键两原子可以绕键轴旋转，旋转的结果改成键两原子可以绕键轴旋转，旋转的结果改变了原子空间排列。变了原子空间排列。2、碳原子的四面体概念与甲烷分子的形成、碳原子的四面体概念与甲烷分子的形成SP杂化轨道成键时，都是以杂化轨道较大的杂化轨道成键时，都是以杂化轨道较大的一头与氢原子的成键轨道重叠而形成四个一头与氢原子的成键轨道重叠而形成四个键，键，键角为键角为109.5。3甲烷的球棍模型甲烷的球棍模型3、其它烷烃分子的形成、其它烷烃分子的形成烷烃分子中，每个碳原子均是烷烃分子中，每个碳原子均是sp3杂化的，其杂化的，其中碳原子与碳原子之间各以一个中碳原子与碳原子之间各以一个sp3杂化轨道重叠杂化轨道重叠形成形成C-C键，剩下的未有成键的键，剩下的未有成键的sp3轨道再分别与轨道再分别与氢原子的氢原子的1s轨道重叠形成轨道重叠形成C-H键，即键，即C-C键：键：sp3sp3；C-H键：键：sp3s。电子云以电子云以“头碰头头碰头”的方式沿键轴方向重叠的方式沿键轴方向重叠形成的键叫形成的键叫键，单键是可以绕键轴自由旋转的，键，单键是可以绕键轴自由旋转的，这样，便构成了丰富多彩的烷烃分子。这样，便构成了丰富多彩的烷烃分子。注意：烷烃分子中的直链并不等于直线，实注意：烷烃分子中的直链并不等于直线，实际上是锯齿型的。原因：价键分布四面体形；际上是锯齿型的。原因：价键分布四面体形；C-C单键能自由旋转。单键能自由旋转。sp3sp3键键sp31s键键1个个C键键6个个CH键键乙烷的球棒模型乙烷的球棒模型乙烷的棍棒模型乙烷的棍棒模型正丁烷的球棒模型正丁烷的球棒模型 四、烷烃的构象四、烷烃的构象 1 1、乙烷的构象、乙烷的构象 由于碳碳单键的旋转，形成原子或原子团在空由于碳碳单键的旋转，形成原子或原子团在空间产生不同的排布形象，成为构象。每一种空间排间产生不同的排布形象，成为构象。每一种空间排布叫做一种构象。因布叫做一种构象。因单键旋转而产生的异构体单键旋转而产生的异构体称为称为构象异构体构象异构体，是一种立体异构。它们的原子的连接，是一种立体异构。它们的原子的连接顺序相同，不是构造顺序相同，不是构造异构。异构。（1）构象的表示）构象的表示-透视式和透视式和Newman投影式投影式 （2）典型构象与优势构象）典型构象与优势构象 重叠式与交叉式是乙烷的两种重叠式与交叉式是乙烷的两种典型构象典型构象。优势构象优势构象是指内能较低的交叉式是指内能较低的交叉式。重叠式重叠式交叉式交叉式透透视视式式纽纽曼曼投投影影式式乙烷的构象乙烷的构象120120能量能量/(kJmol-1)060120旋转角度旋转角度/()12.6交叉式与交叉式与重叠式是重叠式是乙烷分子乙烷分子的极限构的极限构象象纽曼纽曼(Newman)投影式：投影式：（3）乙烷各种构象的能量变化乙烷各种构象的能量变化由于重叠式中两个碳原子上的由于重叠式中两个碳原子上的C-H键靠得较近，键靠得较近，成键电子间排斥作用，产生一种张力，称为扭成键电子间排斥作用，产生一种张力，称为扭转张力。使重叠式能量比交叉式高，从一个交转张力。使重叠式能量比交叉式高，从一个交叉式到另一个交叉式，分子必须越过这个能垒。叉式到另一个交叉式，分子必须越过这个能垒。可见单键旋转并非完全自由。可见单键旋转并非完全自由。2、丁烷的构象、丁烷的构象(1)丁烷分子中有三个丁烷分子中有三个C-C单键，均可自由旋转，单键，均可自由旋转，产生各种构象。以下仅讨论绕产生各种构象。以下仅讨论绕C2-C3单键旋转所单键旋转所产生的构象。（可以看成是乙烷的二甲基衍生产生的构象。（可以看成是乙烷的二甲基衍生物）物）（1）四种典型构象）四种典型构象反交叉式也叫对位交叉式，顺交叉式也叫邻位反交叉式也叫对位交叉式，顺交叉式也叫邻位交叉式。交叉式。（2）构象的稳定性比较）构象的稳定性比较对位交叉式对位交叉式邻位交叉式邻位交叉式部分重叠式部分重叠式全全重叠式。重叠式。显然，优势构象是对位交叉式。显然，优势构象是对位交叉式。由由C2C3键旋转产生的构象键旋转产生的构象.固定固定C2原子，反时针旋转原子，反时针旋转C3原子，得到原子，得到以下正丁烷的极限构象以下正丁烷的极限构象.丁烷的构象丁烷的构象(2)对位交叉对位交叉部分重叠部分重叠邻位交叉邻位交叉全重叠全重叠正丁烷构象的模型正丁烷构象的模型对位交叉对位交叉部分重叠部分重叠邻位交叉邻位交叉全重叠全重叠正丁烷构象的模型正丁烷构象的模型（3）丁烷各种构象的能量变化丁烷各种构象的能量变化(围绕围绕C2-C3旋转）旋转）其中：其中：A为全重叠；为全重叠；C为部分重叠；为部分重叠；B、E为邻为邻位交叉；位交叉；D位对位交叉。位对位交叉。在对位交叉中，两个体积大的甲基相距最在对位交叉中，两个体积大的甲基相距最远，能量最低，为优势构象。邻位交叉中，远，能量最低，为优势构象。邻位交叉中，两甲基间的距离小于范德华半径之和，因两甲基间的距离小于范德华半径之和，因此仍有排斥作用；全重叠此仍有排斥作用；全重叠构象中两构象中两甲基处甲基处于重叠位置，范德华斥力大，还有于重叠位置，范德华斥力大，还有C-H键键的重叠，故能量最高；部分重叠中有甲基的重叠，故能量最高；部分重叠中有甲基与氢及氢与氢的重叠，能量也较高与氢及氢与氢的重叠，能量也较高稳定性：稳定性：对位交叉对位交叉邻位交叉邻位交叉部分重叠部分重叠全重叠全重叠 分子的构象，不仅影响化合物的物理和分子的构象，不仅影响化合物的物理和化学性质，而且涉及蛋白质、酶、核酸等生化学性质，而且涉及蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构和性能，以及药物的构效关物大分子的结构和性能，以及药物的构效关系。许多药物分子的构象异构与药物生物活系。许多药物分子的构象异构与药物生物活性的发挥密切相关。药物受体一般只与药物性的发挥密切相关。药物受体一般只与药物多种构象中的一种结合，这种构象称为药效多种构象中的一种结合，这种构象称为药效构象。不具有药效构象的药物很难与药物的构象。不具有药效构象的药物很难与药物的受体结合，这样就低效或无药效。例如：抗受体结合，这样就低效或无药效。例如：抗震颤麻痹药物多巴胺作用与受体的药效构象震颤麻痹药物多巴胺作用与受体的药效构象是对位交叉式。是对位交叉式。五、五、物理性质物理性质 1 1状态状态：常温常压下，：常温常压下，1 14 4个个C C原子的烷烃为气原子的烷烃为气体；体；5 51616个个C C的烷烃为液体；的烷烃为液体；1717以上以上C C原子的烷烃原子的烷烃为固体。为固体。2 2沸点沸点（）：（）：直链烷烃：直链烷烃的沸点随着分子量的增直链烷烃：直链烷烃的沸点随着分子量的增加，而有规律地升高（加，而有规律地升高（因色散力随分子中碳、氢因色散力随分子中碳、氢原子增加而原子增加而增加增加）支链烷烃：分子量相同的异构体中，支链越支链烷烃：分子量相同的异构体中，支链越多沸点越低（多沸点越低（由于由于支链存在，分子间接触面积小，支链存在，分子间接触面积小，色散力变弱色散力变弱）正戊烷正戊烷 异戊烷异戊烷 新戊烷新戊烷：36.1 27.9 9.536.1 27.9 9.53熔点熔点（）：直链烷烃的熔点随着分子量的（）：直链烷烃的熔点随着分子量的增加而升高增加而升高（熔点不仅与色散力有关，还与熔点不仅与色散力有关，还与分子在晶格中堆积的紧密程度有关。分子越分子在晶格中堆积的紧密程度有关。分子越对称，排列越紧密，熔点越高对称，排列越紧密，熔点越高）4密度密度：直链烷烃的密度随着分子量的增加：直链烷烃的密度随着分子量的增加而逐渐增大，但比水轻（而逐渐增大，但比水轻（1）。（）。（分子间分子间力弱力弱）5溶解度溶解度：烷烃不溶于水和其它极性较强的：烷烃不溶于水和其它极性较强的溶剂。溶剂。烷烃溶于苯、乙醚和氯仿等非极性溶烷烃溶于苯、乙醚和氯仿等非极性溶剂。剂。六、化学性质六、化学性质 1、稳定性：稳定性：在一般情况下，烷烃具有极大的化在一般情况下，烷烃具有极大的化学稳定性。学稳定性。2、卤代反应：卤代反应：在光照条件下，烷烃分子中氢在光照条件下，烷烃分子中氢被卤素取代的反应被卤素取代的反应。不同卤素的反应活性：不同卤素的反应活性：F2Cl2Br2I2（1）甲烷的）甲烷的氯代氯代（2）甲烷的氯代历程甲烷的氯代历程-属于属于游离基链反应游离基链反应A.链的引发阶段链的引发阶段B.链的增长阶段链的增长阶段.C.C.链的终止阶段链的终止阶段（3）其它烷烃的卤代反应其它烷烃的卤代反应伯、仲、叔氢原子的伯、仲、叔氢原子的反应活性反应活性 CHCH3 3H CH C2 2H H5 5H MeH Me2 2CHCHH MeH Me3 3C CH H氯代反应氢原子的反应活性：叔氯代反应氢原子的反应活性：叔H仲仲H伯伯H（其相对反（其相对反应活性之比为应活性之比为541）溴代反应氢原子的反应活性：叔溴代反应氢原子的反应活性：叔H H 仲仲H H 伯伯H H（16008211600821，说明溴对三种氢的选择性比氯高），说明溴对三种氢的选择性比氯高）如：如：CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 3+Br+Br2 2 CH CH3 3CHCH2 2CHCH2 2-Br+CH-Br+CH3 3-CH-CH-CH-CH3 3 Br 3%97%3、氧化反应、氧化反应 完全氧化（完全燃烧）：产物是二氧化碳完全氧化（完全燃烧）：产物是二氧化碳和水。和水。不完全氧化不完全氧化 氧化氧化：在有机分子中：在有机分子中加入氧加入氧或或去氢去氢。还原还原：在有机分子中：在有机分子中加入氢加入氢或或去掉氧去掉氧。燃烧热：每摩尔物质燃烧时所放出的热量。单燃烧热：每摩尔物质燃烧时所放出的热量。单位：位：KJmol-1原因：和反应中产生的烷基游离基的稳定性有关原因：和反应中产生的烷基游离基的稳定性有关.烷基游离基的稳定性：烷基游离基的稳定性：321.CH3