第002章 烷烃和环烷烃.ppt

第二章第二章 烷烃和环烷烃烷烃和环烷烃 自由基取代反应自由基取代反应1 掌握烷烃的分子结构、碳原子类型；掌握烷烃的分子结构、碳原子类型；2 掌握烷烃和环烷烃的系统命名法；掌握烷烃和环烷烃的系统命名法；3 掌握烷烃的卤代反应、游离基取代反应机理以及伯、仲、掌握烷烃的卤代反应、游离基取代反应机理以及伯、仲、叔碳原子取代反应的速度。叔碳原子取代反应的速度。4掌握环烷烃的化学性质。掌握环烷烃的化学性质。5熟悉烷烃的同分异构现象，乙烷、正丁烷的纽曼投影式熟悉烷烃的同分异构现象，乙烷、正丁烷的纽曼投影式6熟悉环丙烷和环己烷的构象。熟悉环丙烷和环己烷的构象。7了解烷烃的普通命名法、物理性质和几种常用的烷烃混合了解烷烃的普通命名法、物理性质和几种常用的烷烃混合 物及环烷烃的分类。物及环烷烃的分类。1烃：烃：只含有碳氢两种元素的有机化合物称为碳只含有碳氢两种元素的有机化合物称为碳 氢化合物，简称烃（氢化合物，简称烃（hydrocarbon）第二章第二章 烷烃和环烷烃烷烃和环烷烃 自由基取代反应自由基取代反应2hydyocarbon chain hydrocarbon Cyclic hydrocarbon saturated hydrocarbon alkane unsaturated hydrocarbon alkene alkyne alicyclic hydrocarbon aromatic hydrocarbon 3第一节第一节 分类、构造异构和碳原子的级分类、构造异构和碳原子的级定义定义：烃分子中，碳和碳之间互相以单键：烃分子中，碳和碳之间互相以单键 相连，碳的其余价键均与氢原子相相连，碳的其余价键均与氢原子相 连接的烃称为烷烃，烷烃也称饱连接的烃称为烷烃，烷烃也称饱 和烃。和烃。4脂环烷烃脂环烷烃单单 环环双双 环环螺环烃螺环烃桥环烃桥环烃多多 环环一、分类一、分类开链烷烃开链烷烃5二、构造异构二、构造异构 分分子子组组成成相相同同而而分分子子结结构构不不同同，因因而而化化学学性性质质也也不不同同的的现现象象，称称为为同同分分异异构构现现象象（isomerism）。分分子子式式相相同同而而结结构构式式不不同同的化合物互称为同分异构体。的化合物互称为同分异构体。6以以5个碳的烷烃为例说明同分异构体的书写个碳的烷烃为例说明同分异构体的书写（1）首先写出直链烷烃）首先写出直链烷烃 CH3CH2CH2CH2CH3（2）取出）取出1个碳作为支链个碳作为支链（3）取出）取出2个碳作为支链个碳作为支链 78请写出请写出7个碳的烷烃的同分异构体个碳的烷烃的同分异构体 1.2.3.4.5.6.7.8.9.9 单环烷烃与单烯烃为同分异构体，同时还可因单环烷烃与单烯烃为同分异构体，同时还可因环的大小和环上取代基的不同而形成多种同分异构环的大小和环上取代基的不同而形成多种同分异构体。体。10三、碳原子的类型三、碳原子的类型(1)(1)伯碳原子称为伯碳原子称为11碳原子碳原子(primary carbon atom)(primary carbon atom)(2)(2)仲碳原子称为仲碳原子称为22碳原子碳原子(secondary carbon atom)(secondary carbon atom)(3)(3)叔碳原子称为叔碳原子称为33碳原子碳原子(teriaryteriary carbon atom)carbon atom)(4)(4)季碳原子称为季碳原子称为44碳碳(quaternary carbon atom)(quaternary carbon atom)11 连接在伯、仲、叔碳原子上的氢原子，分别称连接在伯、仲、叔碳原子上的氢原子，分别称 伯氢原子（伯氢原子（1 H）仲氢原子（仲氢原子（2 H）叔氢原子（叔氢原子（3 H）不同类型氢原子的相对反应活性各不相同。不同类型氢原子的相对反应活性各不相同。12指出各碳原子的类型指出各碳原子的类型13 请请写写出出含含有有一一个个叔叔碳碳原原子子，一一个个仲仲碳碳原原子子的的相相对分子质量最小的烷烃对分子质量最小的烷烃 请请写写出出只只有有伯伯氢氢原原子子，分分子子式式为为C8H18烷烷烃烃的的结构式结构式14第二节第二节 烷烃的命名法烷烃的命名法一、普通命名法一、普通命名法 普通命名法适用于结构简单的烷烃。普通命名法适用于结构简单的烷烃。1.直链烷烃：碳原子数从一到十的，采用天干（甲、直链烷烃：碳原子数从一到十的，采用天干（甲、2.乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）3.代表碳原子的数目，称某烷；碳原子数代表碳原子的数目，称某烷；碳原子数4.在十以上时，则用中文数字十一、十二、在十以上时，则用中文数字十一、十二、5.十三十三表示。例如：表示。例如：15 2 2 链端有链端有 结构的称为结构的称为异某烷异某烷注意:“某”字包括分子中所有的碳原子数。3 3 链端有链端有 结构的称为结构的称为新某烷新某烷16二、二、系统命名法系统命名法 结结构构比比较较复复杂杂的的烷烷烃烃，采采用用系系统统命命名名法法。系系统统命命名名法法是是采采用用国国际际通通用用的的IUPAC(international of Pure and Applied Chemistry)命命名名法法，结结合合我我国国文文字字的的特特点点制制定定的的。系系统统命命名名法法主主要要是是确确定定主主链链和和处处理理取取代代基基的位置。的位置。17 取取代代基基在在此此指指各各种种烷烷基基，烷烷烃烃分分子子中中去去掉掉一一个个氢氢原原子子剩剩下下的的原原子子团团叫叫做做烷烷基基，用用R表表示示，其其通通式式为为CnH2n+1。常常见见烷烷基基的的结结构构及及名名称如下：称如下：1819（一）烷烃的系统命名法的主要规则是：（一）烷烃的系统命名法的主要规则是：1选择最长的碳链为主链，根据主链所含碳原子数称某烷。选择最长的碳链为主链，根据主链所含碳原子数称某烷。若有几条等长的碳链时，要选含取代基最多的碳链作主链。若有几条等长的碳链时，要选含取代基最多的碳链作主链。202当当主主链链上上连连有有取取代代基基时时，从从靠靠近近取取代代基基的的一一端端开开始始对对主主链链上上的的碳碳原原子子进进行行编编号号，依依次次用用阿阿拉拉伯伯数数字字1，2，3标标出出取取代代基基的的位位次次。位位次次号号码码与与取取代代基基之之间间用用一一短短线线连连接接起起来来，写写在在母体化合物名称的前面。例如：母体化合物名称的前面。例如：3甲基己烷甲基己烷 3-methylhexane21 若在主链的不同碳原子上连有不同的取代基时，则按若在主链的不同碳原子上连有不同的取代基时，则按 取代基从小到大的顺序排列。例如：取代基从小到大的顺序排列。例如：3甲基甲基5乙基乙基4丙基壬烷丙基壬烷 22取代基由小到大的顺序为：取代基由小到大的顺序为：23 若在主链上连有相同的取代基时，无论在同一碳原子上，若在主链上连有相同的取代基时，无论在同一碳原子上，还是在不同碳原子上，则将取代基合并，取代基的数目用还是在不同碳原子上，则将取代基合并，取代基的数目用 二、三、四二、三、四数字表示，标在取代基的前面，各取代基数字表示，标在取代基的前面，各取代基 的位次按照编号标出。例如：的位次按照编号标出。例如：2，3，3三甲基己烷三甲基己烷 242,3,6-三甲基三甲基-4-丙基庚烷丙基庚烷25含复杂支链烷烃的命名含复杂支链烷烃的命名 复复杂杂支支链链烷烷烃烃的的命命名名与与烷烷烃烃类类似似，但但选选烃烃基基最最长长链链时时应应从从与与主主链链直直接接相相连连的的碳碳原原子子开开始始，这这条条长长链链的的编编号号也也从从该该原原子子开开始始，然然后后将将复复杂杂支支链链的的名名称称最最为为一一个个整整体体放放在在括括号号里里，括括号号外外冠以其在主链的位次。冠以其在主链的位次。263-甲基甲基-6-（1,1-二甲基丙基）癸烷二甲基丙基）癸烷27用系统命名法命名下列化合物或根据名称写出结构式用系统命名法命名下列化合物或根据名称写出结构式2，4-二甲基二甲基-3-乙基庚烷乙基庚烷5-甲基甲基-3，3-二乙基二乙基-6-异丙基壬烷异丙基壬烷28 单环脂环烃的系统命名法与链烃相似，单环脂环烃的系统命名法与链烃相似，只是在链烃名称前面加上只是在链烃名称前面加上“环（环（cyclo）”字。字。环上的双（叁）键及取代基的表示规则与脂环上的双（叁）键及取代基的表示规则与脂肪族链烃相同。为了书写方便，也常用键线肪族链烃相同。为了书写方便，也常用键线式（骨架式）来表示脂环烃的结构。式（骨架式）来表示脂环烃的结构。（二）环烷烃的命名（二）环烷烃的命名29环丙烷环丙烷 环丁烷环丁烷 环戊烷环戊烷 环己烷环己烷 3031螺环螺环 两两个碳个碳环共用一个碳原子的环烃称为螺环烃环共用一个碳原子的环烃称为螺环烃（spiro hydrocarbod）双环螺双环螺环的环的命名是在成环碳原子总数的烷命名是在成环碳原子总数的烷烃前加烃前加“螺字螺字”。编号从螺原子的邻位碳开始，。编号从螺原子的邻位碳开始，由小环到大环，并使环上的取代基位次最小。由小环到大环，并使环上的取代基位次最小。将连接在螺原子上的环数目，按由少到多的顺将连接在螺原子上的环数目，按由少到多的顺序写在方括号里，数字间用下角圆点隔开，标序写在方括号里，数字间用下角圆点隔开，标在在“螺字螺字”与烷烃之间。与烷烃之间。32 螺螺3.4辛烷辛烷4-甲基螺甲基螺2.4庚烷庚烷33桥环桥环 环环烃烃分子中具有两个或两个以上的碳环，分子中具有两个或两个以上的碳环，且共用两个或两个以上碳原子的化合物称为桥且共用两个或两个以上碳原子的化合物称为桥环烃（环烃（bicyclic bridged hydrocarbod）。）。桥环烃的桥环烃的结构特点：均有环与环间相互结构特点：均有环与环间相互连接的两个碳原子，称为连接的两个碳原子，称为“桥头桥头”碳原子，碳原子，连接在桥头碳原子之间的碳链则称为连接在桥头碳原子之间的碳链则称为“桥路桥路”。34 命名时，按共用碳原子的环数，称为二环命名时，按共用碳原子的环数，称为二环或三环。在括号内按桥路所含碳原子的数目由或三环。在括号内按桥路所含碳原子的数目由多至少的次序列出，在数字之间用下角圆点隔多至少的次序列出，在数字之间用下角圆点隔开。方括号内编号顺序为：从一个桥头开始，开。方括号内编号顺序为：从一个桥头开始，沿最长的桥路到第二个桥头，再沿次长的桥路沿最长的桥路到第二个桥头，再沿次长的桥路到第一桥头，最后编号是最短的桥路。到第一桥头，最后编号是最短的桥路。35二环二环 3.2.0 庚烷庚烷 1,8二甲基二甲基7乙基二环乙基二环3.2.1辛烷辛烷 36螺螺.十一烷十一烷甲基螺甲基螺.辛烷辛烷-甲基甲基-二环二环.0庚烷庚烷7,7-二甲基二甲基-二环二环2.2.1庚烷庚烷37降冰片烷降冰片烷冰片冰片38一、烷烃的结构一、烷烃的结构第三节第三节 结构结构3940二、小环烷烃的结构二、小环烷烃的结构稳定性稳定性 环己烷环己烷环戊烷环戊烷环丁烷环丁烷环丙烷环丙烷（一）小的不稳定性和角张力概念（一）小的不稳定性和角张力概念41 拜拜尔尔张张力力学学说说：在在环环丙丙烷烷分分子子中中，碳碳原原子子是是sp3杂杂化化，键键角角是是10928，而而环环丙丙烷烷要要求求键键角角是是60，因因此此在在成成环环时时需需要要压压缩缩正正常常键键角角以以适适应应环环的的几几何何形形状状，产产生生角角张张力力，使使环环不不稳稳定，易开环。定，易开环。42 碳碳原原子子是是sp3杂杂化化，键键角角是是10928时时才才能能达达到到最最大大重重叠叠，在在环环丙丙烷烷分分子子中中键键角角是是60，因因此此不不能能象象烷烷烃烃那那样样沿沿对对称称轴轴方方向向作作最最大大重重叠叠。这这样样就就形形成成了了一一个个弯弯曲曲的的香香蕉蕉形形的的CC键键，称称为为“弯弯曲曲键键”。根根据据量量子子力力学学计计算算，环环丙丙烷烷分分子子中中CC键键的的键键角角为为105.5，CH键键的的键键角为角为114。（二）环丙烷的结构（二）环丙烷的结构43环丙烷分子中碳碳键的电子云的重叠（弯曲键的形成）环丙烷分子中碳碳键的电子云的重叠（弯曲键的形成）44 因因键键轴轴旋旋转转而而产产生生分分子子的的原原子子或或原原子子团团的的不不同空间排列称为构象（同空间排列称为构象（conformation）。）。构象异构属于构象异构属于立体异构（立体异构（stereo isomer）第四节第四节 构象构象45一、乙烷的构象一、乙烷的构象46乙烷旋转会产生不同的构象乙烷旋转会产生不同的构象4748构象的稳定性构象的稳定性 交叉式交叉式 重叠式重叠式4950乙烷分子构象的能量曲线乙烷分子构象的能量曲线5152（二）正丁烷的构象（二）正丁烷的构象535455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重叠式全重叠式 稳定性稳定性 5657三、三、环己烷环己烷的构象的构象（一）椅式和船式构象（一）椅式和船式构象5859椅式构象椅式构象60（二）椅式构象中的竖键和横键（二）椅式构象中的竖键和横键6162竖键：竖键：垂直于垂直于C1、C3、C5（或或C2、C4、C6）碳原子组成平面的碳原子组成平面的6条条C-H键称为竖键，键称为竖键，a键键（axial bond）。）。63横键：横键：除竖键外的除竖键外的6条条C-H键与垂直于环平面的键与垂直于环平面的对称轴成对称轴成109.5夹角，大致与环平面平行，称夹角，大致与环平面平行，称为竖键，用为竖键，用e 键（键（equatorial bond）。）。64（三）椅式构象的翻环作用（三）椅式构象的翻环作用6566一、一、分子间作用力分子间作用力 有机化合物分子间的作用力主要是偶极有机化合物分子间的作用力主要是偶极偶极作用力（偶极作用力（dipole-dipole interactions）。）。第五节第五节 物理性质物理性质67 色散力：分子间由于瞬时偶极而产生的作色散力：分子间由于瞬时偶极而产生的作用力。色散力普遍存在于各类分子之间，而且用力。色散力普遍存在于各类分子之间，而且一般是最主要的一种。分子的分子量愈大，越一般是最主要的一种。分子的分子量愈大，越容易变形，色散力就越大。容易变形，色散力就越大。+动画68氢键氢键 氢键是由电负性强的元素氢键是由电负性强的元素X相结合的氢原相结合的氢原子被另一电负性强的元素子被另一电负性强的元素Y所吸引而形成的。所吸引而形成的。69 分子间及分子内都可形成氢键。氢键的形分子间及分子内都可形成氢键。氢键的形成对物质的性质产生一定的影响，可使熔点、成对物质的性质产生一定的影响，可使熔点、沸点升高。沸点升高。利用氢键理论可以解释许多实际问利用氢键理论可以解释许多实际问题。题。707172二、熔点、沸点和溶解度二、熔点、沸点和溶解度 溶解度：不溶于极性试剂，溶解于非极性或弱极性试溶解度：不溶于极性试剂，溶解于非极性或弱极性试剂，符合剂，符合“相似相溶相似相溶”原理。原理。在室温和常压下，直链烷烃中从甲烷到丁烷是气体；在室温和常压下，直链烷烃中从甲烷到丁烷是气体；含含517个碳的烷烃是液体；个碳的烷烃是液体；18个碳以上的烷烃是固体。个碳以上的烷烃是固体。在烷烃同系列中，物理常数随相对分子质量的增减而在烷烃同系列中，物理常数随相对分子质量的增减而有规律的变化。直链烷烃的熔沸点及相对密度都随分子有规律的变化。直链烷烃的熔沸点及相对密度都随分子量的增大而升高。量的增大而升高。73v正构烷烃的熔点随着相对分子质量的正构烷烃的熔点随着相对分子质量的增加而增加。增加而增加。碳原子数正构烷烃碳数与熔点的关系正构烷烃碳数与熔点的关系7475 2011年年2月月15日，苹果公司公布了日，苹果公司公布了2010年年供应商责任进展报告，首次做出回应，承认供应商责任进展报告，首次做出回应，承认137名中国供应商员工因工作环境致病。名中国供应商员工因工作环境致病。7677 正己烷，是低毒、有微弱的特殊气味的无色液正己烷，是低毒、有微弱的特殊气味的无色液体。正己烷是一种化学溶剂，主要用于丙烯等烯烃体。正己烷是一种化学溶剂，主要用于丙烯等烯烃聚合时的溶剂、食用植物油的提取剂、橡胶和涂料聚合时的溶剂、食用植物油的提取剂、橡胶和涂料的溶剂以及颜料的稀释剂，具有一定的毒性，会通的溶剂以及颜料的稀释剂，具有一定的毒性，会通过呼吸道、皮肤等途径进入人体，长期接触可导致过呼吸道、皮肤等途径进入人体，长期接触可导致人体出现头痛、头晕、乏力、四肢麻木等慢性中毒人体出现头痛、头晕、乏力、四肢麻木等慢性中毒症状，严重的可导致晕倒、神志丧失、甚至死亡。症状，严重的可导致晕倒、神志丧失、甚至死亡。78 正已烷在工业上主要用作溶剂，用于配制粘胶正已烷在工业上主要用作溶剂，用于配制粘胶以粘合鞋革、箱包，常用于电子信息产业生产过程中以粘合鞋革、箱包，常用于电子信息产业生产过程中的擦拭清洗作业，还有食品制造业的粗油浸出、塑料的擦拭清洗作业，还有食品制造业的粗油浸出、塑料制造业的丙烯溶剂回收、日用化学品生产时的花香溶制造业的丙烯溶剂回收、日用化学品生产时的花香溶剂萃取等行业也用到正已烷。剂萃取等行业也用到正已烷。若使用不当，极易造若使用不当，极易造成职业中毒。成职业中毒。79第六节第六节 烷烃的化学性质烷烃的化学性质一、氧化和燃烧一、氧化和燃烧80二、卤代反应二、卤代反应 取代反应（取代反应（sabstitution reaction）有机化合物中氢原子被另一原子或原子团有机化合物中氢原子被另一原子或原子团取代的反应叫取代反应。取代的反应叫取代反应。81甲烷的甲烷的卤代反应卤代反应（halogenation）82三、甲烷的卤代反应机理（三、甲烷的卤代反应机理（reaction mechanism）（一）自由基连锁反应（一）自由基连锁反应 （free-radical sabstitution reaction）包括：链引发包括：链引发（chain-initiating step）链增长链增长 （chain-propagating step）链终止链终止（chain-terminating step）831.链引发：氯气在光照时，共价键发生均裂，链引发：氯气在光照时，共价键发生均裂，产生产生2个活泼的氯自由基，引发反应。个活泼的氯自由基，引发反应。842.链传递：活泼的氯自由基立即与甲烷分子作链传递：活泼的氯自由基立即与甲烷分子作用，生成氯化氢分子，同时产生甲基自由基用，生成氯化氢分子，同时产生甲基自由基85 像这样每一步反应都产生新的自由基像这样每一步反应都产生新的自由基因而使反应可以不断地连续进行的阶段，因而使反应可以不断地连续进行的阶段，称为链的增长。称为链的增长。甲基游离基甲基游离基863.链终止链终止：最终产物是最终产物是混合物混合物动画动画87 甲甲基基游游离离基基的的碳碳原原子子是是sp2杂杂化化的的，三三个个Csp2Hs的的键键处处于于同同一一平平面面，单单电电子子居居于于剩剩余余的的C2p轨轨道道上上。且且垂垂直直于于该该平平面面。当当甲甲基基游游离离基基与与氯氯分分子子反反应应生生成成CH3Cl后，碳原子的杂化状态由后，碳原子的杂化状态由sp2转变为转变为sp3。（二）甲基自由基的结构（二）甲基自由基的结构8889 烷烷烃烃碳碳原原子子增增多多时时，可可因因卤卤代代烃烃位位置置不不同同得到异构产物。得到异构产物。游离基的稳定性游离基的稳定性 3 2 1 CH3 90自由基的稳定性自由基的稳定性 3 2 1 CH3 自由基的解离能越小，生成自由基时所需能量越自由基的解离能越小，生成自由基时所需能量越低，因而自由基越容易形成，并且越稳定。低，因而自由基越容易形成，并且越稳定。解离能解离能/kJmol-1435410397385不同类型的自由基的解离能是不同的。不同类型的自由基的解离能是不同的。增增 加加91 （三）其他烷烃的卤代反应（三）其他烷烃的卤代反应92相对反应活性相对反应活性 93各级氢的相对反应速度各级氢的相对反应速度 叔氢叔氢仲氢仲氢伯氢伯氢 5：4：194例题例题：丙烷与氯气在日光作用下，生成丙烷与氯气在日光作用下，生成1-氯丙烷氯丙烷（43%），），2-氯丙烷（氯丙烷（57%），试回答下列问题：），试回答下列问题：（1）写出其反应式；）写出其反应式；（2）该反应的反应历程；）该反应的反应历程；（3）各级氢的相对反应活性。）各级氢的相对反应活性。9596反应历程反应历程971、催化加氢、催化加氢四、环烷烃的化学性质四、环烷烃的化学性质982、加卤素、加卤素 环烷烃和溴反应时，溴的环烷烃和溴反应时，溴的棕红色棕红色消失，消失，可用于鉴别小环烷烃可用于鉴别小环烷烃993、加卤化氢、加卤化氢碳碳键的断裂：含氢较多和较少两碳之间；碳碳键的断裂：含氢较多和较少两碳之间；加成产物符合马氏规则。加成产物符合马氏规则。100101