大学有机化学第二章.ppt

第第 二二 章章 烷烷 烃烃要要求求熟熟练练掌掌握握的的重重点点内内容容：烷烷烃烃系系统统命命名名法法；烷烷烃烃的的构构象象异异构构；烷烷烃烃的的化化学学性性质质；烷烷烃烃卤卤代反应历程。代反应历程。要求一般理解和掌握的内容：要求一般理解和掌握的内容：烷烃的来源。烷烃的来源。难点：难点：烷烃卤代历程烷烃卤代历程(1)开链烃开链烃(链烃链烃),又叫脂肪烃又叫脂肪烃.可分为可分为:烷烃烷烃、烯烃、烯烃、二烯烃、二烯烃、炔烃等、炔烃等(2)闭链烃闭链烃(环烃环烃).又分为又分为:脂环烃和芳香烃两类脂环烃和芳香烃两类.(一一)烃的定义烃的定义(二二)烃的分类烃的分类:分子中只含有分子中只含有C C、H H两种元素的有机化合物叫两种元素的有机化合物叫 碳氢化合物碳氢化合物,简称简称烃烃.烷烃：又叫饱和烃,由于石蜡是烷烃的混合物,故烷烃也称石蜡烃。一、一、烷烃的通式、同系列和构造异构烷烃的通式、同系列和构造异构1.通式：CnH2n+22.构造异构体：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)的同分异构体.构造异构包括碳链（碳架）异构、官能团位置异构、官能团异构和互变异构 四种类型。例如正丁烷和异丁烷互为构造异构体，它们是两种不同的化合物.物理性质有一定的差异.正丁烷的沸点：-0.5，熔点：-138.3，异丁烷的沸点：-11.7，熔点：-159.4，3.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.(表2-1的化合物都是烷烃同系列中的同系物)系差同系列相邻的两个分子式的差值 CH2 称为系差。伯碳原子(第一碳原子),用“1”表示；仲碳原子(第二碳原子),用“2”表示；叔碳原子(第三碳原子),用“3”表示；季碳原子(第四碳原子),用“4”表示。4.烷烃中碳原子的分类烷烃中碳原子的分类:与伯与伯,仲仲,叔碳原子相连的叔碳原子相连的H原子原子,分别称为伯分别称为伯,仲仲,叔叔H原原子子如：如：烷烃去掉一个氢原子后的原子团.常用R-，或(CnH2n+1-)表示,所以烷烃又可用通式RH表示.5.烷基烷基仲烷基:去掉一个仲氢原子所得的烷基。用“sec-”表示.如：仲丁基 sec-丁基 正烷基:直链烷烃去掉一个末端氢原子所得的原 子团.命名时“正”字常用n-代表.如：正丙基CH3CH2CH2-，n-丙基异烷基：(n0)型的烷基叫异烷基，用“iso-”表示。如：异戊基 叔烷基：去掉一个叔氢原子所得的烷基。用“t-”或“tert-”表示。如：叔丁基常用基团的英文简写常用基团的英文简写 Me甲基甲基;EtEt乙基；乙基；n-Prn-Pr正正丙基；丙基；i-Pri-Pr异丙基；异丙基；n-Bu n-Bu正丁基正丁基;t-But-Bu叔丁基（三级丁基）；叔丁基（三级丁基）；ArAr芳基芳基;PhPh苯基；苯基；AcAc乙酰基；乙酰基；RR烷基烷基最早根据碳原子数命名：甲烷,乙烷,丙烷.对于支链烷（异构体）,常用正、异、叔、新等形容词以示区别。二二.烷烃的命名烷烃的命名 1.习惯命名法习惯命名法正戊烷异戊烷新戊烷如戊烷的三个异构体：2.衍生物命名法衍生物命名法以甲烷为母体，将直链烷烃看作是甲烷的烷基衍生物，选择连有烷基最多的碳原子作为甲烷碳原子。如：异丁烷 异戊烷 新戊烷三甲基甲烷 二甲基乙基甲烷 四甲基甲烷 3.3.系统命名法系统命名法(IUPAC)IUPAC)(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 10以上：用中文数字:十一、十二.烷.(2)带有支链的烷烃，可看作直链烷烃的衍生物，命名时遵循下列原则：选择主链：把构造式中：把构造式中连续的最长碳链作为主链，作为主链，根据其碳原子数目根据其碳原子数目称为某烷，并以它作为称为某烷，并以它作为母体，母体，支链则作为取代基。若最长碳链不止一条（即有几条。若最长碳链不止一条（即有几条等长的碳链可作为主链）时等长的碳链可作为主链）时,选择其中含选择其中含支链（取代基）数目最多的为主链的为主链.上例中最长连续碳链有八个碳原子,该化合物母体的名称为辛烷。六个碳的主链上有四个取代基 六个碳的主链上有两个取代基上例中最长的六个碳原子的碳链有两条，（I）式的支链较多，该化合物的母体名称为己烷。从最接近取代基的一端开始将主链碳原子用阿拉伯数字1,2,3.编号。取代基的位次则以它所连接的主链碳原子的号数表示。对主链进行编号定位次对主链进行编号定位次:编号正确编号正确 编号不正确编号不正确如果碳链从不同方向编号得到两种（或两种以上）不同编号系如果碳链从不同方向编号得到两种（或两种以上）不同编号系列时，则列时，则遵循“最低系列”原则，即顺次逐项比较各系列的不同，即顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者为最低系列（先比较两个系列中的位次，最先遇到的位次最小者为最低系列（先比较两个系列中的第一个取代基位次，若相同则比较第二个取代基，依此类推。）第一个取代基位次，若相同则比较第二个取代基，依此类推。）a:把它们在母链上的位次作为取代基的前缀，用半字线“”与取代基分开。如2-甲基.b:有不同取代基时，按“次序规则”确定列出顺序，较小的支链（或原子、基团）放在前面，较大的放在后面;c:相同的取代基可以合并，但应在基团名称之前写明位次和数目，数目用汉文数字二，三，四.表示.d:位次数字之间须用逗号“,”隔开，位次与基名之间需用短线“-”相隔。最后一个基名和母体名称直接相连。命名取代基命名取代基:“次序规则次序规则”是用来决定不同原子或原子团相互排列顺序的规则，其主要内容如下：（1）将各种取代基的原子按其原子序数大小排列，大者为“较优”基团。若为同位素，则质量高的定为“较优”基团。孤电子对排在最后。例如：IBrClSFONCDH（2）如果两个基团的第一个原子相同，则比较与它直接相连的其它几个原子。比较时按原子序数排列，先比较各组中原子序数的最大者；若仍相同，再依次比较第二、第三个；若仍相同，则沿着取代基逐次相比。如-CH2CH3 -CH3（3）含有双键、三键的基团，可以认为连有两个或三个相同的原子。2,5-二甲基二甲基-4-异丁基庚烷异丁基庚烷2,6-二甲基二甲基-4-仲丁基庚烷仲丁基庚烷not3-甲基甲基-5-乙基庚烷乙基庚烷3-乙基乙基-5-甲基庚烷甲基庚烷3-ethyl-5-methylheptanenot但但not2,7,8-三甲基癸烷三甲基癸烷3,4,9-三甲基癸烷三甲基癸烷三、烷烃的结构三、烷烃的结构1.甲烷的结构和甲烷的结构和spsp3 3杂化轨道杂化轨道甲烷的四面体结构甲烷的四面体结构sp3杂化轨道杂化轨道:一个一个s轨道与三个轨道与三个p轨道形成四个轨道形成四个sp3杂化轨道杂化轨道 键键凡是成键电子云对键轴呈圆柱形对称的键均称为 键.以 键相连的两个原子可以相对旋转而不影响电子云的分布.甲烷的四个甲烷的四个C-H 键键:2.其它烷烃的结构其它烷烃的结构乙烷的乙烷的C-C 键键Stuart模型模型据测定，除乙烷外，烷烃分子的碳链并不排布在一条据测定，除乙烷外，烷烃分子的碳链并不排布在一条直线上，而是直线上，而是曲折曲折地排布在空间。这是烷烃碳原子的四地排布在空间。这是烷烃碳原子的四面体结构所决定的。面体结构所决定的。因因此此书书写写构构造造式式时时也也常常用用键线式表表示示，只只要要写写出出锯锯齿齿形形骨骨架架,用用锯锯齿齿形形线线的的角(120)(120)及及其其端点代代表表碳碳原原子子.不不需需写写出出每每个个碳碳上上所所连连的的氢氢原原子子.但但除除氢氢原原子子以以外外的的其它原子必须写出其它原子必须写出.如：如：四、四、烷烃的构象烷烃的构象在有机物分子中，以单键相连的碳原子可以围绕着碳碳键相对旋转。随着碳原子的旋转，其他原子团在空间的相对位置也不断地变化，因而会出现不同的空间排布形象。这种由于围绕键轴旋转，而引起的分子中原子或原子团形成不同的空间排布形象，称为构象构象。分子的不同构象称为构象异构构象异构或或旋转异构旋转异构。1.乙烷的构象乙烷分子中的碳碳单键可以自由旋转。在旋转过程中，由于两个甲基上的氢原子的相对位置不断发生变化，可得到无数种不同的构象。但其中典型的构象有两种：一种是交叉式构象，在这种构象中一个甲基上的氢原子正好处在另一个甲基的两个氢原子之间的中线上；一种是重叠式构象，在这种构象中碳原子上的氢彼此处于相互对映的位置。交叉式构象和重叠式构象只是乙烷无数构象中的两种极端的情况，其它构象都介于两者之间，称为扭曲式构象。(1)乙烷的球棒模型乙烷的球棒模型乙烷的交乙烷的交叉式构象叉式构象乙烷的重乙烷的重叠式构象叠式构象(3)纽曼投影纽曼投影式式重叠式构象重叠式构象 交叉式构交叉式构象象 重叠式构象重叠式构象 交叉式构象交叉式构象(2)锯架透视式锯架透视式为了便于观察和应用，常用透视式和纽曼式为了便于观察和应用，常用透视式和纽曼式（Newman)Newman)投影式表示其构象。投影式表示其构象。重叠式、交叉式构象比较：重叠式、交叉式构象比较：交交叉叉式式构构象象因因两两个个碳碳原原子子上上的的氢氢原原子子距距离离最最大大，其其排排斥斥力力较较小小，分分子子内内能能最最低低，因因而而较较稳稳定定，为优势构象。为优势构象。2.丁烷的构象丁烷的构象五、烷烃的物理性质五、烷烃的物理性质2.沸点（沸点（.）与范德华引力有关与范德华引力有关:相相对对分分子子量量增增加加，分分子子间间的的范范德德华华引引力力增增 加加，导致沸点升高。导致沸点升高。1.聚集状态：聚集状态：C1C4（g）C5C17 （）（）C17（）（）支链增加影响沸点：降低接触面从而减低分子间支链增加影响沸点：降低接触面从而减低分子间引力。引力。同同数数碳碳原原子子的的构构造造异异构构体体中中，分分子子的的支支链链越越多，则沸点越低多，则沸点越低。例如：例如：正丁烷正丁烷.-0.5 异异丁烷丁烷.-11.7正戊烷正戊烷.36.1异戊烷异戊烷.27.9新戊烷新戊烷.9.5 基本上随分子量的增加而增加。（奇数和偶数碳）基本上随分子量的增加而增加。（奇数和偶数碳）直链直链 支链支链 分子的分子的对称性对称性增加，它们在晶格中的排列越紧密，增加，它们在晶格中的排列越紧密，熔点也越高。熔点也越高。（因为晶体分子间的作用力不仅取决于分子的大小，（因为晶体分子间的作用力不仅取决于分子的大小，也取决于他们在晶格中的排列。）也取决于他们在晶格中的排列。）3.熔点（熔点（.）例如：例如：正戊烷正戊烷m.-129.8 异戊烷异戊烷m.-159.9 新戊烷新戊烷m.-16.8 4.4.相对密度相对密度:随随着着相相对对分分子子量量的的增增加加而而有有所所增增加加,最最后后接近接近0.80.8左右左右.（作作用用力力随随着着分分子子质质量量的的增增加加而而增增加加，使使分分子间的距离相对地减少的缘故。）子间的距离相对地减少的缘故。）5.5.溶解度溶解度：结构相似者相溶：结构相似者相溶当当溶溶剂剂分分子子之之间间的的吸吸引引力力和和溶溶质质分分子子之之间间，以以及及溶溶剂剂分分子子与与溶溶质质分分子子之之间间的的相相互互吸吸引引力力相相近时，溶解容易进行。近时，溶解容易进行。(P39)5.不不要要查查表表将将下下列列烃烃类类化化合合物物按按沸沸点降低的次序排列。点降低的次序排列。（1）2,3-二二甲甲基基戊戊烷烷 （2）正正庚庚烷烷 （3）2-甲甲基基庚庚烷烷 （4）正正戊戊烷烷 （5）2-甲基己烷甲基己烷 答答:(3)(2)(5)(1)(4)六、烷烃的化学性质六、烷烃的化学性质烷烃分子中原子间都是 键结合的,不易断裂，故其化学性质非常稳定，是一类不活泼的有机化合物。在一般条件下，烷烃与强氧化剂、强还原剂、强酸、强碱等都不起反应.但在一定条件下，例如高温、高压、光照或催化剂影响下，也能发生一些化学反应。烷烃在空气或氧气中完全燃烧生成二氧化烷烃在空气或氧气中完全燃烧生成二氧化碳和水，并放出大量的热，这是汽油、柴油作碳和水，并放出大量的热，这是汽油、柴油作为内燃机燃料的基本变化和根据。例如为内燃机燃料的基本变化和根据。例如：CH4+2O2 CO2+2H2O =-881kJ/molCH3CH3+7O2 4CO2+6H2O=-1538kJ/mol1.氧化反应氧化反应2.异构化反应异构化反应工工业业上上将将直直链链烷烷烃烃异异构构化化为为支支链链烷烷烃烃可可提提高高汽汽油质量。油质量。裂化裂化在高温下使烷烃分子发生裂解的过程。在高温下使烷烃分子发生裂解的过程。CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2CHCH3 3混合物混合物(较低级的较低级的烯，烷，烯，烷，H H2 2)热热裂裂化化反反应应通通常常在在5 5MPaMPa及及500500600600下下进进行行的的裂裂化反应。化反应。催催化化裂裂化化在在催催化化剂剂存存在在下下的的裂裂化化。催催化化裂裂化化一一般般在在450450500 500 ,常常压压下下进进行行。能能提提高高汽汽油油的的质质量量(高高辛烷值，辛烷值，2,2,4-2,2,4-三甲基戊烷三甲基戊烷为为100)100)。裂裂解解在在更更高高温温度度下下（700700）进进行行深深度度裂裂化化，得得到更多低级烯烃到更多低级烯烃3.裂化反应裂化反应4.4.卤代反应卤代反应 烷烷烃烃分分子子中中的的氢氢原原子子被被其其它它原原子子或或原原子子团团所所取取代代的的反反应应称称为为取取代代反反应应。若若被被卤卤原原子子取代则称为卤代反应。取代则称为卤代反应。烷烷烃烃有有实实用用价价值值的的卤卤代代反反应应是是氯氯代代和和溴溴代代反反应应。因因为为氟氟代代反反应应非非常常剧剧烈烈且且大大量量放放热热，不不易易控控制制，碘碘代代反反应应则则较较难难发发生生。卤卤代代反反应应活活性性次次序序为为：F F2 2ClCl2 2BrBr2 2II2 2。氯氯和和溴溴在在室室温温和和黑黑暗暗中中不不与与烷烷烃烃发发生生反反应应，如如果果在在强强烈烈日日光光照照射射下下，则则发发生生猛猛烈烈反反应应，甚至发生爆炸。甚至发生爆炸。在在漫漫射射光光、加加热热或或某某些些催催化化剂剂存存在在下下，氯氯、溴溴与与烷烷烃烃反反应应较较温温和和，其其分分子子中中的的氢氢原原子子逐逐步步被被氯氯、溴溴取取代代，生生成成多多种种取取代代产产物物。下下面面以氯代反应为例进行讨论。以氯代反应为例进行讨论。（1 1）甲烷的氯代反应）甲烷的氯代反应（2 2）其他烷烃的卤代反应）其他烷烃的卤代反应43 57在氯代、溴代反应中，烷烃氢原子的反应活泼性次序为：3H 2H 1H 对氯代反应而言，氢原子的反应活泼性 3H:2H:1H 5:3:1对溴代反应而言，3H:2H:1H 1600:82:1 因此,溴比氯更具选择性。由于产物混合，复杂，一般不用卤代来制备由于产物混合，复杂，一般不用卤代来制备卤代烃卤代烃例题例题1例题例题2光光光光 写出下列反应的主要产物写出下列反应的主要产物:（3 3）烷烃的卤代反应历程）烷烃的卤代反应历程自由基链反应自由基链反应所有链反应均经所有链反应均经链引发链引发、链增长链增长、链终止链终止 三个阶段。三个阶段。链引发链引发 ClCl+能量能量 Cl+Cl(氯原子氯原子,氯自由基氯自由基)（产生高能量的自由基产生高能量的自由基Cl,引发反应引发反应）链转移（链增长）链转移（链增长）Cl+HCH3 HCl+CH3 (甲基自由基甲基自由基)CH3+Cl2 CH3Cl+Cl .链终止链终止 Cl+Cl Cl2 CH3+CH3 CH3CH3 Cl+CH3 CH3Cl 图图 Cl+H-CH3 CH3-Cl+Cl 能量变化能量变化（4）.甲烷氯代反应过程的能量变化甲烷氯代反应过程的能量变化 从各键的离解能来看从各键的离解能来看:形成各烷基自由基所需的能量形成各烷基自由基所需的能量:CH3 1 R(伯烷基自由基伯烷基自由基)2 R 3 R(P40)14.答答:(4)(2)(3)(1)伯伯,仲仲,叔氢原子活泼性叔氢原子活泼性(即氢被夺取的容易程度即氢被夺取的容易程度)3 H 2 H 1 H 烷基自由基的稳定次序烷基自由基的稳定次序:3 R 2 R 1 R CH3 （越稳定的自由基越易生成）越稳定的自由基越易生成）(1)石油石油(分馏产物分馏产物);(2)天然气天然气 干天然气干天然气-甲烷甲烷86%99%(体积体积)湿天然气湿天然气-甲烷甲烷60%70%,还含有一定的乙烷还含有一定的乙烷,丙烷丙烷,丁烷等气体丁烷等气体.(3)油油田田气气-低低级级烷烷烃烃,如如甲甲烷烷,乙乙烷烷,丙丙烷烷,丁丁烷烷和和戊戊烷等烷等;(4)煤层气煤层气,沼气沼气-甲烷等甲烷等;(5)甲烷冰甲烷冰.七、烷烃的天然来源七、烷烃的天然来源1.1.（4 4、6 6、7 7、8 8）4 4.7 7、8 810 10、作作 业业（P39P39）