大学有机化学-烷烃.ppt

含有碳碳重键的烃类化合物。含有碳碳重键的烃类化合物。烯烃、炔烃、芳烃。烯烃、炔烃、芳烃。分子中分子中C C原子原子的结合方式的结合方式 环丙烷环丙烷 环己烷环己烷碳原子之间均以碳原子之间均以C CC C单键相连，其余的价单键相连，其余的价键均为键均为H H原子所饱和。原子所饱和。烷烃烷烃：甲烷、乙烷等；：甲烷、乙烷等；环烷烃环烷烃。烃烃饱和烃：饱和烃：不不饱和烃饱和烃:第二章第二章 饱和烃饱和烃烃：烃：只含有只含有C、H 两种元素的化合物两种元素的化合物 碳氢化合物碳氢化合物甲烷甲烷Methane丙烷丙烷Propane丁烷丁烷Butane乙烷乙烷Ethane2.1 烷烃的通式和命名烷烃的通式和命名2.1.1 烷烃的通式烷烃的通式烷烃的通式烷烃的通式：CnH2n+22.1.2 碳、氢原子的类型碳、氢原子的类型伯、仲、叔伯、仲、叔氢氢原子原子伯伯(1)、仲、仲(2)、叔、叔(3)、季、季(4 )碳碳原子原子2.1.3 烷基烷基 烷基烷基：烷烃分子中去掉一个烷烃分子中去掉一个H原子原子,剩余的结构部分剩余的结构部分表表2.1 2.1 一些烷基的名称与表示一些烷基的名称与表示名称名称 缩写缩写2.1.4 普通命名法普通命名法（适用于简单烷烃）（适用于简单烷烃）1.1.按分子中碳原子数目称为按分子中碳原子数目称为“某烷某烷”，1010个碳个碳及及1010个碳以下用天干（个碳以下用天干（甲、乙、丙、丁、戊、甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸己、庚、辛、壬、癸）表示。）表示。1010个碳以上用汉个碳以上用汉字数字（如字数字（如十一、十二十一、十二等）表示。等）表示。2.2.用用“正正”、“异异”、“新新”分别表示分别表示直链直链、一、一端具有端具有异丙基异丙基或或叔丁基叔丁基的构造异构体。的构造异构体。正戊烷正戊烷异戊烷异戊烷新戊烷新戊烷直链烷烃直链烷烃的命名与普通命名法基本相同。的命名与普通命名法基本相同。只是去掉普通命名法中的只是去掉普通命名法中的“正正”字。字。2.1.5 系统命名法系统命名法 系统命名是由三部分构成：系统命名是由三部分构成：构型构型标记标记取代基的位次、取代基的位次、名称与排列名称与排列母体母体名称名称庚烷庚烷选取最长的碳链作为主链。选取最长的碳链作为主链。若有等长的碳链，选取含支链最多的碳链为主链。若有等长的碳链，选取含支链最多的碳链为主链。1.选择主链，确定母体名称：选择主链，确定母体名称：支链烷烃支链烷烃的命名步骤：的命名步骤：根据主链的碳数，称根据主链的碳数，称“某烷某烷”。2.编号编号（主链上的碳原子）主链上的碳原子）从近支链一端依次用阿拉伯数字编号。从近支链一端依次用阿拉伯数字编号。当编号有几种可能时，应选择具有当编号有几种可能时，应选择具有“最低系列最低系列”的的编号。编号。“最低系列最低系列”是指碳链有几种编号时，则有几个系是指碳链有几种编号时，则有几个系列，顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到位列，顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到位次最小的系列为最低系列。次最小的系列为最低系列。(I)系列编号：系列编号：3，4，7最低系列最低系列(II)系列编号：系列编号：3，6，72-甲基甲基-5-（1，1-二甲基丙基）癸烷二甲基丙基）癸烷支链上有取代基支链上有取代基，则从和主链相连的碳原子开始，则从和主链相连的碳原子开始将支链碳依次编号，并将取代基位号、名称及支将支链碳依次编号，并将取代基位号、名称及支链名写在括号内。链名写在括号内。当含有几个相同的取代基时，用当含有几个相同的取代基时，用“一、二、三、一、二、三、四四”表示其个数，逐个标明其位号表示其个数，逐个标明其位号 ，并用，并用 逗号分开。逗号分开。3.取代基的位号、名称排列取代基的位号、名称排列 将取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代将取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代基名称的前面，加上它的位号，并用半字线基名称的前面，加上它的位号，并用半字线“-”-”将两者连接。将两者连接。当含有几个不同的取代基时，按照当含有几个不同的取代基时，按照“次序规则次序规则”，列出基团的顺序大小次序。将顺序较大的基团列出基团的顺序大小次序。将顺序较大的基团(较优较优基团基团)列在后面，各取代基之间用列在后面，各取代基之间用 半字线半字线“-”-”连接。连接。顺序规则顺序规则 单原子取代基单原子取代基,按原子序数大小排列，按原子序数大小排列，未共用电子最小未共用电子最小。原。原子序数大子序数大,顺序大；原子次序小顺序大；原子次序小,顺序小；同位素中质量高的顺序小；同位素中质量高的,顺序大。顺序大的原子或基团为顺序大。顺序大的原子或基团为较优基团较优基团。多原子基团第一个原子相同多原子基团第一个原子相同,则比较与其相连的其它原子。则比较与其相连的其它原子。含双键或叁键的基团含双键或叁键的基团,则作为连有两个或叁个相同的原子。则作为连有两个或叁个相同的原子。乙炔基乙炔基 乙烯基乙烯基 叔丁基叔丁基 1234567893,7-二甲基二甲基-4-乙基壬烷乙基壬烷5-丙基丙基-4-异丙基壬烷异丙基壬烷IUPAC Nomenclature of alkanes:直链烷烃直链烷烃(Unbranched alkanes)MethaneEthanePropaneButanePentaneHexaneHeptaneOctaneNonaneDecane12345678910支链烷烃支链烷烃 取代基的位次按照取代基第一个字母在取代基的位次按照取代基第一个字母在 字母表中的顺序排列：字母表中的顺序排列：与中文命名不同的是：与中文命名不同的是：4-Isopropyl-5-propylnonane课堂练习：课堂练习：2.2 烷烃的分子结构和同分异构烷烃的分子结构和同分异构2.2.1 键的形成和烷烃的结构键的形成和烷烃的结构C:1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0碳原子在基态时的电子构型：碳原子在基态时的电子构型：sp3杂化轨道杂化轨道:基态基态2p2s1s电子电子跃迁跃迁激发态激发态2p2s1ssp3-杂化态杂化态杂化杂化1ssp3 sp3 杂化轨道形成过程示意图杂化轨道形成过程示意图在在甲烷分子中，甲烷分子中，C 原子是原子是sp3杂化。杂化。s 轨道成分：轨道成分：1/4；p 轨道成分：轨道成分：3/4。sp3杂化轨道杂化轨道sp3-1s 键键4个个CH 键键 甲烷的结构甲烷的结构sp3杂化的碳原子，四面体杂化的碳原子，四面体 甲烷的球棍模型和比例模型甲烷的球棍模型和比例模型 CC 键是由两个碳原子各以一个键是由两个碳原子各以一个sp3杂化轨道沿对称轴方向交盖而成的。杂化轨道沿对称轴方向交盖而成的。如：乙烷分子的结构如：乙烷分子的结构乙烷的结构（用模型）乙烷的结构（用模型）由两个和两个以上碳原子组成的烷烃，由两个和两个以上碳原子组成的烷烃，除了具有除了具有CH键外，还有键外，还有CC 键。键。1个个C键键6个个CH键键sp3 sp3 键键sp3 1s 键键 乙烷的球棒模型和比例模型乙烷的球棒模型和比例模型键的特性：键的特性：键呈圆柱型对称，键能较大，可极化性键呈圆柱型对称，键能较大，可极化性 小，可沿键轴自由旋转。小，可沿键轴自由旋转。由于由于键是沿成键轨道方向交盖而成，在键是沿成键轨道方向交盖而成，在 碳链中，碳链中，C CC CC C的键角保持了接近的键角保持了接近 109.5109.5。对于直链烷烃，其三维形状是。对于直链烷烃，其三维形状是 曲折型，而不是直线型。曲折型，而不是直线型。四个四个C-H键键六个六个C-HC-H键键 一个一个C-CC-C键键烷烃分子立体形状烷烃分子立体形状表示法：表示法：透视式透视式实线实线-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。烷烃分子立体形状表示法烷烃分子立体形状表示法2.2.2 烷烃的同分异构烷烃的同分异构1.烷烃的构造异构烷烃的构造异构正戊烷正戊烷 异戊异戊 烷烷新戊烷新戊烷碳胳（链）异构碳胳（链）异构 由于由于键呈圆柱状对称，键呈圆柱状对称，CC单键能够单键能够发生旋转，由此而导致的分子中的原子或原发生旋转，由此而导致的分子中的原子或原子团在空间的排布方式不同，分子的这种立子团在空间的排布方式不同，分子的这种立体形象体形象构象构象(Conformation)。或分子中原。或分子中原子或原子团绕单键旋转而产生的不同排列形子或原子团绕单键旋转而产生的不同排列形式称为构象式称为构象.2.烷烃的构象烷烃的构象(1)乙烷的构象乙烷的构象 由此产生的异构体由此产生的异构体 构象异构体构象异构体 重叠式重叠式乙烷的构象乙烷的构象 纽纽曼曼投投影影式式透透视视式式交叉式交叉式优势构象优势构象重叠式构象中：重叠式构象中：前后两个前后两个H原子相距最原子相距最近近，CH键之键之间间键电子云的斥力最键电子云的斥力最大大，所以能量最，所以能量最高高。交叉式构象中：交叉式构象中：前后两个前后两个H原子相距最原子相距最远远，CH键之间键之间键电子云的斥力最键电子云的斥力最小小，所以能量最，所以能量最低低，是，是优优势构象势构象(最稳定构象最稳定构象)。重叠式构象要趋向最稳定的交叉式构象。重叠式构象要趋向最稳定的交叉式构象。扭转张力：扭转张力：将分子最稳定构象转变成全重将分子最稳定构象转变成全重叠构象所需要的能量。叠构象所需要的能量。纽曼纽曼(Newman)(Newman)投影式：投影式：能量能量(kJ.mol-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象的极限构象120120对位交叉对位交叉 部分重叠部分重叠 部分交叉部分交叉 全重叠全重叠 由由C2C3 键键旋转旋转产生的构象：产生的构象：丁烷的模型丁烷的模型(2)丁烷的构象丁烷的构象固定固定C2原子，反时针原子，反时针旋转旋转C3原子，得到以原子，得到以下丁烷的极限构象下丁烷的极限构象稳定性：稳定性：对位交叉式对位交叉式 部分交叉式部分交叉式 部分重叠式部分重叠式 全重叠式全重叠式丁烷丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化键旋转引起的各构象的能量变化 讨讨 论论 题题（1）将右式化合物改写）将右式化合物改写成纽曼式，并用纽曼式表成纽曼式，并用纽曼式表示其优势构象。示其优势构象。（2）下列哪一对化合物）下列哪一对化合物是等同的？（假定是等同的？（假定C-C单键可以自由旋转）单键可以自由旋转）2.32.3 烷烃的性质烷烃的性质 物理常数物理常数：单一纯净的有机化合物在一定的条件：单一纯净的有机化合物在一定的条件下其物理性质为一固定值。下其物理性质为一固定值。有机化合物的物理性质有机化合物的物理性质：物态、熔点：物态、熔点(m.p.m.p.)、沸点、沸点(b.p.b.p.)、相对密度相对密度(d d)、折射率折射率(nD)和溶解度和溶解度(s)(s)等。等。物理常数物理常数已知化合物的鉴定已知化合物的鉴定不同化合物的分离不同化合物的分离测定测定利利 用用烷烃：无色、有一定的气味。烷烃：无色、有一定的气味。2.3.1 物理性质物理性质1.1.沸点沸点 有机物的沸点高低取决于有机物的沸点高低取决于氢键氢键和和分子间力分子间力的大小。分子间力又与分子的分子量、极性、的大小。分子间力又与分子的分子量、极性、表面积呈正相关。表面积呈正相关。有氢键有氢键分子量大分子量大极性大极性大无支链无支链沸点高沸点高 当当C C原子数相同时，含原子数相同时，含支链越多支链越多的烷烃，的烷烃，相应的沸点越低相应的沸点越低沸点沸点()36.1 27.9 9.5 分子量大的分子，其表面积增大，分子分子量大的分子，其表面积增大，分子间力间力(色散力色散力)增大，其沸点随之升高。增大，其沸点随之升高。直链烷烃的沸点直链烷烃的沸点(bpbp)随分子量的增加而随分子量的增加而升高。升高。2.熔点熔点直链烷烃熔点直链烷烃熔点(mp)(mp)随分子量的增加而升高。随分子量的增加而升高。偶数碳原子烷烃与奇数原子烷烃相比，偶数碳原子烷烃与奇数原子烷烃相比，其熔点升高较多。其熔点升高较多。熔化主要需要克服晶格能，有机物一般是分子熔化主要需要克服晶格能，有机物一般是分子晶体，熔点高低取决于分子的分子量、极性和对称晶体，熔点高低取决于分子的分子量、极性和对称性的大小。性的大小。分子量大分子量大极性大极性大对称性大对称性大熔点高熔点高 C原子数相同烷烃的不同异构体，原子数相同烷烃的不同异构体，对称性对称性大大的异构体具有较高的熔点。的异构体具有较高的熔点。熔点熔点()-130 -160 -17C原子数相同的原子数相同的环烷烃环烷烃的沸点、熔点均高于烷烃。的沸点、熔点均高于烷烃。3.相对密度相对密度烷烃比水轻，烷烃比水轻，其相对密度都小于其相对密度都小于14.溶解度溶解度烷烃几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂烷烃几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂5.折光率折光率 在一定的波长的光源和一定的温度条件在一定的波长的光源和一定的温度条件下，折光率对确定的化合物是一个常数。下，折光率对确定的化合物是一个常数。正丁烷正丁烷 1.3397正己烷正己烷 1.37环戊烷环戊烷 1.406环己烷环己烷 1.4266折光率折光率(n D 20)名称名称2.3.2 烷烃的化学性质烷烃的化学性质1.自由基取代反应自由基取代反应 饱和烃分子中的氢原子被其它原子或基团饱和烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应所取代的反应取代反应取代反应。通过自由基进行的取代通过自由基进行的取代(H原子原子)反应反应自由基取代反应。自由基取代反应。键牢固，不易断裂；键牢固，不易断裂；CH键的极性键的极性小，不易异裂，可均裂。小，不易异裂，可均裂。(1)卤代（化）反应：卤代（化）反应：在光、高温或催化剂作用下，烷烃与卤素分子在光、高温或催化剂作用下，烷烃与卤素分子反应，生成卤代烷和卤化氢。反应，生成卤代烷和卤化氢。烷烃烷烃 卤素卤素 卤代烷卤代烷 卤化氢卤化氢乙烷乙烷氯氯氯乙烷氯乙烷(78%)链增长链增长链终止链终止链引发链引发产生自由基产生自由基产生甲基自由基产生甲基自由基产生新的氯自由基产生新的氯自由基自由基之间碰撞，自由基之间碰撞，形成稳定分子，形成稳定分子，反应终止反应终止整个反应经历三个阶段：链引发、链增长、链终止。整个反应经历三个阶段：链引发、链增长、链终止。此自由基反应也称此自由基反应也称链锁反应或链反应。链锁反应或链反应。(2)卤代反应的机理卤代反应的机理反应机理是化学反应所经历的途径或过程。反应机理是化学反应所经历的途径或过程。链增长阶段：链增长阶段：自由基与分子的反应自由基与分子的反应自由基分别与反应物分子和自由基分别与反应物分子和产物分子反应。产物分子反应。(3)(3)卤化反应的取向与自由基的稳定性卤化反应的取向与自由基的稳定性 当卤分子同含有不同种类当卤分子同含有不同种类H H原子的烷烃原子的烷烃反应时，取代的位置不同。反应时，取代的位置不同。丙烷丙烷 1-氯丙烷氯丙烷(45%)2-氯丙烷氯丙烷(55%)异丁烷的一元氯化反应：异丁烷的一元氯化反应：异丁烷异丁烷 异丁基氯异丁基氯(64%)叔丁基氯叔丁基氯(36%)伯氢：伯氢：9 产率：产率：64%叔氢：叔氢：1 36%叔氢叔氢伯氢伯氢=64/936/115氢被取代的反应活性比：氢被取代的反应活性比：反应的取向与自由基的稳定性相关。反应的取向与自由基的稳定性相关。H原子被取代的活性次序：原子被取代的活性次序：叔氢叔氢 仲氢仲氢 伯氢伯氢反应活性比反应活性比 5.0 3.5 1.0(伯伯)(仲仲)(叔叔)1o2o3o自由基稳定性：自由基稳定性：3 R 2 R 1 R CH3(4)反应活性与选择性反应活性与选择性卤素的反应活性次序卤素的反应活性次序：F2 Cl2 Br2 I22-甲基戊烷甲基戊烷 2-甲基甲基-2-溴戊烷溴戊烷(76%)CH3 CH3 CH3CH3-CH-CH3+Br2 CH3-C-Br +CH3-CHCH2Br CH3 99%溴的反应性低，选择性高。溴的反应性低，选择性高。2.氧化反应氧化反应烷烃完全燃烧生成二氧化碳和水，同时放出大量的热。烷烃完全燃烧生成二氧化碳和水，同时放出大量的热。在催化剂下可以使烷烃部分氧化，生成醇、醛、酸等在催化剂下可以使烷烃部分氧化，生成醇、醛、酸等3.热裂反应热裂反应化合物在高温和无氧存在下的分解反应。化合物在高温和无氧存在下的分解反应。