有机化学饱和烃学习教案.pptx

会计学 1有机化学(yu j hu xu)饱和烃第一页，共75 页。n n 根据烃分子(fnz)中碳原子间连接方式可分为：烃是在组成烃是在组成(z chn)(z chn)上仅含有上仅含有CC、HH两种两种元素的化合物，也称为碳氢化合物。元素的化合物，也称为碳氢化合物。饱和烃：链烷烃不饱和烃：烯烃炔烃烃链烃 环状烃饱和烃：环烷烃不饱和烃：环烯烃 环炔烃芳香烃：苯，萘，蒽，菲等第1 页/共75 页第二页，共75 页。烃：只由C、H两种元素组成的有机(yuj)化合物。烷烃：包括链烷烃和环烷烃v 3.1 烷烃的通式和构造异构v 3.2 烷烃的命名v 3.3 烷烃的结构v 3.4 烷烃的构象v 3.5 环烷烃的分类(fn li)和命名v 3.6 环烷烃的构象v 3.7 烷烃的物理化学性质第2 页/共75 页第三页，共75 页。烷烃的通式(tngsh)为：CnH2n+2，n为碳原子个数。例如：甲烷 乙烷(y wn)丙烷 丁烷3.1 3.1 烷烃的通式烷烃的通式(tngsh)(tngsh)和构造异构和构造异构CH4CH3CH3 CH3CH2CH3CH3(CH2)2CH3第3 页/共75 页第四页，共75 页。-11.73 沸点(fidin)：-0.5 同系列(xli)：通式相同，组成上相差“CH2”及 其整倍数 的一系列(xli)化合物。同分异构体：具有相同分子式的不同化合物。同系列(xli)和同分异构例如：第4 页/共75 页第五页，共75 页。烷烃构造(guzo)异构体的数目第5 页/共75 页第六页，共75 页。一、普通(ptng)命名法“天干(tingn)”甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。一般按烷烃所含碳原子数目来命名，碳原子在十以内(y ni)用“天干”表示，称“某烷”。如：C5H12 C10H22 C12H26戊烷癸烷十二烷区别异构体用“正”、“异”、“新”。将直链烷烃叫“正”叫“异”CH3-CH-CH3 叫“新”CH3-C-CH3CH33.2 3.2 烷烃的命名第6 页/共75 页第七页，共75 页。二、系统(xtng)命名法 系统命名法是采用国际纯化学与应用化学联合会（简称IUPAC）的命名原则，结合我国文字的特点(tdin)，制定了中文系统命名法（1960年）。1.烷基(wn j)烷烃分子中去掉一个氢原子后，剩下的原子团叫烷基。烷基是一价基，通式为CnH2n+1，常用R-代表烷基。异戊烷如：CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH2-CH3 CH3-C-CH3CH3CH3CH3正戊烷新戊烷 第7 页/共75 页第八页，共75 页。异丙基-CH2CH2CH3 丙基CH3-CH-CH3 例如：-CH3 甲基-CH2CH3 乙基-CH2(CH2)2 CH3正丁基n-BuCH3-CH2-CH-CH3异丁基i-Bu-CH-CH2CH3CH3仲丁基s-Bu-C-CH3CH3CH3叔丁基t-Bu第8 页/共75 页第九页，共75 页。2.IUPAC命名(mng mng)法 直链烷烃与普通(ptng)命名法基本相同，但不能用“正”字。如：CH3CH2CH2CH2CH3 正戊烷（普通命名法）戊 烷（系统命名法）支链烷烃:把它看作(kn zu)是直链烷烃取代衍生物如：CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3CH33-甲基己烷1 2 3 4 5 6取代基位置 取代基名称第9 页/共75 页第十页，共75 页。选取(xunq)主链选择最长的碳链为主链。支链当作取代基。编号从靠近(kojn)支链的一端开始，编号时应尽可能使小取 代基具有最低编号。步 骤如：CH3-CH2-CH2-CH-CH3CH2-CH3CH3-CHCH2CH-CH2CH3CH2CH3CH2CH2CH32 16 5 4 32 16 7 8 3 4 5（如上例）:3-甲基-5-乙基庚烷第10 页/共75 页第十一页，共75 页。当几种(j zhn)可能的编号方向时，应当选定使取代基具有“最低系列”的那种编号。CH3-CHCH-CH2-CH2-C-CH3CH3CH3 CH3CH3CH3CHCH2CH2CH2CH2CHCHCH2CH3CH3 CH3CH3从左到右：2，3，6，6从右到左：2，2，5，61 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 11 2 3 4 5 6 7 8 9 102,7,8-三甲基癸烷（不叫3,4,9-三甲基癸烷）第11 页/共75 页第十二页，共75 页。“先小后大，同基合并(hbng)”CH3-CHC-CH2-CH2-CH3CH3 CH2CH3CH3 2,3-二甲基-3-乙基己烷1 2 3 4 5 6 有不同取代基时，把小取代基名称写在前面(qin mian)，大取代基写在后面。相同取代基合并起来，取代基数目用二、三等表示。第12 页/共75 页第十三页，共75 页。有多种等长的最长碳链可供选择(xunz)时，应选择(xunz)取代基最多的碳链为主链。CH3-CH2-CHCH-CH2-CH3CH3 CHCH3 CH3CHCH3 CH3CH2CH2-CHCH-CH-CH3CH3 CHCH3 CH3CH3 CH24 3 2 1 5 6 73 2 14 5 62,5-二甲基-3,4-二乙基己烷2,3,5-三甲基-4-丙基庚烷第13 页/共75 页第十四页，共75 页。伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子：3.C、H 原子(yunz)的分类：第14 页/共75 页第十五页，共75 页。与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型(lixng)的氢原子在同一反应中的活性是有一定差别的。如：CH3CCH2CHCH3 CH3CH3CH3季碳原子，常以4表示伯碳原子，常以1表示仲碳原子，常以2表示叔碳原子，常以3表示11111234第15 页/共75 页第十六页，共75 页。1、2、3、4、例如：用系统命名(mng mng)法命名(mng mng)下列化合物2，2-二甲基戊烷3-甲基-4-乙基己烷2，5，6-三甲基辛烷2，7，9-三甲基-6-异丁基十一(Sh Y)烷第16 页/共75 页第十七页，共75 页。一、碳原子的SP3杂化轨道(gudo)、键 1.碳原子的sp3杂化 碳原子在基态(j ti)时电子构型：1S2、2S2、2p2 杂化SP3 跃迁2S2Py2Px2PZ 2S2P1SE3.3 3.3 烷烃的分子结构 烷烃的分子结构(fn z ji u)(fn z ji u)SP3 杂化轨道含1/4 S 轨道3/4 P 轨道4个SP3杂化轨道第17 页/共75 页第十八页，共75 页。2、甲烷(ji wn)的分子模型虚线表示伸向纸平面后方实线表示在纸平面前上楔线表示伸向纸平面前方甲烷的正四面体构型HCHHH甲烷的立体构造式（透视式）甲烷(ji wn)凯库勒模型第18 页/共75 页第十九页，共75 页。3、键：乙烷(y wn)分子结构虽然是四面体，但不是正四面体，键角也不是109.5而是接近109.5。甲烷的形成示意图键乙烷的结构键第19 页/共75 页第二十页，共75 页。原子 轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称的轨道称为 轨道。轨道构成的共价键称为 键。例如(lr)：甲烷分子中有四个C H 键。乙烷分子中有六个C H 键和一个C C 键。甲烷(ji wn)乙烷(y wn)键的定义：第20 页/共75 页第二十一页，共75 页。1.以键轴为对称轴的键。成键时轨道的交盖程度 较大，键比较牢固。2.成键原子可沿键轴自由(zyu)旋转;不影响键电子 云的交盖程度，可极化性较小。键的特性(txng):第21 页/共75 页第二十二页，共75 页。CC CC 键是可以旋转的；键是可以旋转的；单键的旋转使分子中的原子或基团在空间产生不同 单键的旋转使分子中的原子或基团在空间产生不同 的排列（构象）；的排列（构象）；不同的构象体之间为构象异构关系（一类 不同的构象体之间为构象异构关系（一类(y li)(y li)立体异构现象）立体异构现象）乙烷的两种构象3.4 烷烃的构象(u xin)第22 页/共75 页第二十三页，共75 页。第23 页/共75 页第二十四页，共75 页。11、乙烷乙烷(y wn)(y wn)的构象的构象一般情况下(T-250oC):单个乙烷分子：绝大部分时间(shjin)在稳定构象式上。一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。旋 转 6 0o12HHHHHH112HHHH HH112HHHHHH1旋 转 6 0o第24 页/共75 页第二十五页，共75 页。n n 重叠式构象(u xin)：l l 描述(mio sh)烷烃构象的几种方式：透视式 透视式 锯架式 锯架式Newman Newman式 式第25 页/共75 页第二十六页，共75 页。l l 交叉交叉(jioch)(jioch)式构象式构象透视式 透视式锯架式 锯架式Newman Newman投影式 投影式第26 页/共75 页第二十七页，共75 页。绕C-2和C-3之间的键旋转，形成的四种典型(dinxng)构象。对位交叉(jioch)式 邻位交叉(jioch)式 全重叠式 部分重叠式构象稳定性：对位(du wi)交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式 最稳定的对位(du wi)交叉构象是优势构象，能量最低。2、正丁烷的构象第27 页/共75 页第二十八页，共75 页。l l 丁烷 丁烷(dn wn)(dn wn)构象转换与势能关系图 构象转换与势能关系图第28 页/共75 页第二十九页，共75 页。第29 页/共75 页第三十页，共75 页。3.3.其它 其它(qt)(qt)烷烃的构象 烷烃的构象规律(gul):体积最大的基团总是占据对位交叉的位置最稳定(wndng)HBr CH3BrHH3C最不稳定BrH3CHBrHH3C例：画出化合物 的 交叉式和 重叠式构象BrHCH3BrH3CH23全全第30 页/共75 页第三十一页，共75 页。讨 论 题 将右式化合物改写成纽曼式，并用(bn yn)纽曼 式表示其优势构象。B rHC H3H BrF第31 页/共75 页第三十二页，共75 页。分类(fn li)：环烷烃按照分子中所含碳环的数目，可分为：单环：双环：多环：3.5 环烷烃的分类(fn li)和命名桥环螺环cubane cubane adamantane adamantane第32 页/共75 页第三十三页，共75 页。甾族化合物：甾族化合物的结构特征是包含一个(y)四环稠合的碳环骨架，同时还有三个侧链。甾环结构(jigu)：胆固醇(C27H45OH)雄甾酮(C19H30O2)可的松第33 页/共75 页第三十四页，共75 页。二、命名(mng mng)1.单环烃 1）按成环碳原子数目(shm)称为“环某烷。”2）长链作母体(mt)，环作取代基。3-甲基-4-环丁基庚烷甲基环戊烷methyl-methyl-cyclopentane cyclopentane1-甲基-3-乙基环己烷1-ethyl-3-methyl cyclohexane第34 页/共75 页第三十五页，共75 页。3）顺、反环烷烃 受环的限制，键不能自由旋转。环上取代(qdi)基在空间的位置不同，产生顺反异构体。顺(cis)：两个(lin)取代基在环同侧；反(trans)：两个(lin)取代基在环异侧。HCH3H3CHHC H3H3CH顺-1,4-二甲基环己烷(cis cis-1,4-dimethyl-1,4-dimethylcyclohexane cyclohexane)反-1,4-二甲基环己烷(trans trans-1,4-dimethyl-1,4-dimethylcyclohexane cyclohexane)第35 页/共75 页第三十六页，共75 页。2.桥环通过共用两个或两个以上(yshng)碳原子连接的多环化合物。桥 头 碳：几个环共用的碳原子。环的数目：断裂(dun li)二次CC键可成链状烃，为二环；断裂(dun li)三次CC 键可成链状烃，为三环。双环 3.2.1 辛烷Bicyclo 3.2.1 octane Bicyclo 3.2.1 octane第36 页/共75 页第三十七页，共75 页。按照(nzho)“桥头碳1长桥桥头碳2中桥小桥”的顺序进行编号，并尽可能使取代基的位次最小。153246 7CH3双环 3.2.1 辛烷Bicyclo 3.2.1 octane Bicyclo 3.2.1 octane2-甲基双环 2.2.1 庚烷2-methyl 2-methyl bicyclo2.2.1 heptane bicyclo2.2.1 heptane第37 页/共75 页第三十八页，共75 页。3,7,7-三甲基双环(shun hun)4.1.0庚烷2,8-二甲基-1-乙基 双环(shun hun)3.2.1 辛烷 12345671 2345678第38 页/共75 页第三十九页，共75 页。3、螺环烷烃编号：从小环与螺原子(yunz)相邻的C原子(yunz)开始，按照“小环螺原子(yunz)大环”的顺序编号；并尽可能使取代基的位次最小。两个(lin)环共用一个碳原子的环烷烃称为螺环烷烃。共用的碳原子称螺碳原子。Spiro Spiro 4.5 decane 4.5 decane第39 页/共75 页第四十页，共75 页。2,6 2,6 二甲基 二甲基 螺 螺4.5 4.5 癸烷 癸烷 5-甲基螺3.4辛烷CH387654321CH3CH3练习(linx)：第40 页/共75 页第四十一页，共75 页。CH315324672-甲基双环(shun hun)2.2.1-2-庚烯12345675,7,7-三甲基二环2.2.1-2-庚烯v 2-甲基螺4.5-6-癸烯 第41 页/共75 页第四十二页，共75 页。3.7 烷烃的物理性质(wl xngzh)1、状态常温、常压(0.1MPa)C1C4：气态C5C16：液态C17：固态直链烷烃2、沸点(fidin)（b.p）:A.直链烷烃 M，b.p；庚烷：b.p=98.4。第42 页/共75 页第四十三页，共75 页。B.支链烷烃(同分异构(tn fn y u)体)支链，b.p。CH4(-161.6)C2H6(-88.6)b.p73C.C5H12C6H14(68.9)(36.1)b.p32.8 C.C12H26C13H28b.p19.3 C.(216.2)(235.5)相邻(xin ln)同系物的沸点差(b.p)，随M,b.p。第43 页/共75 页第四十四页，共75 页。3、熔点(rngdin)(m.p)A直链烷烃M，m.p(C3以后)。第44 页/共75 页第四十五页，共75 页。第45 页/共75 页第四十六页，共75 页。含偶数(u sh)碳原子的碳链具有较好的对称性，晶格排列紧密。B.同分异构(tn fn y u)体 支链，m.p(不利于晶格的紧密(jnm)排列)。对称性，m.p；高度对称的异构体 m.p 直链异构体。C H3C H2C H2C H2C H3(C H3)2C H C H2C H33 4(C H)C-1 2 9.7 C.-1 6 0.0 C.-1 6.6 C.第46 页/共75 页第四十七页，共75 页。v 溶解度:烷烃不溶于水，易溶于非极性溶剂(rngj)。v 相对密度:烷烃的密度均小于1（0.424-0.780)但随分子量的增加逐渐增大。第47 页/共75 页第四十八页，共75 页。环烷烃的物理性质 环烷烃的物理性质(wl(wl xngzh)xngzh)：环烷烃的沸点、熔点(rngdin)和相对密度都较含同数碳原子的开链脂肪烃为高。部分环烷烃和烷烃对映的物理(wl)常数第48 页/共75 页第四十九页，共75 页。C H C H电负性 电负性 2.5 2.1 2.5 2.1l l 烷烃的结构 烷烃的结构(jigu)(jigu)l l 一般情况 一般情况(qngkung)(qngkung)下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱（常用 下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱（常用作低极 作低极l l 性溶剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）性溶剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）l l 烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应）烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应）sp3 sp3 杂化 杂化已饱和 已饱和(boh)(boh)不能加成 不能加成低极性共价键 低极性共价键H H 酸性小 酸性小不易被置换 不易被置换3.8 化学性质C C H第49 页/共75 页第五十页，共75 页。一、甲烷 一、甲烷(ji wn)(ji wn)的卤代 的卤代反应 反应1 1、甲烷 甲烷(ji wn)(ji wn)的氯 的氯代反应 代反应反应特点 反应特点:(1)(1)反应需光照或加热。反应需光照或加热。(2)(2)光照时吸收 光照时吸收(xshu)(xshu)一个光子可产生几千个氯甲烷（反应引 一个光子可产生几千个氯甲烷（反应引发过程）发过程）(3)(3)一个自由基能使链增长反应重复 一个自由基能使链增长反应重复5,000 5,000次。次。第50 页/共75 页第五十一页，共75 页。反应 反应(fnyng)(fnyng)速率 速率:F2 Cl2 Br2 I2:F2 Cl2 Br2 I2（不反应（不反应(fnyng)(fnyng)）F2 F2：反应过分剧烈、较难控制：反应过分剧烈、较难控制Cl2 Cl2：正常：正常(zhngchng)(zhngchng)（常温下可发生（常温下可发生反应）反应）Br2 Br2：稍慢（加热下可发生反应）：稍慢（加热下可发生反应）I2 I2：不反应。即使反应：不反应。即使反应,其逆反应易进行 其逆反应易进行主要讨论的内容不同卤素(l s)与烷烃的反应活性不同:I2HI CH3I+C H4+第51 页/共75 页第五十二页，共75 页。2.2.甲烷 甲烷(ji wn)(ji wn)的卤代反应机理（反应机理，反应历程）的卤代反应机理（反应机理，反应历程）3.3.（Reaction Machanism Reaction Machanism）什么是反应机理？什么是反应机理？反应机理是对反应过程的详细描述，应解释 反应机理是对反应过程的详细描述，应解释(jish)(jish)以下问题：以下问题：研究反应机理 研究反应机理(j l)(j l)的意义：的意义：了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。发现反应的一些规律，指导研究的深入。发现反应的一些规律，指导研究的深入。l 反应条件起什么作用？反应条件起什么作用？l l 决速步骤是哪一步？决速步骤是哪一步？l l 副产物是如何生成的？副产物是如何生成的？l 反应是如何开始的？反应是如何开始的？l l 产物生成的合理途径？产物生成的合理途径？l l 经过了什么中间体？经过了什么中间体？第52 页/共75 页第五十三页，共75 页。烷烃的氯化是一个连锁反应，也叫链反应。分为(fn wi)链引发、链增长和链终止三个阶段。n n 甲烷的卤代机理 甲烷的卤代机理(j l)(j l)自由基取代机理 自由基取代机理(j l)(j l)第53 页/共75 页第五十四页，共75 页。链增长：链终止：链引发：产生(chnshng)自由基产生(chnshng)甲基自由基产生(chnshng)新的氯自由基自由基之间碰撞，形成稳定分子，反应终止整个反应经历三个阶段：链引发、链增长、链终止。因此自由基反应也称链锁反应或链反应。第54 页/共75 页第五十五页，共75 页。丙烷(bn wn)的氯化反应：仲氢与伯氢活性之比为：3、卤化反应(fnyng)的取向及自由基的稳定性第55 页/共75 页第五十六页，共75 页。异丁烷的一元(y yun)氯化反应：叔氢与伯氢活性之比为：氢原子的活性次序(cx)为：3H2H1H烷基(wn j)自由基的稳定性次序为：(CH3)3C(CH3)2CHCH3CH2CH3 氯代反应三种氢的活性：1H:2H:3H=1:4:5第56 页/共75 页第五十七页，共75 页。4、反应(fnyng)活性与选择性 反应(fnyng)活性越大，选择性越差。烷烃卤化(l hu)时，卤原子的选择性是 BrClF 97%3%99%1%溴代反应(fnyng)三种氢的活性：1H:2H:3H=1:82:1600第57 页/共75 页第五十八页，共75 页。离解(l ji)能kJmol-1435410395380自由基的稳定性次序(cx)：3R2R1RCH3 H 原子(yunz)的活泼性次序：3H2H1H5、自由基的稳定性第58 页/共75 页第五十九页，共75 页。6、自由基的结构与稳定性的理论(lln)解释：甲基自由基结构 甲基C：SP3杂化甲基自由基C：SP2杂化CHHHCsp2120 C0第59 页/共75 页第六十页，共75 页。这就是说：由CH4转化(zhunhu)为CH3Cl过程中，碳原子的杂化方式也发生了变化。第60 页/共75 页第六十一页，共75 页。乙基自由基 异丙基自由基 叔丁基自由基第61 页/共75 页第六十二页，共75 页。自由基的稳定性顺序(shnx)为：，p-超共轭效应(xioyng)的大小与参与共轭的CH键数目有关。7、自由基稳定性的理论(lln)解释，p-超共轭效应第62 页/共75 页第六十三页，共75 页。第63 页/共75 页第六十四页，共75 页。过渡态过渡态与反应(fnyng)物之间的能量差是形成过渡态所必需的最低能量，也是使这个反应(fnyng)能够进行所需要的最低能量，叫做活化能，用Ea表示。7、过渡态和活化能第64 页/共75 页第六十五页，共75 页。P25习题(xt)2.13第65 页/共75 页第六十六页，共75 页。二、氧化(ynghu)反应三、异构化反应(fnyng)适当条件下，直链或支链少的烷烃可以异构化 为支链多的烷烃。因此(ync)烷烃的主要用途是做燃料。第66 页/共75 页第六十七页，共75 页。四、裂化反应 烷烃在没有氧气(yngq)存在下进行的热分解反应叫裂化反应。第67 页/共75 页第六十八页，共75 页。环烷烃化学性质(huxu xngzh)1、加成反应(ji chn fn yn)加氢：易 难加成难度增加+H2N i80 CoCH3CH2CH3+H2Ni200 CoCH3CH2CH2CH3+H2Pt300CoCH3CH2CH2CH2CH3第68 页/共75 页第六十九页，共75 页。加卤素(l s)：+Br2+Br2CCl4CCl4CH2CH2CH2Br BrCH2CH2CH2Br Br+Br2+Br2 heat heatCH2CH2CH2CH2BrBrCH2CH2CH2CH2BrBr因此，可用溴褪色(tu s)的方法来区别小环环烷烃 与开链烷烃！r t.h vo r 3 0 0oCr t.h vo r 3 0 0oC HBr+Br2Br+第69 页/共75 页第七十页，共75 页。加卤化(l hu)氢：环的断裂发生(fshng)在取代基最多和取代基最少的碳原子之间。即：氢加到含氢多的碳原子上，卤素加到含氢少的碳原子上。马氏规则(guz)：+1321 23C H2C CHC H3C H3C H3+H Br第70 页/共75 页第七十一页，共75 页。因此(ync)环烷烃稳定性：1 232、取代(qdi)反应+Br2300Br+HBr+Br2300Br+HBr+Cl2Cl+HCl+Cl2Cl+HCl紫外光第71 页/共75 页第七十二页，共75 页。3、氧化(ynghu)反应Co155 1MPa综上所述：小环环烷烃 小环环烷烃 活泼，易开环 活泼，易开环似烯烃 似烯烃五元以上 五元以上环烷烃 环烷烃不活泼，易取代似 似烷烃 烷烃环烷烃对氧化剂稳定，不被高锰酸钾(o mn sun ji)、臭氧等氧化剂氧化。第72 页/共75 页第七十三页，共75 页。3.9 烷烃的主要(zhyo)来源 烷烃的来源石油和天然气石油的主要(zhyo)成分是各种烃类(烷烃、环烷烃和芳香烃等)的复杂混合物天然气的主要(zhyo)成分为低级烷烃（75甲烷，15乙烷，5丙烷，5%其它较高级的烷烃）的混合物。第73 页/共75 页第七十四页，共75 页。本章(bn zhn)重点讲解：n n 1.烷烃的命名 掌握 n n 2.烷烃的结构(jigu)理解n n 3.烷烃的构象理解n n 4.烷烃的物理性质了解n n 5.烷烃的化学性质掌握本章习题：v P57 3.3，3.6，3.12，3.13第74 页/共75 页第七十五页，共75 页。