烷烃与环烷烃.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章,第一节,烷烃和环烷烃,烷 烃,一 烷烃的结构,二 烷烃的命名,三 烷烃的物理性质,四 烷烃的化学性质,五 烷烃的卤代反应历程,第二节,环 烷 烃,一 环烷烃的分类,二 单环烷烃的命名,三 单环烷烃的结构,四 环烷烃的化学性质,【,学习要求,】,1.,了解,C,原子和,H,原子的类型以及烷基。,2.,掌握普通命名法和系统命名法的基本原则，并能熟练,命名烷烃和环烷烃。,3.,了解同系物沸点、熔点变化规律。,4.,掌握烷烃和环烷烃的化学性质及影响因素。,5.,掌握构象异构和顺反异构产生的原因、特,点、命名及书写。,第一节,烷,烃,烃 ：由,C,、,H,两种元素组成的化合物 叫碳,氢化合物，简称烃。根据碳架的形状及碳原,子间连接的方式分类如下：,饱和脂肪烃（,烷烃,）,脂肪烃,不饱和脂肪烃（,烯烃、炔烃、二烯烃）,烃,脂环烃,芳香烃,饱和脂环烃（,环烷烃,）,不饱,和脂环烃（,环烯烃、环炔烃,）,含苯芳烃（,萘、蒽、菲,）,非苯芳烃,2,2.1,烷烃和环烷烃的通式和构造异构,烷烃定义：分子中只含,C,、,H,两种元素；,烃分子中碳原子之间以单键连接，碳原,子的其余化合价完全为氢原子所饱和。,C,SP,3,C,SP,3,C,SP,3,H,1S,2.1.1,饱和烷烃,通式,：,C,n,H,2 n,+,饱和环烷烃,C,n,H,2n,同系,列：具有同一个分子通式，在组成上相差一个或几,个,CH,2,的一系列化合物。,同系物：同系列中的化合物彼此互为同系,物。,化学键,同分异构现象,:,分子式相同而结构不同的现象。,原子的连接方式和顺,碳架异构,构造异构 位置异构,官能团异构,序不同,同分异构,互变异构,构象,（,键的旋转产生,）,立体异构,构型,分子中原子和基团在,空间的排布不同,顺反异构,（,键的不能旋转产生,）,旋光,异构（,手性产生）,2.1.1,烷烃和环烷烃的构造异构,分子中碳原子相互连接的顺序不同，产生不同的碳链或碳环,现象,，称为,碳架,（,骨架）异构现象,。,烷烃的同分异构为碳架异构,1.,链烷烃的碳链异构现象,甲烷,CH,4,、,乙烷,CH,3,CH,3,、,丙烷,CH,3,CH,2,CH,3,无碳架异构,.,用碳链逐步缩短的方法推导碳架异构体数目,.,以,庚烷为例,说明推导过程：,写出最长直链碳架式：,缩掉一个,C,，,再接到缩短后的不同碳上，相当于：,缩掉两个,C,（,相当于一个,CC,或两个,C,）,接到缩短后的碳链上：,缩掉三个,C,，或一个,C,和一个,CC,或一个,CCC,或一个,CC,接到缩短的原碳链上：,与,同,与,同,与,同,共,9,个碳架异构体,C,不同碳原子数的烷烃的碳架异构体数目：,62,491,178,805,831,366319,35,18,9,5,3,2,1,1,1,异构体数,40,20,9,8,7,6,5,4,3,2,1,C,原子数,随链烷烃中碳原子数增加，碳架异构体数目急剧增加。,2.,环烷烃碳架异构现象,逐步缩小碳环，缩下来的碳，连到缩小后的碳环的不同位置上，写出环烷烃碳架异构体。,例如：环己烷,C,6,H,12,可以写出,12,个异构体：,2.2.1 C,原子和,H,原子的种类,与一个碳相连：一级碳原子，或伯碳,（,primary,），用,1,0,C,表示，一级碳上的氢称一级氢，用,1,0,H,表示。,与两个碳相连：二级碳原子，或仲碳,（,secondary,），用,2,0,C,表示，二级碳上的氢称二级氢或仲,氢，用,2,0,H,表示。,与三个碳相连：三级碳原子，或叔碳,（,tertiary,），用,3,0,C,表示，三级碳上的氢称三级氢或叔,氢，用,3,0,H,表示。,与四个碳相连：四级碳原子，或季碳（,quaternary,），,用,4,0,C,表示,2.2,烷烃和环烷烃的命名,碳原子的四种类型,1,H,（伯氢,）,2,H,（仲氢,）,H,3,C,CH,2,CH,2,CH,3,1,C,（伯碳，一级碳）,primary carbon,2,C,（仲碳，二级碳）,secondary carbon,CH,3,3,H,（叔氢,）,CH,3,H,3,C,CH,CH,3,H,3,C,C,CH,3,CH,3,3,C,（叔碳，三级碳）,tertiary carbon,4,C,（季碳，四级碳）,quaternary carbon,分析下列化合物所含碳原子种类,CH,3,H,3,C,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,H,3,C,CH,CH,2,CH,3,二种类型,2,C,CH,3,CH,3,二种类型,1,C,H,3,C,CH,CH,2,C,CH,3,CH,3,二种类型,1,C,碳原子种类的扩展,CH,3,H,3,C,CH,2,CH,2,H,3,C,CH,CH,3,H,3,C,C,CH,3,1,自,由基,（伯自由基）,2,自,由基,（仲自由基）,3,自由基,（叔自由基）,CH,3,H,3,C,CH,2,CH,2,CH,2,H,3,C,C,CH,3,1,碳,负离子,（伯碳负离子）,3,碳,正离子,（叔碳正离子）,2.2.2,烷基和环烷基,R,（烷基）,中文名,英文名,缩写,CH,3,CH,3,CH,2,CH,3,CH,2,CH,2,甲基,乙基,（正）丙基,meth,yl,eth,yl,n-,prop,yl,Me,Et,n,-Pr,CH,3,CH,3,CH,异丙基,iso,prop,yl,i,-Pr,取代基（烷基）,：烷烃去掉后留下一个氢原子的原子团,R,（烷基）,中文名,英文名,缩写,CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,（正）丁基,n,-butyl,n,-Bu,CH,3,CH,3,CH,2,CH,仲丁基,sec,-butyl,s,-Bu,(,secodary,),CH,3,CH,3,CH,CH,2,异丁基,iso,butyl,i,-Bu,CH,3,CH,3,C,CH,3,叔丁基,tert,-butyl,(tertiary),t,-Bu,环丙基 环戊基 环已基如何写,?,(2),亚基,：一个化合物形式上消除两个单价或一个,双价的原子或基团，剩余部分为亚基。例如：,亚甲基,亚异丙基,苯亚甲基（亚苄基）,亚氨基,1,，,2-,亚乙基,1,，,6-,亚己基,邻亚苯基,1,，,3-,亚乙氧基,2.2.3,烷烃的命名,普通命名法,用于简单化合物的命名,IUPAC,命名法（系统命名法）,（,IUPAC,:,国际纯粹与应用化学联合会，,I,nternational,U,nion of,P,ure and,A,pplied,C,hemistry,）,普通命名法,:,烷基名称,+,烷,根据分子中碳原子的总数称为,#,烷，碳原子数为,1-10,的用,甲、乙、丙、丁、,表示。,10,个以上的用中文数字,表示。如：十二烷。,直链烷烃，名字前加“正”。,链端第二个碳原子上有一个甲基而无其他支链的，名字,前加“异”,（,CH,3,）,2,CH,。,链端第二个碳原子上有二个甲基而无其他支链的，名字,前加“新”。,（,CH,3,）,3,CCH,例：,碳原子数为,110,用天干,（甲、乙、丙、,壬、,碳原子数目,+,烷,癸）表示,中文名,英文名,C1,C2,C3,CH,4,CH,3,CH,3,CH,3,CH,2,CH,3,甲烷,乙烷,丙烷,methane,ethane,propane,碳原子数为,10,以上时用中文,数字表示。如：十二烷,pentane,中文名,英文名,CH,3,CH,2,CH,2,CH,3,正,丁烷,n,-,but,ane,C4,CH,3,CH,3,CH,CH,3,CH,3,(CH,2,),3,CH,3,异,丁烷,正,戊烷,iso,but,ane,n,-,pentane,CH,3,C5,CH,3,CH,CH,2,CH,3,异,戊烷,iso,pent,ane,CH,3,CH,3,CCH,3,新,戊烷,neopentane,CH,3,异构词头用词头,“,正,”,、,“,异,”,和,“,新,”,等区分,相应的英文词头为,n,(normal),、,iso,和,neo,（注意不加“,”,）,基团,次序规则,(P72.73),（,1,）取代基中与主链直接相连的原子按原子序数由大,到小排列，原子序数大的为优先基团。,H,D,C,N,O,F,P,S,Cl,Br,I,P28,提到的衍生命名法一般不用,.,只掌握其中提到的次序规则,（,2,）若取代基中与主链直接相连的第一个原子相同，则把,与第一个原子直接相连的其他原子进行比较，若仍相同，则,继续比较，直到有差别为止。,C H,2,C H,3,C H,3,C H,2,C H C H C H C H,2,C H,2,C H,2,C H,3,C H,3,C(C H,3,),3,较优基团,C,C,C,H,C,C,H,H,C,H,H,C,与主链直接相连的,第一个原子,与主链直接相连的,其他,原子,（,3,）含有双键和三键的基团，可以看作是用单键连有两个,或三个相同的原子或基团。,较优基团,HC,C,C,C,C,C,H,2,C=CH,C,C,C,H,O,-COH,-CHO,C,C,O,O,O,O,O,H,较优基团,比较下列基团的优先顺序,NH,2,CH=CH,2,H,3,C,COOH,H,3,C,CHO,H,NH,2,COOHCH,3,H,Br,BrCHOCH=CH,2,CH,3,系统命名法,(IUPAC),：,（,1,）选主链，碳链最长，支链最多。,（,2,）定基位，有多个排序时遵循“最低系列原则”,(,最先遇到位次较低的取代基为最低系列），,有多个最低系列,按“次序规则”使较优,基团位次较大。,(3),书写时，标明取代基的位次，名称，且按,先简后繁。,8 7,8,例,1,2,3,4,CH,3,CH,2,CH,2,CH,CH,2,CH,3,6 5,5 6 7,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,最长链为主链,取代基编号数最小,4,3,2,1,4,乙基辛烷,4,ethyl,octane,CH,3,6 5 4 3 2 1,CH,3,CH,2,CH,2,CHCHCH,3,6 5 4 3,CH,2,CH,3,5,乙基辛烷,不正确命名,取代基最多的链为主链,小基团排在前面（英文,以字母顺序排列）,2,1,2,甲基,3,乙基己烷,3,ethyl,2,methyl,hexane,3,-,异丙基己烷,不正确命名,练习,CH,3,H,3,C CH,CH,3,CH,2,CHCH,2,CHCH,2,CH,3,CH,3,CH,2,CH,3,CH,3,CCH,2,CHCH,2,CH,2,CH,3,CH,3,2-,-3-,CH,3,Cl,2,2-,CH,2,CH,3,-4-,CH,3,CH,2,CHCH,2,CHCH,2,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,3-,-8-,-5-,CH,2,CH,2,CH,3,CH,3,CH,2,CH,2,CHCHCHCH,3,CH,3,CH,3,4-,-5-,CH,3,H,3,C,CH,CH,3,CHCH,2,CHCH,2,CH,3,H,3,C C,H,CH,3,2,5-,-3,4-,C,l,2,，,6,二甲基,-3,，,6,二乙基壬烷,写出,3,甲基,8,乙基,6,氯十一烷的结构式,2.2.4,环烷烃的命名,(1),单环烷烃根据成环碳原子总数，称为“环（,cyclo,）某烷”；环上有取代基时，给取代基的位次尽量小。,环己烷,甲基环戊烷,1-,甲基,-3-,乙基环己烷,异丙基环戊烷,1-,环丁基正戊烷,C,2,H,5,2,3,1,CH,3,4,6,5,CH(CH,3,),2,(2),二环环烷烃,-2-,-5-,-1-,（,a,）螺环烷烃的命名,两个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。,如,可能情况下给取代,基以尽量小的编号。,9,10,4,3,5,4,1,8,5,6,7,3,2,7,CH,3,6,1,2,2.4,7-,4.5,spiro2.4heptane,7-methylspiro4.5decane,（,b,）桥环烷烃的命名,两个环共用两个或两个以上碳原子的化合物称桥环化合物。,桥头碳：共用的,C,；,桥：两个桥头碳,间的碳链或键。,8,7,编,号,从桥头碳开始，绕最长的桥到另一个桥头，再,绕次长桥回来，最后再编最短的桥。,可能的情况下给取代基以尽可能小的编号,1 2,6,5,4,3,2,8,8-trimethylbicyclo3.2.1octane,2.8.8-,三四基二环,3.2.1,辛烷,双环,4.2.0,辛烷,双环,2.2.1-2-,庚烯,5,6-,二甲基双环,2.2.2-2-,辛烯,4,CH,2,CH,2,CH,3,3,2,5,1,2,1,CH,3,4,3,1,2,_,3,_,5,_,CH,2,5,1,1,HC,HC,2,3,C,CH,3,1 2,CH,2,CHCH,2,CH,3,5,_,3,_,2,1,3,_,3,_,_ 3 _(2 _,3 4 5,CH,2,CH,2,CH,3,),2.,桥环化合物：,8,3,2,1,1,3.3.0,8,5,5,6,_,CH,3,CH,3,5,7,1,6,2,4,2.2.2,_ _,2,2,_,7,6,4,1,3,CH,3,3.2.1,_ _,6,3.,螺环化合物：,:,5,CH,3,.,CH,2,CH,3,1,5,_,4,2,3,3.4,3,7,_,3,CH,3,_ _,5,7,CH,3,4,4,2.4,烷烃和环烷烃的构象,1.,基本概念,分子的构象,：在常温下，分子中的原子或基团绕着单键（,键）旋转，在空间产生了一系列不同的排列，这一系列排列称为,分子的构象,。每一种排列称为,构象异构体,。,稳定构象,：在一系列构象中能量最低（最稳定、存在时间最长或出现概率最大）的构象称为稳定构象，又称为,优势构象,。,键：轴对称，键可,“自由旋转”。,2.4.1,乙烷的构象,乙烷分子绕,CC,键旋转 ，产生无数个构象异构体，其中有两个典型构象异构体，称为极限构象异构体,重叠式（顺叠式）构象、交叉式（反叠式）构象。,重叠式构象,交叉式构象,描述构象异构的几种方式,H,H,1,C,H,H,C,2,H,H,H,H,H,1,H,2,H,H,H,H,H,1,H,2,H,H,伞形式,(,投视式,),锯架式,Newman,投影式,注意,Newman,投影式的写法,o,CH,3,CH,3,1,2,60,2,1,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H H,H,H,H,Newman,H,H,H,H,H,H,H,乙烷构象能量变化图,重叠式能量比交叉式高,12.1KJ/mol,分子由一个交叉式转到另一个交叉式需经过能量较高的重叠,式，亦称能垒。因此，碳碳单键的旋转并非自由。,温度降低，优势构象数量增加,。,2.4.2,丁烷的构象,丁烷的结构比乙烷复杂，先讨论绕,C,2,C,3,键旋转产生的构象。有四种极限构象，其热力学能及动态平衡中各异构体含量如下：,全重叠式,部分交叉式,部分重叠式,对位交叉式,热力学能,/kJmol,-1,18.8,3.7,15.9,0,室温下含量,/%,0,18,0,72,这些构象,能量差,18.8 kJmol-1,，室温下仍可以绕,C2-C3,键自由转动，相互转化，呈动态平衡。,丁烷分子也可以绕,C,1,C,2,和,C,3,C,4,键旋转产生类似的构象。,相邻的两碳上的,CH,键都处于反位交叉式，碳链呈锯齿状排列：,分子构象的作用,构象影响分子间作用力等，因而影响化合物的性质（如熔点）和反应机理。,注意,：,这里讨论是链烷烃的构象，在分析其他类化合物构象时，在相邻碳原子上连有可形成氢键的基团时，会改变构象。,例,：,CH,2,ClCH,2,OH,的稳定构象是,氢键的能量远大于稳定构象的能量,。,2,C H,其它烷烃的构象,规律,:,大基团总是占,据对位交叉,例：画出化合物,H,3,C,CH,3,Br,的所有,典型构象,H,Br,3,H,H,3,C,H,C H,3,2,Br,3,Br,60,o,C2,H,3,C,H,B r,CH,3,60,o,H,3,C,Br,H,Br,C H,3,60,o,H,Br,H,H,最稳定,H,3,C,Br,H,Br,60,o,H,3,C,Br,B r,6 0,o,H,3,C,H,3,C,Br,Br,60,o,H,3,C,H,H,3,H,H,H,最不稳定,构型异构体与构象异构体的异同,立体异构体：,见分类,由原子或基团在,空间,的排列（或连接）方式不同所产生的,异构体（包括,构型异构体,和,构象异构体,）,H,Cl,Br,C,I,与,I,Br,C,Cl,H,H,H,H,H,H,H,与,H,H,H,H,H,H,构型异构体,不可转换,理论上可分,离,构象异构体,可通过单键旋转,转换,一般无法分离,环已烷环上每个,Csp3,杂化保持环己烷碳原子的,109.5,键角，无张力环,.,它的两种极限构象为椅型和船型。,椅型构象,：,C,1,、,C,2,、,C,4,、,C,5,在一个平面上，,C,6,和,C,3,分别在平面的下方和平面的上方，很像椅脚和椅背，故称“,椅型,”。,船型构象,：,C,1,、,C,2,、,C,4,、,C,5,在一个平面上，,C,3,和,C,6,在平面上方。形状像只船，,C,3,和,C,6,相当船头和船尾，故称“,船型,”。,2.4.3,环己烷的构象,椅型构象,船型构象,在椅型构象中,从透视式和纽曼式中可以看,到：相邻的两个碳上的,CH,都是交叉式构象，非,键合的氢间最近距离,0.25 nm,，,大于,0.24 nm,（,正常非,键合氢之间的距离）。,C,原子的键角,109.5,。无各,种张力，是优势构象，在平衡构象中约占,99.9%,。,环己烷的椅型构象,立体透视式,纽曼式,在船型构象中，船底四个,C,中,C,1,和,C,2,，,C,4,和,C,5,是重叠构象，有扭转张力，船头和船尾两个伸向船内的氢（,旗杆键上氢,）相距,0.183nm,，,小于正常非键氢原子间距离,(,0.24nm),，,有非键张力，它的能量比椅型高,30 kJ,mol,-1,。,立体透视式,纽曼式,椅式构象平伏键与直立键的定义,环己烷的椅型构象中，六个碳原子分别在,两个平行的平面中。,C,1,、,C,3,、,C,5,在上面的平面中，,C,2,、,C,4,、,C,6,在下面的平面中。一个三重对称轴，垂直于两平面。,C,3,直立键,：每个碳上有一根与,C,3,轴平行的,CH,键，称直立键，也称,竖直键,（,a,键,）。有三根向上，三根向下。,平伏键,：每个碳上有一根与平行平面成,19,角的,CH,键称平伏键，也称,水平键,（,e,键,）。有三根,向上偏,19,，三根,向下偏,19,。,直立键与平伏键,转换,：当从一种椅型构象翻转成,另一种椅型构象时，平伏键转变成直立键，直立键,变成平伏键。,a,e,e,a,2.4.4,取代环己烷的构象,(1),一取代环己烷：有取代基,R,在,a,键上和在,e,键上两种构象。,在,e,键上的构象稳定。,因为，,R,在,e,键上是对位交叉构象，远离,C,3,、,C,5,上,a,键的,H,；在,a,键上是邻位交叉构象与,C,3,、,C,5,上,a,键,H,有非键吸引力。随着,R,基团的增大，在,e,键上的构象比例增加。,R,在,a,键和,e,键,二取代环己烷,：,二取代基的情况有几种取代位置，还有顺反关系。,一,般是大取代基在,e,键上的是稳定构象,。立体化学中研究,环己烷衍生物性质时，经常引入一个叔丁基，此时，叔,丁基在,e,键的构象稳定，环不易再翻转，称为,“锁住效,应”,。,反式,-1-,甲基,-4-,叔丁基环己烷构象,顺式,-1-,甲基,-4-,叔丁基环己烷构象,多取代基环己烷,：,在确定多取代环己烷的构象时，一般是大取代基在,e,键上，多个取代基在,e,键上的构象稳定。,化合物性质的两个方面,物理性质,物态：,气体？液体？固体？,沸点（,b.p,.,）,熔点（,m.p,.,）,密度（比重）,溶解度：,水中溶解度？有机溶剂中？,折光率,化学性质：,有机化学反应,（本课程的重点）,2.5,烷烃和环烷烃的物理性质,一,.,影响物理性质的因素,(P13),有机化合物的物理性质取决于它们的结构和分子间作用力。,分子间作用力又称为,非共价力,包括：,范德华作用力 （吸引力和斥力）等,偶极,-,偶极作用力,氢键,Hydrogen Bond,非共价力,作用于分子间和分子内,主要影响化合物的物理性质,偶极,-,偶极作用力（极性分子）,极性大的分子，偶极,-,偶极作用力大，熔、沸,点高，水溶性增强,范德华作用力（非极性分子）,极化率越大，分子的接触面积越大，范德华作用力,越大。溶沸点越高。,吸引或排斥与分子间距离有关，太近，表现为排斥,作用。,氢键：饱和性和方向性,饱和性,当,A,H,中的氢原子与一个,B,原子,结合形成氢键后，另一个电负性大,的原子,B,则难以接近氢原子了，因,为,B,、,A,的负电荷将排斥原子,B,靠,近，因此一个氢原子只能与一个杂,原子形成氢键。,分子内氢键与分子间氢键,分子间氢键使熔点、沸点升高,分子内氢键使熔点、沸点下降,分子间氢键使水溶性增加,O,O,N,H,O,O,O,HO,N,O,H,O,N,O,邻 硝基苯 酚,m.p.45,对 硝基苯 酚,m.p.114,:,天然化合物中的氢键举例,蛋白质结构中的氢键,核酸结构中的氢键,H,N,sugar,N,N,O,N H,N H,H,N,N,O,N,sug,ar,H,(Gu anini)G,.,C(C yto sin e),(GC),H,N,sugar,N,N,N,N,H,H,O,N,N,CH,3,O,sug,ar,(,Adenine)A:T(Thymine,),(A=T),若含氢键：,二,.,烷烃和环烷烃的物理性质,(,掌握变化规律,),1,物态,常温、常压,(0.1MPa,),2,沸点（,b.p,）,C,1,C,4,：气态,C,5,C,16,：液态,C,17,：固态,随分子质量的增加而增高，但高级烷烃沸点差较小，难以分离。在同,分异构体中 ，分子中支链增多 ，分子间距增大，,分子间作用力减少，沸,点降低 。,M,支链少,分子间作用力,b.p,3,熔点,(,m.p,),M,，,m.p,随分子质量的增加而增高 ，熔点高低与,分子间作用力,、分子在晶格中,的排列有关,。分子对称性高，排列比较整齐，分子间作用力大，熔点高 。,偶数碳原子的烷烃比含奇数碳原子的烷烃熔点升高值大，两者形成两,条熔点曲线 。对同分异构体，分子的对称性越高，分子排列越紧密有序，,熔点越高。,，,2-,如：,烷烃,熔点：,沸点：,正戊烷,-129.72,36.1,2-,甲基丁烷,-159.9,25,2 2-,二甲基丙烷,-17,9,结论：高度对称支链异构体,m.p,直链异构体不对称的支,链异构体 。,练习：,1.,比较下列各组化合物的沸点高低。并说明理由。,(1),正丁烷和异丁烷；,(2),正辛烷和,2,2,3,3-,四甲基丁烷；,(3),庚烷、,3-,甲基己烷和,3,3-,二甲基戊烷。,2.,比较下列各组化合物的熔点高低。并说明理由。,(1),正戊烷、异戊烷和新戊烷；,(2),正辛烷和,2,2,3,3-,四甲基丁烷；,4,相对密度：,分子量，密度，但,1,；支链，密度。,5,溶解度：,易溶于非极性的有机溶剂，不溶于极性溶剂,100g,溶解度一般标准：,(,室温下,100,g,溶剂中,),可溶解,10g,溶质：易溶,可溶解,1 g,溶质：可溶,可溶解,0.1g,溶质：难溶,2.6,烷烃和环烷烃的化学性质,分子结构决定化学性质,烷烃结构,构成烷烃的碳原子以,SP,3,杂化轨道成键，为,键。,SP,3,杂化轨道特点：（,1,）形状：一头大，一头小,（,2,）成分：每一个轨道含,1/4S,，,3/4P,成分。,（,3,）易于成键：成键时，轨道重叠程度大于单纯,S,或,P,轨道。,（,4,）键角：等性杂化，各轨道间夹角均为,10928,。,0,C,112,O,H,109 28,H,110pm,H,H,C,H,H,H,C,H,109,o,28,H,H,H,C,CH,3,H,CH,3,CH,3,H,由于碳的四面体构型，使,烷烃分子的碳链不在一条,直线上，而是曲折地排布,在空间。,C,H,烷烃的结构与性质的关系,C,C,H,电负性,2.5,2.2,sp,3,杂化,已饱和,不能加成,低极性共价键,H,不易被置换,一般情况下烷烃化学性质 不活泼、耐酸碱（常用作低极性溶,剂，,如正己烷、正戊烷、石油醚等）,烷烃可与卤素发生 自由基取代反应（烷烃的重要反应）,2.6.1,自由基取代反应,C-C,和,C-H,键，非极性键，键能大：,C-C 347.3 kJ/mol,，,C-H 414 kJ/mol,。,烷烃的取代反应,：烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团代替的反应称取代反应。烷烃分子中的氢原子被卤素原子取代的反应称为卤代反应或,卤化反应,。,通过自由基取代分子中氢原子的反应称为,自由基取代反应,+,CH,4,+,Cl,2,hv,or,C H,3,Cl,+,CH,2,Cl,2,+,CH,Cl,3,+,C,Cl,4,+,H,Cl,CH,4,（过量）,+,Cl,2,hv,or,CH,3,Cl,H,Cl,CH,4,+,Cl,2,（过量）,hv,or,C,Cl,4,+,H,Cl,反应特点,:,(1),反应需光照或加热。,(2),光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。,一,.,甲烷的卤化反应,工业上可控制不同反应条件，获得各种氯代物混合物,:,Cl,2,过量：多氯甲烷为主；,CH,4,过量：一氯甲烷为主；,反应时间短：一氯甲烷为主。,+,甲烷与其它卤素的反应,C H,4,+,X,2,h v,or,C H,3,X,C H,X,3,+,+,C H,2,X,2,+,C,X,4,+,H,X,C H,4,（过 量）,+,X,2,h v,or,C H,3,X,H,X,C H,4,+,X,2,（过量）,hv,o r,C,X,4,+,H,X,反应速率,:F,2,Cl,2,Br,2,I,2,（不反应）,F,2,：反应过分剧烈、较难控制,Cl,2,：正,常（常温下可发生反应）,Br,2,：稍慢（加热下可发生反应）,主要讨论的内容,I,2,：,不反应。即使反应,其逆反应易进行,CH,3,I,+,H,I,CH,4,+,I,2,二,.,卤代反应机理,-,-,自由基链式反应,生成自由基，可见光波足以,引发,消耗旧自由基，生成,新自由基，反复循环,吸热多，不易进行,简单规律：如果反应的机理相同（相似），可通过反应的,能量判断反应的难易,自由基反应,“,三步曲,”,：,链引发；链增长；链终止,由于自由基很活泼，当体系中存在,O,2,或其它自由基，对反应,有影响。如,：,CH,3,+O O,CH,3,O O,甲基自由基的结构,甲基,C,：,SP,3,杂化,Csp,2,甲基自由基,C,：,SP,2,杂化,H,120,0,C,H,C,H,1H/2H=0.72/4=0.28/6=3.8:1,3H/1H=0.36/1=0.64/9=5.1:1,即室温下,3H,2H,1H=5.1:3.8:1,（28%）,（72%）,（64%）,（36%）,烷烃分子中不同氢原子被氯代的速率不同,三,.,卤化反应的取向和自由基的稳定性,甲烷氯代的势能变化图可知,Ea1,的大小是决定反应的关键,.,过渡态,:,势能最高,处的原子排列，,势,能,E,a 1,Cl,H,CH,3,Cl,Cl,CH,3,E,a 2,Cl,+CH,4,Cl,H +CH,3,H,1,H,2,CH,3,Cl,+,Cl,反应进程,Ea,：活化能,H,:,反应,热,生成其它烷基中间体所需能量低，其稳定性好，即需要的活化能小，反应易进行。,生成碳自由基的稳定性与键的解离能有关：,碳自由基的能量排序为：,3,o,-R 2,o,-R 1,o,-R 2,o,-R 1,o,-R CH3,卤素卤代的反应活性,:F,2,Cl,2,Br,2,I,2,X,H,注：从反应热,四,.,卤代反应中,X,2,的相对活性解释,F,Cl,Br,I,(1),X,2,+188.3,+242.7,难,+192.5,+150.6,易,(2),+CH,4,HX +CH,3,关键步骤,-130.0,最易,+4.0,易,+71.0,+138.0,难,(3),CH,3,+X,2,CH,3,X,+,X,-297.0,-107.0,-100.0 -84.0,-427.0,-103.0,-29.0,+54.0,结 论,:,反应活性,F,Cl,Br,I,反应热来解释，放出的热越多越易进行,从,活化能来解释，活化能越小越易进行,2.6.2,氧化反应,氧化反应,：在有机物分子中引入氧原子的反应称为氧化反应。有时把有机化合物,脱去氢原子的反应也称氧化反应,。,1.,完全氧化反应,烃类燃烧放出的能量称为,燃烧焓,（燃烧热），现代的实验技术可以精确的测定燃烧焓值。,部分氧化反应,使用催化剂，控制反应条件可使烷烃部分氧化得到醇、醛、酮、酸等化合物。,合成甲醛,合成环己酮,合成醋酸,合成脂肪酸,氧化反应的产物很复杂，难分离纯化,有机化合物的爆炸极限,甲烷的爆炸极限是,5.53%,14%,，甲烷在空气 中的体积分数达到这个范围，遇明火爆炸，而在这个范围之外燃烧亦不爆炸。,大多数有机化合物都有此性质。化工厂、煤矿爆炸事故多源于此。,2.6.3,异构化反应,链烷烃在强酸催化下，从一种异构体变为另一异构体的反应称为异构反应,.,工业上应用,：,将直链烷烃转化成支链烷烃，提高油品的质量。烷烃异构化增强反应活性,.,2.6.4,裂化反应,(1),无氧条件下的热分解反应称为热裂化,为什么前一个反应条件是,700,，而后一个反应的条件是,800,？,(2),催化裂化,高碳数烷烃，如柴油、沥青、渣油、甚至原油都能进行裂解反应。,工业上应用：,制备,CH,2,=CH,2,、,CH,2,=CHCH,3,等低碳数烯烃,.,热裂解反应是自由基型反应，而催化裂解是离子型反应。,伴随着异构化、环化、芳构化、脱氢、缩合和聚合等多种反应，所得的产物十分复杂，产物的分离过程也很复杂。,环状结构有一定的几何角，如：三元环,60,0,环烷烃的,C,是,sp,3,杂化,轨道夹角,109.5,0,最稳定的成键方式是,最大重叠原则,弯曲键,弯曲键不如,键稳定,没,有实现最大重叠。,104,0,60,0,109.5,0,2.6.5,小环环烷烃的加成反应,一,.,环丙烷的结构特点,(P35,36),。,。,角张力,:,实际键角偏离正常键角而使分子产生的张力,60,109.5,随着环的扩大，张力,24,。,44,扭转张力,:,相邻,C,上的,H,原子间因距离太近而产生的斥力,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,C,C,C,109.5,。,C,105.5,。,C,C,丙,烷,环丙烷,由此可见：,(1),键的重叠程度小，稳定性,(2),电子云分布在两核连线的外侧，增加了试剂进攻的,可能性，故具有不饱和烯烃的性质。,对环烷烃稳定性的解释,拜尔张力学说,(1885,年,),以正四面体角,109.5,0,成键，是最稳定的结构。,假设成环,C,原子共平面。那么，环的几何角和,109.5,0,相差越大，则环越不稳定。,由于这种角度差而产生的复原力称作,角张力,环烷烃的结构与环的稳定性,60,0,90,0,108,0,120,0,环烷烃的稳定性：,？,除环丙烷外，其他环烷烃都不是平面结构,环丁烷是蝴蝶型结构,环戊烷为信封型和扭曲型结构,环已烷为椅式结构,.,要解释环烷烃结构的稳定性，应从 构象进行分,析，角张力只是影响因素之一。,顺反异构,由于两个成环碳原子上所连接的不同原子或基团在空间的排列（分布）不同而形成不同构型化合物的异构现象。,H,H,H,H,CH,3,H,顺式,CH,3,H,CH,3,H,反式,H,CH,3,顺反异构产生的原因：,键不能旋转,顺反异构体的特点：为不同物质，转换需断键,二,.,单环烷烃的立体异构,C,3,C,H,3,H,C,H,1,3,1,C,C,3,H,2,C,3,C,H,3,H,C,1,1,3,H,2,C,C,2,C,3,H,C,3,H,2,3,H,3,H,3,H,多取代环己烷的优势构象,顺,反,ae,aa,注：环己烷中的顺反，若相同基团都朝上或下，即,顺，若相同基团一个朝上，一个朝下，即反,ae,ee,优势构象,例,1,多元取代环己烷优势构象的书写规律,取代基尽可能在,e,键上,体积大的取代基尽可能在,e,键上,同时要满足顺反异构和位置,写出顺,-1-,甲基,-4-,异丙基环己烷的优势构象。,CH(CH,3,),2,CH,3,例,2,写出反,-1-,甲基,-2-,乙基环己烷的优势构象。,CH,3,C,2,H,5,例,3,写出下列化合物的优势构象。,CH,3,C(CH,3,),3,C,2,H,5,C(CH,3,),3,C,2,H,5,CH,3,+,三,.,环烷烃的化学性质,1.,与烷烃类似的性质,（,1,）卤代反应：,+,X,2,h,X,X,X =,Cl,、,Br,（,2,）氧化反应：,KMnO,4,不反应,所有环烷烃,可与烯烃或炔烃区别开来。,+,HNO,3,，,P,HOOCCH,2,CH,2,CH,2,CH,2,CH,2,COOH,。,+,+,2.,与烯烃类似的性质,小环烷烃的加成,（,1,）加,H,2,：,Ni,。,80 C,CH,3,CH,2,CH,3,+,H,2,Ni,120 C,Pt,。,300 C,CH,3,CH,2,CH,2,CH,3,CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,用,Ni,催化 难 以反 应,（,2,）加,X,2,：,Br,2,CCl,4,室 温,BrCH,2,CH,2,CH,2,Br,可与烷烃区别开来,Br,2,CCl,4,BrCH,2,CH,2,CH,2,CH,2,Br,+,3.,加,HX,：,Br,2,CCl,4,不反应,+,HBr,室 温,CH,3,CH,2,CH,2,Br,CH,3,CH,CH,2,CH,2,+,HBr,CH,3,CHCH,2,CH,3,Br,碳环的断裂：,发 生 在 含,H,最 多 和 含,H,最 少 的,两个碳原子之间。,加成规律：,遵循不对称加成规律。,+,练习,1,H,2,SO,4,CH,3,CH,2,CHCH,3,OSO,3,H,H,2,O,CH,3,CH,2,CHCH,3,OH,2,如何鉴别丙烷和环丙烷,丙烷,环丙烷,溴水,室温褪色,不褪色,H,烷烃的主要来源和制法,（,1,）烷烃的来源,石油和天然气,石油的主要成分是各种烃类,(,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。,（,2,）烷烃的制法,(,甲,),烯烃加氢,CH,3,CH CHCH,3,+,H,2,Ni,25 ,5MPa,H,CH,3,CHCHCH,3,(,乙,),Corey House,合成,(CH,3,),2,CuLi,+,CH,3,(CH,2,),3,CH,2,I,25,3.5h,98%,CH,3,(CH,2,),3,CH,2,CH,3,