有机化学第四版(胡宏纹)第二章烷烃.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,*,1-4,个碳的,烷烃,是气体，,5-16,个碳是液体，,17,个碳以上的,烷烃,是,固体,一,烷烃的同系列,系列差：,CH,2,称为同系列的系列差，也称系差。,烷烃的通式,C,n,H,2n+2,同系物：同系列中的各个化合物互称同系物。,CH,4,C,2,H,6,C,3,H,8,C,4,H,10,C,5,H,12,同系列：具有一个通式，结构相似，性质相似的化合物系列。,2.1,烷烃的同系列和异构,2.1.1,烷烃同系列,饱和烷烃的分子式都符合通式,C,n,H,2n+2,，称为,烷烃同系列,饱和链烷烃的通式为：,C,n,H,2n+2,。,给你一个分子式，你就可以通过通式来判别是不是饱和链烷烃。,2.1.2,烷烃的异构,同分异构现象,：,具有分子式相同而结构不同的现象。,同分异构体：,分子式相同而结构不同的化合物则称为同分异构体。,分子中各原子的连接方式和顺序称为,构造。,由于分子中各原子的连接方式和顺序不同产生的异构称为,构造异构,(constitutional isomerism),。,如何推同分异构体是本章重点，下面以,6,个,C,为例推导,C,6,H,14,分子式的同分异构体，共,5,种。,很明显，,同分异构,（构造异构）现象是由于分子中碳原子的排列方式不同产生的，这种结构上的差别，在物理性质上必然导致有所不同，如：沸点、密度等等，但化学性质相似。,烷烃分子中，随碳原子数目的增加，构造异构体的数目也越多。,碳原子数,4,5,6,7,8,9,10,异构体数,2,3,5,9,18,35,75,构造,(,Constitution,),：,分子中原子互相联结的方式和次序。,构造式的书写方法,构造简式,构造式,键线式,碳原子的级,在,烷烃的分子中，各异构体中碳原子连接,情况不同。如：,与,一个碳原子相连的碳称为,伯,碳原子，以 表示；,。,1,我们把：,与,两个碳原子相连的碳称为,仲,碳原子，以 表示；,。,2,。,4,。,3,与,三个碳原子相连的碳称为,叔,碳原子，以 表示；,与,四个碳原子相连的碳称为,季,碳原子，以 表示；,(primary),(secondary),(primary),(quaternary),碳、氢原子的分类,和伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称为伯、仲、叔氢原子；,伯、仲、叔、季碳原子；,1,2,3,4,不同类型的氢原子反应性能是有一定差别的。,2.1.3,烷烃的结构,楔形透视式,分子模型,0.109nm,10928,Kekul,模型,Stuart,模型,每个,sp,3,杂化,轨道相当于,1/4S,成份和,3/4,P,成份。其空间,取向是指向正四面体的顶点，对称轴之间互成 。,每个,sp,3,杂化,轨道在对称轴的一个方向上，这样，可以,更有效地与其它原子轨道重叠，对于成键有利。,每一个,sp,3,轨道都含有,1/4,的,s,成份和,3/4,的,p,成份。,碳原子的四个,sp,3,杂化轨道的空间取向是指向正四面体的四个顶点，每个轨道对称轴之间的夹角为,10928,。,4,个,CH,键,全部为,sp,3,1s,键,甲烷分子的形成,轨道杂化的结果：,轨道杂化比,s,轨道或,p,轨道有更强的方向性，更有利于成键；,4,个,sp,3,轨道与完全等价的,；,正四面体的排列方式，使,4,个键尽可能远离，成键电子对的互斥最小，分子最稳定。,其他烷烃的构型,在气态和液态时，由于,键自由旋转而形成多种曲折形式；在结晶状态时，烷烃的碳链排列整齐，且呈锯齿状。,碳原子都是,sp,3,杂化，碳氢键和碳碳键都是,键。,CC：sp,3,sp,3,键,，CH：sp,3,1s,键。,2.2,烷烃的命名,一、,普通命名法,根据烷烃中碳原子的数目,把烷烃称为,“,某,”,烷。,碳原子数由一到十依次用天干：甲、乙、丙、,丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，如：,CH,3,(CH,2,),3,CH,3,戊烷；,CH,3,(CH,2,),6,CH,3,辛烷,十一个碳原子以上用汉字数字表示,如,:CH,3,(CH,2,),9,CH,3,十一烷,;,CH,3,(CH,2,),14,CH,3,十六烷,直链烷烃叫,“,正,”,某烷,碳链末端带有两个甲基的叫,“,异,”,某烷,碳链末端带有三个甲基的叫,“,新,”,某烷,例如,:,正戊烷,(n-pentane),异戊烷,(,isopentane,),新,戊烷,(,neopentane,),为,区分同分异构体，常用词头来表示，如：,直链烷烃以,“,”,表示；,异,“,某,”,烷以,“,iso,”,表示；,新,“,某,”,烷以,“,neo,”,表示；,n,-,在英文名称中，,iso,和,neo,是,名称中的一部分，,所以后面不必用短线。普通命名法只适用于简单化合物的命名。,构造式,中文名,英文名,CH,4,甲烷,methane,CH,3,CH,3,乙烷,ethane,CH,3,(CH,2,),CH,3,丙烷,propane,CH,3,(CH,2,),2,CH,3,正丁烷,n-butane,CH,3,(CH,2,),3,CH,3,正戊烷,n-pentane,CH,3,(CH,2,),4,CH,3,正己烷,n-hexane,CH,3,(CH,2,),5,CH,3,正庚烷,n-heptane,CH,3,(CH,2,),6,CH,3,正辛烷,n-octane,CH,3,(CH,2,),7,CH,3,正壬烷,n-nonane,CH,3,(CH,2,),8,CH,3,正,癸,烷,n-decane,CH,3,(CH,2,),9,CH,3,正十一烷,n-undecane,CH,3,(CH,2,),10,CH,3,正十二烷,n-dodecane,CH,3,(CH,2,),11,CH,3,正十三烷,n-tridecane,CH,3,(CH,2,),18,CH,3,正二十烷,n-eicosane,烷烃分子中去掉一个氢原子剩下的原子团称为烷基。,烷基的命名,烷基的英文名是将烷烃的词尾,-,ane,改为,-,yl,。,甲基,(,Me,),meth,yl,乙基,(,Et,),eth,yl,丙基,(,Pr,),prop,yl,丁基,(,Bu,),but,yl,异丙基,(,i,-Pr,),isopropyl,异丁基,(,i,-Bu,),isobutyl,仲丁基,(,s,-Bu,),sec-butyl,叔丁基,(,t,-Bu,),tert,-butyl,两价的烷基称为亚基。,亚甲基,meth,ylidene,亚乙基,eth,ylidene,1,2-,亚乙基,dimeth,ylene,1,3-,亚丙基,trimeth,ylene,亚异丙基,isoprop,ylidene,三价的烷基叫次基，命名中使用的次基限于三个价在同一个碳原子上的结构。,次甲基,meth,ylidyne,次乙基,eth,ylidyne,英文词尾是,-,ylidyne,。,Methyl,(Me),Ethyl,(Et),Propyl,(Pr),Isopropyl,(,i,-Pr),甲基 乙基丙基,异丙基,丁基 仲丁基 异丁基 叔丁基,Isobutyl,(,i,-Bu),sec,-Butyl,(,s,-butyl,s-Bu,),tert,-Butyl,(,t,-butyl,t,-Bu,),Butyl,(Bu),第一步选择主链：,选择最长的连续碳链作为母体结构,，称为某烷,支链作为取代基（即烷基）；如果构造式中较长碳链不止一条时，则,选择带有最多取代基的一条为主链,命名时将烷基写在母体名称的前面，称为某基某烷。,2,，,3-,二甲基戊烷,2,3,5,-,三甲基,-,4,-,丙基庚烷,2,3,5-trimethyl-4-propylheptane,第二步给定编号：,如果烷基在母体碳链上可因位置不同而引起异构现象时，就必须对母体碳链进行编号，并用数字指明烷基所连的碳原子。编号时，以离取代基最近的一端为,1,。,3+5=8 4+6=10,编 号,:,第一行 取代基编号为,2,4,5;,第二行 取代基编号为,2,3,5,；,根据最低系列原则,用第二行编号。,中文名称：,2,3,5-,三甲基己烷,英文名称：,2,3,5-trimethylhexane,2,2,7,7,8,2,3,3,8,8,2,2,7,7,8-pentamethylnonane,-,五甲基壬烷,第三步正确书写,：,如果有几个相同的支链,(,或取代基,),，则在支链,(,取代基,),前加上二、三、四,中文数字，表明支链（取代基）的数目；但其位次必须逐个写出，并且在表示位次的数字之间用逗号,“,”,隔开。,(,注意：不用,圆点,),如果有几种不同的烷基连接在母体链上，按次序规则从小到大的先后次序来命名,。,2,，,4-,二甲基,-3-,乙基戊烷,1.,选主链,(,母体,)2.,编号,3.,书写,3,甲基,5,乙基辛烷（英文：,5-Ethyl-3-Methyl-Octane,）,取代基名 称,位次和基之间用短线连接,母体名称,表示取代基的位次,如果有几个不同的支链（或取代基），其列出,顺序按,“,顺序规则,”,规定，顺序小的支链（或,原子、基团）列在前，顺序大的在后。几种常,见烷基由小到大的排列顺序为：,甲基,乙基,丙基,丁基,戊基,异戊基,异丁基,新戊基,异丙基,仲丁基,叔丁基。,3,甲基,5,乙基辛烷（英文：,5-Ethyl-3-Methyl-Octane,）,取代基的数目用汉字数字表示；,2,2,3,-,三,甲基戊烷,2,2,3-,tri,methylpentane,在英文名称中则用,di,、,tri,、,tetra,、,penta,等表示。,3,-,甲基,-,5,-,乙基庚烷,取代基不同时，要把小的写在前面；,5-ethyl-3-methylheptane,在英文名称中则按取代基的第一个字母顺序写出。,基团的,“,大小,”,，应按次序规则确定：,取代基游离价所在的原子，原子序数大的优先；,原子序数相同时，则按同位素的质量数。,游离价所在的原子相同时，则依次比较和该原子相连的第二个原子；,第二个原子相同时，再比较第三个，依此类推。,4,-,丙基,-,5,-,异丙基辛烷,4-propyl-5-isopropyloctane,异丙基的次序优先,(“,大”,),，命名时列在后面。,记忆口诀为：选主链，称某烷。编碳位，定支链。,取代基：写在前，注位置，短线连。,不同基：简到繁，相同基，合并算。,2.3,烷烃的构象,构象,分子中的原子（或基团）由于围绕单键的,旋转时,在空间,所形成的任何可能的,不同排,列形式，称为,构象,(conformation),。,构象异构体,单键旋转时会产生无数个构象，这些,构象互为,构象异构体,（或称旋转异构,体）。,构象分析,通过研究分子的构象，分析化合物的物,理和化学性质，称为,构象分析,。,头碰头重叠形成,C,C,键,键,:,旋转不影响轨道重叠程度,即,键可沿键轴“自由”转动,;,重叠程度大,稳定性高,;,键的极化度小,.,乙烷,(CH,3,CH,3,),在乙烷分子中，以,C-C,键为轴旋转，使碳原子上的氢原子在空间的相对位置随之发生变化，可形成无数种构象异构体，其中有两种属极限构象：,交叉型构象,（,staggered,）,一个碳原子上的氢,原子处于另一个碳原子上两个氢原子之间的,中线上。,重叠型构象,（,eclipsed,）,两碳原子上的氢原,子处于对映位置上，,介乎于上述两种极限构象之间的无数构象，,我们称为扭曲型构象（,skewed,）。,锯架透视式,纽曼投影式,交叉式,(,ap,),重叠式,(,sp,),乙烷的构象的稳定性：交叉式,重叠式,楔形透视式,0.229nm,0.25nm,重叠式,交叉式,纽曼式,(Newman),锯架式,飞楔式,(,伞形式,),伞式（,飞楔式）,、锯架式与纽曼式的画法也适合,于其它有机化合物。,乙烷交叉式构象与重,叠,式构象的表示方法,丁烷的构象,全重叠式,(sp),对位交叉式,(,ap,),邻位交叉式,(sc),部分重叠式,(ac),(ac),(sc),分子总是倾向于以稳定的构象形式存在。,15,70,15,2.4,烷烃的物理性质,外 观：状态 颜色 气味,物理常数：沸点（,bp,),熔点（,mp),折光率（,n),旋光度,密度（,D),溶解度,偶极矩（,）,光谱特征,一、分子间作用力,取向力（偶极,-,偶极作用）,极性分子间的相互作用力。,-,+,+,-,-,+,+,-,一分子偶极正端对另一分子偶极负端的相互吸引作用。,诱导力（诱导偶极）,非极性分子间瞬时偶极之间的相互作用。,色散力,极性分子与非极性分子间的作用。,氢键,分子间力的大小顺序：,氢键,取向力,色散力,一、物质状态,常温、常压下，,C,1,4,气体，,C,5,16,液体，汽油,C,7,-C,9,煤油,C,11,-C,17,柴油,C,15,-C,17,C,17,固体 凡士林，沥青，石蜡,沸点,bp,.,烷烃的沸点随分子量的增加而逐渐升高；,CH,3,(CH,2,),3,CH,3,bp,./,36.1,68.9,98.4,CH,3,(CH,2,),4,CH,3,CH,3,(CH,2,),5,CH,3,分子间接触面积大,作用力强,分子间接触面积小,作用力弱,bp：36,bp：9.5,烷烃沸点的特点,（,1,）沸点一般很低（非极性，只有色散力）。,（,2,）随相对分子质量增大而增大（运动能量增大，范德华引力增大）。,（,3,）相对分子质量相同、叉链多、沸点低。（叉链多，分子不易接近）,熔点,mp.,直链烷烃的熔点随分子量的增加而升高，其中含偶数个碳原子的升高得多些。,原因：在晶体中，分子之间的作用力不仅取决于分子的大小，而且和分子的对称性有关。,mp./,-,129.7,-,159.9,-,16.6,分子量相同的烷烃异构体中，对称性大的熔点高些,。,三 密度,烷烃的密度均小于,1,（,0.424-0.780),四 溶解度,直链烷烃的密度随着分子量的增加而逐渐增大，但比水轻。,烷烃不溶于水和其它极性较强的溶剂。,烷烃溶于苯、乙醚和氯仿等非极性溶剂。,2.5,烷烃的反应,烷烃的稳定性,在常温下，强酸,、,强碱,、,强氧化剂,、,强还原剂等都不能和烷烃起反应，或反应,速度很慢。,原因：,烷烃是饱和烃，,CC,键和,CH,键都是比较牢固的共价键,(,键,),，键能较大；,分子无极性,(,0),，,碳和氢的电负性差别小,(,C,：,2.5,，,H,：,2.2,),，,分子中的共,价键不易极化；,分子中无官能团。,氧化反应,燃烧,(,完全氧化,),H,是反应中的焓,(,一种热力学函数,),的变化，可以表示反应热；,H,为正时反应是吸热的，为负时反应是放热的。,部分氧化,(,控制氧化,),热裂化,裂化反应,温度越高，烷烃的裂化越彻底。,催化裂化,在,450500,常压下进行，应用最广泛的催化剂为硅酸铝，目的是使石油工业的重馏份转变为轻馏份，提高汽油的产量和质量。,2.6,烷烃的卤化,甲烷的氯代,甲烷的氯代反应很难停留在一氯甲烷阶段,。,氯甲烷,二氯甲烷,三氯甲烷,四氯化碳,反应历程，也称反应机理，是原料通过化学反应变成产物的全过程。,分子的碰撞和作用是在,10,-12,10,-14,秒内完成的。,反应历程研究的作用：,根据反应历程，可以选择最适当的反应条件，以得到较高的产率。,通过对有机反应历程的研究，也可以找出在表面上看似没有关系的反应之间的内在联系。,甲烷的氯代反应历程,链引发,链传递,甲烷氯化反应的机理,链终止,在链传递的步骤中，氢还可以进一步被取代。,动画,一步反应：,过渡状态和活化能,a,b,c,位能,反应进程,a,b,c,Ea,H,放热反应,位能,反应进程,a,b,c,Ea,H,吸热反应,活化能,Ea,：,过渡状态和反应物的能量差。,反应热,H,：,生成物和反应物的能量差。,吸热反应,H 0,，,放热反应,H 2H 1H,。,43%,57%,2-,甲基,-1-,氯丙烷,2-,甲基,-2-,氯丙烷,1,H,与,3,H,的活性比：,64%,36%,由此得出,氯代反应时：,3,H:2,H:1,H=5:4:1,利用氯代反应时,H,的活性比率，可以预测烷烃在氯代时产物中各异构体的得率。,1-,氯丁烷,(,A,),2-,氯丁烷,(,B,),溴代反应中,氢的活性,差别较大,：,烷烃的碘代反应为可逆的，因此碘代烷能被,HI,还原。,溴对各种氢的选择性较好，特别是三级氢。,99%,3,H:2,H:1,H=1600:82:1,卤素的相对活性：,F,2,Cl,2,Br,2,I,2,这可以从反应过程的能量变化来理解。,卤素的相对活性,CH,3,F,CH,3,Cl,CH,3,Br,CH,3,I,键能,/,kJ,mol,-1,：,447.7,351.4,292.9,234.3,由此求出甲烷卤代反应的能量变化,。,435.1,242.5,351.4,431.0,断裂键吸收的能量：,435.1+242.5=677.6 kJ,mol,-1,键能,/,kJ,mol,-1,：,形成键放出的能量：,-,(351.4+431.0)=,-,782.4kJ,mol,-1,反应热：,H=677.6,-,782.4=,-,104.8kJ,mol,-1,同样计算出其他卤素对甲烷卤代的反应热。,用反应热来衡量反应进行的难易、快慢，但有许多例外。,碳氢键解离能越小，反应活性就越大。,烷烃的相对活性,H=410 kJ,mol,-1,H=397.5 kJ,mol,-1,H=380.7 kJ,mol,-1,烷烃的相对活性为：,3,H 2,H 1,H,碳氢键的解离能越小，则生成的自由基越稳定。,烷基自由基的稳定性顺序：,自由基,CH,3,CH,3,CH,2,(CH,3,),2,CH,(CH,3,),3,C,H,/,kJ,mol,-1,435.1,410,397.5,380.7,自由基的,稳定性,叔烷基,仲烷基,伯烷基,甲基,自由基的结构,CH,3,.,和,平面结构的伯烷基自由基接近,sp,2,杂化，其他自由基多为,sp,3,杂化。,自由基产生：可由热或光引发，也可用自由基引发剂引发。,烷烃的来源,烷烃的制法,Wurtz,合成,