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有机化学【烷烃】,有机化学【烷烃】有机化学【烷烃】分子中只含有碳(carbon)和氢(hydrogen)两种元素的有机化合物叫做碳氢化合物，简称烃。其它有机化合物可以看作是烃的衍生物，所以烃是有机化合物的“母体”。烃(hydrocarbon)的定义:,分子中只含有碳(carbon)和氢(hydrogen)两种元素的有机化合物叫做碳氢化合物，简称烃。其它有机化合物可以看作是烃的衍生物，所以烃是有机化合物的“母体”。,烃(hydrocarbon)的定义:,开链烃亦称脂肪烃。如果其分子中的碳原子之间都以单键（CC）相连，其余的价键都为氢原子所饱和，则称为烷烃，也称为饱和烃或石蜡烃。,烷烃的定义:,一、烷烃的通式、同系列和构造异构,名称 分子式 构造式的简写式 甲烷 CH4 CH4 乙烷 C2H6 CH3CH3 丙烷 C3H8 CH3CH2CH3 丁烷 C4H10 CH3(CH2)2CH3 戊烷 C5H12 CH3(CH2)3CH3,烷烃的分子式和构造简式：,烷烃的分子式都符合通式：CnH2n+2，两个烷烃分子式之间总是相差一个或几个CH2。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为同系物。同系列中，相邻的两个分子式的差值CH2称为系差。,烷烃的通式与同系列:,含有四个或四个以上碳原子的烷烃不止一种构造。例如：CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3 正丁烷 异丁烷（沸点：0.5）（沸点：11.7）,CH3,正丁烷和异丁烷属于同分异构体。正丁烷和异丁烷这种同分异构体，是由于分子内原子间互相连接的顺序不同造成的（即不同构造(constitution)引起的），称为构造异构体（constitutional isomers）。,构造异构、碳架异构：,构造异构：因分子中原子的连结次序不同或 者键合性质不同而引起的异构。,正丁烷和异丁烷的这种构造异构是由于碳骨架不同引起的，故又称碳架异构。烷烃的构造异构均属于碳架异构。例如，C7H16有9个构造异构体，C8H18有18个构造异构体。,问题:C6H14有多少个构造异构体？,写出其结构简式和键线式。,二、烷烃的命名,1碳原子与氢原子的类型：,连有一个碳原子的称为伯碳原子或第一碳原子（用“1”表示）；连有两个碳原子的称为仲碳原子或第二碳原子（用“2”表示）；连有三个碳原子的称为叔碳原子或第三碳原子（用“3”表示）；连有四个碳原子的称为季碳原子或第四碳原子（用“4”表示）。与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子。,伯、仲、叔碳原子的定义:,烷基常用R表示，其通式为CnH2n+1 CH3 CH3CH2 CH3CH2CH2 甲基 乙基(正)丙基 CH3CHCH3 CH3CH2CH2CH2 CH3CHCH2CH3|异丙基(正)丁基 仲丁基(CH3)2CHCH2(CH3)3C(CH3)3CCH2 异丁基 叔丁基 新戊基,2烷基的名称：,3烷烃的命名：,例：,(1)普通命名法：,（异戊烷）,（正戊烷）,（新戊烷）,普通命名法亦称习惯命名法。碳原子数在十以内，分别用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳原子的数目，十个碳原子以上则以十一、十二数目字表示。以“正”、“异”、“新”等前缀区别不同的构造异构体。“正”代表直链烷烃；“异”指仅在一末端具有(CH3)2CH构造而无其它支链的烷烃；“新”专指具有(CH3)3C构造的含五、六个碳原子的烷烃。,普通命名法基本原则:,例：,（正己烷）,（异己烷）,（新己烷）,CH3CH2CH2CH2CH2CH3,我国现在使用的有机化合物系统命名法是参考国际纯粹和应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry 简称IUPAC)制定的命名原则，并结合我国的文字特点于1960年制定，1980年由中国化学会加以增减修订的有机化学命名原则。,(2)系统命名法：,2 1 CH2CH3|CH3CHCH2CHCH2CH3 3-甲基-5-乙基辛烷 3 4 5|CH2CH2CH3 6 7 8,例：,系统命名法命名直链烷烃时，与习惯命名法基本相同，但无须“正”字。,例：,戊烷系统命名,正戊烷习惯命名,（A）从烷烃的构造式中选取最长的连 续碳链作为主链，支链作为取代基。当含有不止一个相等的最长碳链可供选择时，一般选取包含支链最多的最长碳链作为主链。根据主链所含碳原子数称为“某”烷。,系统命名的基本原则：（支链烷烃）,正确的选择是2，不是1。,例：,问：下列化合物应选择哪条主链？,2,3,5-三甲基-4-丙基辛烷,（B）将主链上的碳原子从靠近支链的一端开始依次用阿拉伯数字编号；当主链编号的有几种可能时，应选定支链具有“最低系列”的编号。“最低系列”是指碳链以不同方向编号时，若有不止一种可能的系列，则需顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者定为最低系列。,例：,2，3，7，7，8，10-六甲基十一烷（而不是 2，4，5，5，9，10-六甲基十一烷）,（C）将取代基的名称写在主链名称之前，取代基的位次用主链上碳原子的编号表示，写在取代基名称之前，两者之间用半字线“-”相连。当含有几个不同的取代基时，取代基排列的顺序，按“次序规则”所规定的“较优”基团后列出（简单的基团在前，复杂的基团在后）。当含有几个相同的取代基时，相同基团合并，用二、三、四表示其数目，并逐个标明其所在位次，位次号之间用逗号“，”分开。,如果含有几个不同取代基时，取代基排列的顺序，是将“次序规则”所规定的“较优”基团列在后面。,几种烃基的优先次序为:(CH3)3C(CH3)2CH CH3CH2CH2 CH3CH2 CH3,2-甲基-4-乙基己烷,例：,6-丙基-4-异丙基癸烷,命名练习:,英文命名简介:,正丁基 异丁基 仲丁基 叔丁基,methyl(Me)ethyl(Et)propyl(Pr)butyl(Bu),甲烷乙烷丙烷丁烷,methaneethanepropanebutane,甲基乙基丙基丁基,正丁烷 n-propane,异丁烷 i-propane,n-butyl i-butylsec-butyltert-butyl,三、烷烃的结构,甲烷的四面体结构,碳原子轨道的sp3杂化,109.5,键的定义,（1）电子云可以达到最大程度的重叠，所以比较牢固。（2）键旋转时不会破坏电子云的重叠，所以键可以自由旋转。,在化学中，将两个轨道沿着轨道对称轴方向重叠形成的键叫键。,键的特点,烷烃分子中的碳都是sp3杂化。烷烃中的碳氢键和碳碳键都是键。,甲烷分子中的四个CH键,四个碳氢键键长均为0.110nm所有HCH的键角都是109.5CH键的键能为414.2KJmol1,-bond,轨道对称轴,甲烷的球棒模型(a)和比例模型(b),CC键长为0.154nm CH键长为0.110nm 键角也接近109.5 键能为347.3KJmol1,乙烷分子中CC键（CH键用直线表示）,乙烷的球棒模型(a)和比例模型(b),(a),(b),碳的价键分布呈四面体型，而且碳碳单键可以自由旋转，所以三个碳以上烷烃分子中的碳链不是像构造式那样表示的直线型，而是以如下锯齿形或其它可能的形式存在。,四、烷烃的构象,构象(conformation)定义:,一个已知构型的分子，仅由于单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定排列形式称为构象。,单键旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体(conformational isomers)。,构象异构体:,1乙烷的构象,重叠式构象 交叉式构象 重叠式构象 交叉式构象（最不稳定的（最稳定的 乙烷构象）乙烷构象）用透视式表示乙烷的构象 乙烷分子的纽曼投影式,锯架式,Newman,极限构象,乙烷交叉式构象与重叠式构象的能量分析,C-H 键长C-C 键长 键 角 两面角两氢相距,0.110 nm0.154 nm109.5o60o0.250 nm,0.110 nm0.154 nm109.5o 0o0.229 nm,每个C-H、C-H重叠的能量约为4 KJ mol-1,H,H,H,H,0.250 nm 0.240 nm 0.229 nm,E重叠 E交叉 E=12.6KJmol-1,当二个氢原子的间距少于0.240 nm（即二个氢原子的半径和）时，氢原子之间会产生排斥力，从而使分子内能增高，所以重叠式比交叉式内能高。,两氢离距相比:,能量差别:,乙烷不同构象的能量变化曲线,优势构象（能量最低的稳定构象称为优势构象）,(1)在常温下能否将重叠式与交叉式构象分离?为什么？(2)试画出丙烷的极限构象。,问题：,2丁烷的构象,对位交叉式 部分重叠式 邻位交叉式 全重叠式（优势构象）,试分析丁烷不同构象的稳定性。,五、烷烃的物理性质,物 理 性 质,外观：状态，颜色，气味物理常数：沸点（b.p.)熔点（m.p.)折光率(n)旋光度 密度（D）溶解度 光谱特征,t,化合物的状态、沸点、熔点、密度、溶解度等物理性质取决于物质的结构及其分子间的作用力。有机化合物分子间作用力主要有：偶极-偶极相互作用（极性分子）;色散力(范德华作用力)：瞬间偶极-电子运动造成正负电荷中心暂时不重合。色散力具有加和性，分子越大(极化率越大，分子的接触面积越大)，作用越强。,色散力示意图:,烷烃属于非极性分子，分子间只有微弱的色散力，在室温（25）和0.1MPa下，,烷烃的状态,C1C4的烷烃为气态（gas）；C5C16的烷烃为液态（liquid）；C17以上的烷烃为固态（solid）。,1、随着碳原子数的递增，沸点依次升高。,1沸点（boiling point）,2、碳原子数相同时，支链越多，沸点越低。,沸点大小取决于分子间的作用力,（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。（3）相对分子质量相同、支链多、沸点低。,烷烃沸点的特点,（支链多，分子不易接近）,（运动能量增大，范德华引力增大）,正戊烷、异戊烷、新戊烷中，沸点最高的是（）；最低的是（）。为什么？,问题：,2熔点（melting point）,熔点高低不但取决于分子间作用力的大小而且与分子在晶格中排列的紧密程度有关，排列紧密程度越紧密（晶格能越高）则熔点越高。,（1）随相对分子质量增大而增大。（2）偶数碳烷烃比奇数碳烷烃的熔点升高值大。（3）相对分子质量相同的烷烃，支链增多，熔点下降。,熔点取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度,烷烃熔点的特点,问题：正戊烷、异戊烷、新戊烷中，熔点最高的是（）；最低的是（）。为什么？,对称性好的分子晶格排列更加紧密，晶格能相对较高，则熔点较高。,3相对密度,烷烃比水轻，其相对密度都小于1。相对密度变化的规律也是随着相对分子质量的增加逐渐增大。,4溶解度,根据“相似相溶”原则，烷烃在水中的溶解度很小，几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂，如四氯化碳、乙醚等。,六、烷烃的化学性质,由于烷烃分子中的键键能大，极性小，化学性质稳定。,一般在常温下烷烃与强酸、强碱、氧化剂、还原剂都不反应。,但烷烃的化学稳定性是相对的。,1氧化反应：,CH42O2 CO22H2O H881 kJmol12CH3CH37O2 4CO26H2O H1538 kJmol1,(1)燃烧：,化合物的燃烧热（Hc）：一个化合物在标准状态下完全燃烧生成二氧化碳和水的过程所放出的热量,HC,烷烃在空气中完全燃烧生成二氧化碳和水，反应式如下：,Hc=H生成物-H反应物,(2)氧化剂氧化：,RCH2CH2R+O2 RCOOH+RCOOH(2040个C),催化剂,制备高级脂肪酸,2裂化反应：,(1)热裂化：,(自由基反应),例:,(2)催化裂化：,例:,3取代反应：,一氯甲烷能进一步发生取代反应生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。,取代反应,1.该反应只适宜工业生产而不适宜实验室制备。2.该反应可以用来制备一氯甲烷或四氯化碳，不适宜制备二氯甲烷和三氯甲烷。,甲烷氯化反应的适用范围,烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应，称为取代反应。被卤素取代的反应称为卤代反应，也称为卤化反应。,卤代反应：,在烷烃的卤代反应中,卤素的反应活泼性为:F2 C l 2 Br 2 I 2，但有实用价值的是氯代和溴代。,X+CH3-H,CH3+H-X,FClBrI,439.3,568.2431.8366.1298.3,-128.9+7.5+73.2+141,H(KJ/mol),Ea(KJ/mol),+4.2+16.7+75.3+141,总反应热(KJ/moL)：F(-426.8)Cl(-104.6)Br(-30.96)I(53.97),(1)氟化反应难以控制。(2)碘化反应一般不用。碘自由基是不活泼的自由基。(3)氯化和溴化反应常用，氯化比溴化反应快5万倍。,甲烷卤化反应的比较,28%72%,43%57%,氯代：,/h,试计算不同类型氢原子氯化反应的活泼性,问题:,溴代：,烷烃溴化反应比氯化反应具有更高的选择性,烷烃中氢原子发生卤代反应的反应活泼性次序是：,结论：,叔氢仲氢伯氢。,烷烃分子中伯、仲、叔氢原子活泼性的不同，可用C-H键离解能的不同来解释。,键离解能/kJmol1伯氢 CH3CH2CH2H 410 仲氢(CH3)2CHH 395 叔氢(CH3)3CH 380 碳-叔氢键的离解能最小，说明这个键最易断裂，所以叔氢原子的活泼性最高。,七、卤代反应历程,反应历程是化学反应所经历的途径或过程，亦称反应机理。有机化合物的反应比较复杂，只有了解了反应机理，才能认清反应的本质，掌握反应的规律，从而达到控制和利用反应的目的。反应机理是根据大量的实验事实作出的理论推导，是一种假说，有些是肯定的、可靠的，有些则尚欠成熟、尚未获得充分论据、尚需根据新的实验结果改进和补充，而且并不是所有反应现在都能提出明确的反应机理。,反应历程（反应机理）：,自由基取代反应历程,例如甲烷的氯代：,烷烃的卤代反应历程,链引发：,自由基,链增长：,甲基自由基,链终止：,上述反应的开始，是在一定能源的引发下首先产生自由基，而反应一经引发出自由基，很快就可以连续不断地进行下去，这样的反应一般称为连锁反应或链反应。一般来讲，链反应分为链引发、链增长和链终止三个阶段。因为这是由自由基参加而进行的链反应，所以又叫做自由基反应，或称自由基链反应。,自由基(free radical):,一级碳自由基,定义：带有孤电子的原子或原子团称为自由基。碳自由基：含有孤电子碳的体系称为碳自由基。,三级碳自由基,二级碳自由基,自由基为平面结构,碳是sp2杂化,自由基的最外层为七个电子，反应时总要寻找另外的电子来达到八隅体结构，所以它非常活泼。,自由基的产生,热均裂产生,辐射均裂产生,光,CH3CH2CH2CH3,高温,+,由化学键均裂引起的反应均称为自由基反应,热裂化,自由基的稳定性,H=359.8kJ/mol(88kcal/mol),苯甲基自由基 烯丙基自由基 叔丁基自由基 异丙基自由基,乙基自由基 甲基自由基 苯基自由基,共价键的键解离能越小，形成的自由基越稳定。,均裂,八、甲烷氯化反应过程中的能量变化,过渡态理论,过渡态的特点:（1）能量高。（2）极不稳定，不能分离得到。（3）旧键未完全断开，新键未完全形成。,任何一个化学反应都要经过一个过渡态才能完成。,=,反应坐标,势能,反应势能图,反应势能曲线：图中表示势能高低的曲线。反应坐标：由反应物到生成物所经过的能量要求最低的途径。过渡态：在反应物互相接近的反应进程中，与势能最高点相对应的结构称为过渡态。活化能：由反应物转变为过渡态所需要的能量。中间体：两个过渡态之间的产物称为中间体。（中间体能分离得到。过渡态不可分离得到。）,反应坐标,势能,甲烷氯化反应的能量变化,链增长:,H=7.5KJ/mol Ea=16.7 KJ/mol,H=-112.9 KJ/mol Ea=8.3 KJ/mol,反应 1 吸热，反应 2 放热，总反应放热，所以反应只需开始时供热。,1.,2.,这里两个过渡态都与反应的活泼中间体(自由基)结构相近，能量相近，所以过渡态的稳定性顺序与自由基稳定性顺序一致。,过渡态理论(Hammond G S 假说)论为:,在基元反应中，该步过渡态的结构、能量与更接近的那边的类似。(即：放热的基元反应，过渡态的结构和能量与反应物接近，而在吸热反应中，过渡态的结构和能量与产物接近。),为什么3oH最易被取代，2oH次之，1oH最难被取代？,问题:,为什么甲烷的溴代比氯代难以进行？,九、烷烃的来源与用途,简述:(1)烷烃的来源(2)石油主要馏分与用途,谢谢观赏,