《烷烃与环烷烃》PPT课件.ppt

1,第二章 烷烃和环烷烃,五、烷烃的化学性质,第一节 烷 烃,一、烷烃的结构,二、异构和命名,三、构象异构,四、烷烃的物理性质,一、脂环烃分类和命名,第二节 环烷烃,二、结构和稳定性,四、环己烷的构象异构,三、环烷烃的性质,2,烃：只由碳和氢两种元素组成的化合物(hydrocarbons).,第二章 烷烃和环烷烃,3,天然气 甲烷（主要）、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷 石 油 各种烃的混合物：汽油 C5-11，煤油C11-15柴油C15-18,润滑油C16-20 石蜡C18-30,沥青C30-40,烃的主要来源,第二章 烷烃和环烷烃,煤 芳香烃等,4,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),基态：,第一节 烷 烃,一、烷烃的结构,(一)sp3杂化,由于2s轨道的能量与 2p 较接近,2s 上的1个电子可以激发到 2pz 空轨道上,5,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),sp3杂化,1s22(sp3)12(sp3)12(sp3)12(sp3)1 杂化轨道电子排布,四面体结构,轨道间夹角为 109.5o.,碳原子并不直接以激发态的原子轨道参与形成共价键,而是先杂化，再成键。形成烷烃时，采取 sp3 杂化。,6,头碰头重叠形成CH键,动画模拟:sp3 杂化与甲烷的结构,109.5o,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),7,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),头碰头重叠形成 CC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(CH3CH3),8,(二)碳原子的类型,伯碳(1)：只与1个其他碳原子直接相连,一级碳原子,1,1,1,1,1,2,2,3,4,仲碳(2)：只与2个其他碳原子直接相连,二级碳原子,叔碳(3)：与3个其他碳原子直接相连,三级碳原子,季碳(4)：与4个其他碳原子直接相连,四级碳原子,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),9,伯氢(1H)：伯碳上的H仲氢(2H)：仲碳上的H叔氢(3H)：叔碳上的H,不同类型的氢反应活性不一样,1,1,1,1,1,2,2,3,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(一、结构),10,二、烷烃的构造异构和命名,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),构 造：分子中原子间相互连列的次序和方式。,构造异构（同分异构）：分子式相同，分子中原子间相互连接的次序和方式不同而形成不同化合物的现象。,碳链异构是构造异构的一种。如戊烷有3种碳链异构体：,正戊烷 异戊烷 新戊烷,11,(一)普通命名法(习惯命名法)，适用于简单的链烃。,1.按分子中碳原子总数叫“某烷”。10C 用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 表示，10C 用十一、十二 等中文数字表示。,戊烷,戊烷,戊烷,正,异,新,2.用“正”、“异”、“新”等字区别同分异构体。“n-”“iso-”“neo-”,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),12,烃分子中去掉一个氢原子后剩下的原子团叫做烃基。脂肪烃基：脂肪烃去掉1个H所剩下的部分。“R-”烷基：烷烃分子中去掉一个氢原子后剩下的部分。,烃基及其命名,烃基的名称由相应的烃名确定。当烃分子中含有不同类型的氢时,会出现不同的烃基。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),13,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),第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),14,新戊基Neopentyl,叔戊基tert-Pentyl,t-Pentyl,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),15,（二）系统命名法,直连烷烃的系统命名法与普通命名法相同，只是省去“正”字：,普通命名：正丁烷 正庚烷,系统命名：丁烷 庚烷,支链烷烃可看作是直连烷烃的烷基取代衍生物。系统命名时,主要是确定主链及取代基的位次、数目和名称。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),16,烷烃系统命名法的要点,分为三步：一选 二编 三取代基。1.选主链（母体）：碳链最长，取代最多2.编号：位次最低(最低系列原则)3.取代基：先小后大(优基置后),第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),17,辛烷,3-甲基-5-乙基,2,5-二甲基-3,4-二乙基己烷,2,5-二甲基-3-异丙基己烷2,5-二甲基-4-异丙基己烷,2,5-2甲基 3,4-2乙基己烷,2,5-甲基-3,4二乙基己烷,18,辛烷,3-甲基-3-乙基-5-丙基-4-异丙基,主要烷基的优先顺序：异丙基丙基乙基甲基,3-ethyl-4-isopropyl-3-methyl-5-propyloctane,在英文命名中，取代基按词首的字母排列顺序先后列出,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(二、异构，命名),19,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),三、烷烃的构象异构(conformational isomerism),1.乙烷的构象,因单键旋转而使分子中原子或基团在空间产生不同的排列形象称为构象。每一种空间排列形象就是一种构象,因构象不同而产生的异构现象称构象异构。,20,乙烷的两种典型构象,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),21,构象的表示方法：锯架式和纽曼投影式,交叉式,重叠式,锯架式,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),22,交叉式(Staggered),重叠式(Eclipsed),Newman投影式,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),23,构象的能量分析：非键合的两原子或基团接近到相当于范德华半径之和时,二者间以弱的引力相互作用,体系能量较低；如果接近到这一距离以内,斥力就会急剧增大,体系能量升高。,一些原子或基团的范德华半径(pm)H C N O Cl CH3 120 150 150 140 180 200,乙烷的重叠式内能最高，最不稳定，而交叉式内能最低，最为稳定。这种构象称为优势构象。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),24,动画模拟：乙烷的构象异构及能量变化,12.6kJ/mol,乙烷其它构象的内能介于交叉式与重叠式之间。随着乙烷分子中两个碳原子绕单键的相对旋转，能量不断变化。,乙烷分子是处于交叉、重叠以及介于两者之间的无数构象的动态平衡混合体系,但各种构象体存在的比率不同。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),25,正丁烷各种构象的能差不大,室温下可迅速转化,正丁烷实际上是各种构象异构体的混合物,但对位交叉式为优势构象,约占70%,邻位交叉式约占30%,其他构象所占比例极小。,全重叠式 邻位交叉式 部分重叠式 对位交叉式,2.丁烷的构象,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),26,当正烷烃碳原子数增加时，尽管构象也随之更复杂，但仍然主要以对位交叉式构象状态存在。所以直链烷烃绝大多数是锯齿形的。如正戊烷主要以第 1 种构象形式存在，第 3 种为全重叠构象，最不稳定。,正戊烷在液态和气态碳架运动的几种形式,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),27,高碳数正构烷烃的优势构象:相邻碳的结构均为对位交叉,癸烷 C10H22,二十烷 C20H42,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(三、构象异构),分子的构象对生物大分子（蛋白质，核酸，酶）的结构和性能产生重要的影响，还与许多药物的活性有密切的关系！,28,四、烷烃的物理性质(熔点、沸点、密度、溶解性等),碳原子数直链烷烃的熔点和沸点与分子中碳原子数的关系,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(四、物理性质),C1C4为气体C5C16为液体C17 固体,29,在同分异构体中,分支程度越高,沸点越低。因为烷烃分子中支链的存在会影响分子间的相互靠近,减弱分子间的引力(主要是短距离作用的色散力),使沸点随之降低。,bp()36.1 27.9 9.5,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(四、物理性质),30,支链烷烃的熔点也比相应的直链烷烃低，但高度对称的支链烷烃其熔点却异乎寻常的高，这是因为分子的对称性越高，在晶体中排列越紧密。,mp()-129.8-159.9-16.8,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(四、物理性质),31,烷烃分子中只有牢固的CC键和CH键，所以烷烃具有高度的化学稳定性。室温下烷烃与强酸、强碱、强氧化剂或强还原剂一般都不发生反应。,五、烷烃的化学性质,(一)稳定性,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),32,有机化合物分子中的氢原子（或其它原子、基团）被另一原子或基团取代的反应称为取代反应。被卤原子取代叫卤代(halogenation)。,(二)卤代反应,动画模拟:甲烷的氯代实验,氯甲烷(Methyl chloride),1.甲烷的氯代反应,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),33,生成的一氯甲烷还会继续被氯代,生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳四种产物的混合物。工业上把这种混合物作为溶剂使用。,CH3-Cl+Cl2 CH2Cl2+HCl 二氯甲烷,CHCl3+Cl2 CCl4+HCl 四氯化碳,CH2Cl2+Cl2 CHCl3+HCl 三氯甲烷,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),34,2.甲烷的氯代反应机制,反应机制是对某个化学反应逐步变化过程的详细描述。,烷烃卤代反应是游离基的链反应(free-radical chain reaction),其历程分 3步进行：,链引发(chain-initiating step)：形成自由基。,动画模拟:甲烷氯代反应机制,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),35,在链增长阶段,当一氯甲烷达到一定浓度时,氯原子除了同甲烷作用外，也可与一氯甲烷作用，结果生成二氯甲烷。以同样方式，可生成氯仿及四氯化碳。,Cl+CH3Cl CH2Cl+HClCH2Cl+Cl2 CH2Cl2+Cl,Cl+CH2Cl2 CHCl2+HClCHCl2+Cl2 CHCl3+Cl,Cl+CHCl3 CCl3+HClCCl3+Cl2 CCl4+Cl,链增长(chain-propagating step)：延续自由基，形成 产物.,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),36,Cl+Cl Cl:ClCH3+Cl CH3ClCH3+CH3 CH3CH3,链终止(chain-terminating step)：消除自由基,加入少量能抑制自由基生成或降低自由基活性的抑制剂可减慢反应速度或终止反应。,甲烷的溴代及其它烷烃的卤代反应机制与氯代相似。反应活性：F2 Cl2 Br2 I2,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),37,3.烷烃卤代反应的取向,含有不同类型H的烷烃氯代时,可得到不同的氯代烃。,伯氢与仲氢的活性比：,仲氢比伯氢活泼,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),38,37%,63%,伯氢与叔氢的活性比：,实验结果表明：室温下3、2、1氢原子对氯代反应的相对活性之比约为5:4:1,并与烷烃的结构基本无关。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),39,2/1=（97/2）（3/6）=97/1,溴代也生成相应的溴代物。且溴代比氯代反应的选择性更强。,烷烃溴代时仲氢与伯氢的活性比：,99%痕量,卤代反应活性：叔氢仲氢伯氢;F2 Cl2 Br2 I2,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),40,4.烷烃自由基的构型与稳定性,甲基、异丙基、叔丁基自由基的结构中心碳原子为sp2杂化,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),41,不同类型的CH键离解能不同，离解能越小，生成的自由基稳定性越大。其稳定性顺序：321 CH3,自由基的稳定性次序决定着反应的取向和反应活性。,第二章 烷烃和环烷烃 第一节 烷烃(五、化学性质),