有机化学第三章饱和烃.ppt

,第三章 饱和烃,根据烃分子中碳原子间连接方式可分为：,烃是在组成上仅含有C、H两种元素的化合物，也称为碳氢化合物。,烃：只由C、H两种元素组成的有机化合物。烷烃：包括链烷烃和环烷烃,3.1 烷烃的通式和构造异构 3.2 烷烃的命名 3.3 烷烃的结构 3.4 烷烃的构象 3.5 环烷烃的分类和命名 3.6 环烷烃的构象 3.7 烷烃的物理化学性质,烷烃的通式为：CnH2n+2，n为碳原子个数。例如：,甲烷 乙烷 丙烷 丁烷,3.1 烷烃的通式和构造异构,CH4,CH3CH3,CH3CH2CH3,CH3(CH2)2CH3,-11.73,沸点：-0.5,同系列：通式相同，组成上相差“CH2”及 其整倍数 的一系列化合物。同分异构体：具有相同分子式的不同化合物。,同系列和同分异构,例如：,烷烃构造异构体的数目,一、普通命名法,“天干”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”,3.2 烷烃的命名,二、系统命名法,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，制定了中文系统命名法（1960年）。,1.烷基,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,正戊烷,新戊烷,异丙基,-CH2CH2CH3 丙基,-CH2CH3 乙基,2.IUPAC命名法,直链烷烃与普通命名法基本相同，但不能用“正”字。,如：CH3CH2CH2CH2CH3,支链烷烃:,把它看作是直链烷烃取代衍生物,选取主链选择最长的碳链为主链。支链当作取代基。,编号从靠近支链的一端开始，编号时应尽可能使小取 代基具有最低编号。,步 骤,当几种可能的编号方向时，应当选定使取代基具有“最低系列”的那种编号。,1 2 3 4 5 6 7,7 6 5 4 3 2 1,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,2,7,8-三甲基癸烷（不叫3,4,9-三甲基癸烷）,“先小后大，同基合并”,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，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。,有多种等长的最长碳链可供选择时，应选择 取代基最多的碳链为主链。,2,5-二甲基-3,4-二乙基己烷,2,3,5-三甲基-4-丙基庚烷,伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子：,3.C、H 原子的分类：,与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子在同一反应中的活性是有一定差别的。,2,3,4,1、,2、,3、,4、,例如：用系统命名法命名下列化合物,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-异丁基十一烷,一、碳原子的SP3杂化轨道、键,1.碳原子的sp3杂化,碳原子在基态时电子构型：1S2、2S2、2p2,3.3 烷烃的分子结构,4个SP3杂化轨道,2、甲烷的分子模型,甲烷的正四面体构型,甲烷凯库勒模型,3、键：,乙烷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。,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：甲烷分子中有四个CH键。乙烷分子中有六个CH键和一个CC键。,甲烷,乙烷,键的定义：,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旋转;不影响键电子 云的交盖程度，可极化性较小。,键的特性:,CC 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 的排列（构象）；不同的构象体之间为构象异构关系（一类立体异构现象）,3.4 烷烃的构象,1、乙烷的构象,一般情况下(T-250oC):单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。,重叠式构象：,描述烷烃构象的几种方式：,交叉式构象,绕C-2和C-3之间的键旋转，形成的四种典型构象。,对位交叉式 邻位交叉式 全重叠式 部分重叠式,构象稳定性：对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式 最稳定的对位交叉构象是优势构象，能量最低。,2、正丁烷的构象,丁烷构象转换与势能关系图,其它烷烃的构象,规律:体积最大的基团总是占据对位交叉的位置,最稳定,最不稳定,讨 论 题,将右式化合物改写成纽曼式，并用纽曼 式表示其优势构象。,分类：环烷烃按照分子中所含碳环的数目，可分为：,3.5 环烷烃的分类和命名,甾族化合物：,甾族化合物的结构特征是包含一个四环稠合的碳环骨架，同时还有三个侧链。,甾环结构：,胆固醇(C27H45OH),雄甾酮(C19H30O2),可的松,二、命名,1.单环烃,1）按成环碳原子数目称为“环某烷。”,2）长链作母体，环作取代基。,3-甲基-4-环丁基庚烷,3）顺、反环烷烃,受环的限制，键不能自由旋转。环上取代基在空间的位置不同，产生顺反异构体。,顺(cis)：两个取代基在环同侧；反(trans)：两个取代基在环异侧。,2.桥环,通过共用两个或两个以上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：断裂二次CC键可成链状烃，为二环；断裂三次CC 键可成链状烃，为三环。,按照“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。,3,7,7-三甲基双环4.1.0庚烷,2,8-二甲基-1-乙基 双环3.2.1 辛烷,3、螺环烷烃,编号：从小环与螺原子相邻的C原子开始，按照“小环螺原子大环”的顺序编号；并尽可能使取代基的位次最小。,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。,Spiro 4.5 decane,2,6 二甲基 螺4.5 癸烷,5-甲基螺3.4辛烷,练习：,2-甲基双环2.2.1-2-庚烯,5,7,7-三甲基二环2.2.1-2-庚烯,2-甲基螺4.5-6-癸烯,3.7 烷烃的物理性质,2、沸点（b.p）:,B.支链烷烃(同分异构体),支链，b.p。,相邻同系物的沸点差(b.p)，随M,b.p。,3、熔点(m.p),含偶数碳原子的碳链具有较好的对称性，晶格排列紧密。,B.同分异构体,支链，m.p(不利于晶格的紧密排列)。,对称性，m.p；高度对称的异构体 m.p 直链异构体。,溶解度:烷烃不溶于水，易溶于非极性溶剂。,环烷烃的物理性质：,环烷烃的沸点、熔点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常数,烷烃的结构,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）,sp3 杂化已饱和不能加成,低极性共价键H 酸性小不易被置换,3.8 化学性质,一、甲烷的卤代反应,1、甲烷的氯代反应,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（反应引发过程）(3)一个自由基能使链增长反应重复5,000次。,反应速率:F2 Cl2 Br2 I2（不反应）,F2：反应过分剧烈、较难控制Cl2：正常（常温下可发生反应）Br2：稍慢（加热下可发生反应）I2：不反应。即使反应,其逆反应易进行,不同卤素与烷烃的反应活性不同:,甲烷的卤代反应机理（反应机理，反应历程）（Reaction Machanism）,什么是反应机理？反应机理是对反应过程的详细描述，应解释以下问题：,研究反应机理的意义：了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。发现反应的一些规律，指导研究的深入。,烷烃的氯化是一个连锁反应，也叫链反应。分为链引发、链增长和链终止三个阶段。,甲烷的卤代机理 自由基取代机理,链增长：,链终止：,链引发：,产生自由基,产生甲基自由基,产生新的氯自由基,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。,丙烷的氯化反应：,仲氢与伯氢活性之比为：,3、卤化反应的取向及自由基的稳定性,异丁烷的一元氯化反应：,叔氢与伯氢活性之比为：,氢原子的活性次序为：3H2H1H,烷基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=1:4:5,4、反应活性与选择性 反应活性越大，选择性越差。,烷烃卤化时，卤原子的选择性是 BrClF,97%3%,99%1%,溴代反应三种氢的活性：1H:2H:3H=1:82:1600,离解能kJmol-1435410395380,自由基的稳定性次序：3R2R1RCH3,H 原子的活泼性次序：3H2H1H,5、自由基的稳定性,6、自由基的结构与稳定性的理论解释：,这就是说：由CH4转化为CH3Cl过程中，碳原子的杂化方式也发生了变化。,乙基自由基 异丙基自由基 叔丁基自由基,自由基的稳定性顺序为：,，p-超共轭效应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解释，p-超共轭效应,过渡态,过渡态与反应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,P25习题2.13,二、氧化反应,三、异构化反应 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。,因此烷烃的主要用途是做燃料。,四、裂化反应 烷烃在没有氧气存在下进行的热分解反应叫裂化反应。,环烷烃化学性质,1、加成反应,加氢：,加卤素：,因此，可用溴褪色的方法来区别小环环烷烃 与开链烷烃！,加卤化氢：,环的断裂发生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：,因此环烷烃稳定性：,2、取代反应,3、氧化反应,环烷烃对氧化剂稳定，不被高锰酸钾、臭氧等氧化剂氧化。,3.9 烷烃的主要来源,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。,本章重点讲解：,1.烷烃的命名 掌握 2.烷烃的结构理解3.烷烃的构象理解4.烷烃的物理性质了解5.烷烃的化学性质掌握,