有机化学课件第二章烷烃.ppt

第二章,烷 烃,2.1 烷烃的通式、同系列和构造异构2.2 烷烃的命名2.3 烷烃的结构2.4 烷烃的构象2.5 烷烃的物理性质2.6 烷烃的化学性质2.7 甲烷氯代反应历程2.8 甲烷氯代反应过程中的能量变化2.9 一般烷烃的卤代反应历程2.10 烷烃的天然来源,第二章 烷烃,(一)烃的定义,(二)烃的分类:,分子中只含有C、H两种元素的有机化合物叫 碳氢化合物,简称烃.,根据烃分子中碳原子连接方式1)脂肪烃：饱和烃和不饱和烃2)脂环烃：分子中碳原子联结成闭合碳环3)芳香烃：含芳香环的一大类烃化合物，如苯环,(1)烷烃碳原子的四个共价键，除以单键与其他碳原子相互结合成碳链外，其余的价键也都和氢原子相结合，即完全为氢原子所饱和。又叫饱和烃,由于石蜡是烷烃的混合物,故烷烃也称石蜡烃.例如:甲烷,乙烷,丙烷,丁烷(正丁烷,异丁烷),戊烷(正戊烷,异戊烷,新戊烷).,2.1 烷烃的通式,同系列和同分异构,丙烷 C3H8,丁烷 C4H10,戊烷 C5H12,CH3CH2CH3,CH3(CH2)2CH3,CH3(CH2)3CH3,CH4,CH3CH3,甲烷 CH4,乙烷 C2H6,名称 分子式 构造式 构造式的简写式,(2)烷烃的通式直链烷烃分子中，一个或几个-CH2-基团（亚甲基）连成碳链，碳链的两端再连有两个氢原子，因此直链烷烃的通式可写为:H-(-CH2-)n-H 或：CnH2n+2,同分异构体由于分子式相同,但它们的构造不同(分子中各原子相连的方式和次序不同).又叫构造异构体。,戊烷可看成是正丁烷和异丁烷上的一个 H被甲基-CH3 取代的产物:(正戊烷,异戊烷,新戊烷).,烷烃分子中，随着碳原子数的增加,烷烃的构造异构体的数目也越多.写出C7H16的同分异构体？,烷烃的通式 CnH2n+2,直链烃的通式可写为:H-(-CH2-)n-H同系物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同系物.系差同系列相邻的两个分子式的差值 CH2 称为系差.,(3)同系物,在烃分子中仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子（或一级碳原子，用1表示）与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2表示）与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（或三级碳原子，用3表示）与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4表示）,(4)烷烃中碳原子的分类:,与伯,仲,叔碳原子相连的H原子,分别称为 伯,仲,叔H原子,如：,有机化合物的命名的基本要求是必须能够反映出分子结构，使我们看到一个不很复杂的名称就能写出它的结构式，或是看到构造式就能叫出它的名称来。烷烃的命名法是有机化合物命名的基础，应很好的掌握它。,2.2 烷烃的命名,常用的命名法,习惯命名法,系统命名法,衍生物命名法,（1）含有10个或10个以下碳原子的直链烷烃，用天干顺序“甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸”10个字分别表示碳原子的数目，后面加烷字。例如：CH3CH2CH2CH3 命名为正丁烷。（2）含有10个以上碳原子的直链烷烃，用小写中文数字表示碳原子的数目。如CH3（CH2）10CH3命名为正十二烷。,一.习惯命名法,（3）对于含有支链的烷烃，则必须在某烷前面加上一个汉字来区别。在链端第2位碳原子上连有1个甲基时，称为异某烷，在链端第二位碳原子上连有2个甲基时，称为新某烷。CH3 CH3CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3 CH3-C-CH3 CH3 正戊烷 异戊烷 新戊烷,系统命名法是中国化学学会根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）制定的有机化合物命名原则，再结合我国汉字的特点而制定的（1960年制定，1980年进行了修定）系统命名法规则如下：,三.系统命名法(IUPAC),烷基：烷烃分子去掉一个氢原子后余下的部分。其通式为CnH2n+1-，常用R-表示。常见的烷基有：甲基 CH3 乙基 CH3CH2 正丙基 CH3CH2CH2 异丙基（CH3）2CH 正丁基 CH3CH2CH2CH2 异丁基（CH3）2CHCH2 仲丁基 叔丁基（CH3）3C,(1)直链烷烃按碳原子数命名 10以内：依次用天干:甲乙丙丁戊己庚辛壬癸(gui).10以上：用中文数字:十一.烷.,（1）选择分子中最长的碳链作为主链，按这个链所含的碳原子数称为某烷，并以此作为母体。,选择主链,(2)带有支链的烷烃,（2）分子中有两条以上等长碳链时，则选择支链多的一条为主链。,(1)从最接近取代基的一端开始，将主链碳原子用1、2、3编号,碳原子的编号,（2）若第一个支链的位置相同，则依次比较第二、第三个支链的位置，以取代基的系列编号最小（最低系列原则）为原则。,A 将支链（取代基）写在主链名称的前面B 取代基按“次序规则”小的基团优先列出 烷基的大小次序：甲基乙基丙基丁基戊基己基异戊基异丁基异丙基。C 相同基团合并写出，位置用2，3标出,取代基数目用二,三标出。D 表示位置的数字间要用逗号隔开，位次和取代基名称之间要用“半字线”隔开。E 如果支链上还有取代基时，则必须从与主链相连接的碳原子开始，给支链上的碳原子编号。然后补充支链上烷基的位次、名称及数目。,烷烃名称的写出,次序规则,将单原子取代基按原子序数大小排列，原子序数大的顺序大，原子序数小的顺序小，有机化合物中常见的元素其顺序由大到小排列如下：IBrClSPONCDH,如果多原子基团的第一个原子相同，则比较与他相连的其它原子，比较时，按原子序数排列，先比较最大的，仍相同，在顺序比较居中的、最小的。如果有些基团仍相同，则沿取代链逐次比较。CH3CH2-CH3-Me3C-CH3CH2CH(CH3)-(CH3)2CHCH2-CH3CH2CH2CH2-特丁基 仲丁基 异丁基 正丁基,含有双键和叁键的基团，可以认为连有两个或叁个相同的原子。,-OH-CHO-CH2OH,将下面基团按照次序规则排列顺序,（5）如果两个不同取代基所取代的位置按两种编号法位号相同时，命名时按顺序规则中顺序较小的基团一端编号。,（6）如支链上还有取代基，则从主链相连的碳原子开始，将支链的碳原子依次编号，支链上取代基的位置就由这个编号所得的位号表示，把这个取代基的位号写在支链位号的后面和支链名称的前面，例如：,（7）复杂烷烃如有两个以上等长的碳链，可按下列原则选择主链：选具有支链数目最多的为主链：,选择支链位号最小的为主链：,2，6-二甲基-4-乙基-5-异丙基辛烷 2-甲基-5-（1，1-二甲丙基）癸烷,命名以及写出结构式,2.3 烷烃的结构,2.3.1 甲烷的结构和sp3杂化轨道,甲烷的球棒模型,烷烃分子之中碳原子为正四面体构型。甲烷分子 之中，碳原子位于正四面体构的中心，四个氢原子在四面体的四个顶点上，四个C-H键长都为0.109nm，所有键角 H-C-H都是109.5,甲烷的正四面体构型,sp3杂化轨道,一个s轨道与三个p轨道形成四个sp3杂化轨道,杂化就是由若干个不同类型的原子轨道混合起来，重新组合成数目相等的.能量相同的新轨道的过程。C的电子构型：1S22S22P2,sp3杂化轨道的特点：,(1)具有更强的方向性，能更有效地与别的原子轨道重叠形成稳定的化学键。每个sp3杂化轨道，各含1/4 S成份3/4 P成份。(2)sp3杂化轨道的空间取向是指向正四面体的顶点。(3)sp3杂化轨道夹角是10928，使四个键角之间尽可能的远离。,4.在形成甲烷分子时，4个氢原子的S轨道分别沿着碳原子的SP3杂化轨道的对称轴靠近，当它们之间的吸引力与斥力达到平衡时，形成了4个等同的碳氢 键。键：沿键轴旋转，它的形状和位相符号不变。键的特点：（1）重叠程度大，不容易断裂，性质不活泼。（2）能围绕其对称轴进行自由旋转。,乙烷分子中C-C键(C-H键用直线表示),2.3.2 其它烷烃的结构,乙烷的C-C 键,Stuart模型,其他烷烃：据测定，除乙烷外，烷烃分子的碳链并不排布在一条直线上，而是曲折地排布在空间。这是烷烃碳原子的四面体结构所决定的。如丁烷的结构：,烷烃分子中各原子之间都以键相连接的，所以两个碳原子可以相对旋转，形成了不同的空间排布。实际上，在室温下烷烃（液态）的各种不同排布方式经常不断地互相转变着。,丁烷的球棒模型,为了方便，只要写出锯齿形骨架,用锯齿形线的角(120)及其端点代表碳原子.不写出每个碳上所连的氢原子.但其它原子必须写出.,注意:键线式书写烷烃的分子结构:,烷烃的构象,由于单键可以“自由”旋转。使分子中原子或基团在空间产生不同的排列，这种特定的排列形式称为构象。由单键旋转而产生的异构体，称为构象异构体或旋转异构体。几种构象的表示形式：,伞形式 锯架式 纽曼投影式 表示前碳 表示后碳,乙烷的构象,由于碳碳键可以旋转，所以按照每旋转60可得到的构象分别为：,(1)球棒模型,乙烷的重叠式构象,重叠式、交叉式构象比较,(3)纽曼投影式,重叠式构象 交叉式构象,重叠式构象 交叉式构象,(2)透视式表示乙烷的构象,乙烷分子各种构象的能量曲线,12.6kJ/mol,丁烷的结构（模型）,2.4.2丁烷的构象,为主,2.4.2丁烷的构象,丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化,丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化,烷烃的物理性质：,1、状态：在常温常压下，1至4个碳原子的直链烷烃是气体，5至16个碳原子的是液体，17个以上的是固体。2、熔沸点：随分子量的增大而升高，原因：分子大，接触面积大，范德华力大；分子大，分子运动所需能量大。A 烷烃的沸点 随C数增加的变化：1)直链烷烃的沸点随着分子量(碳数)的增加而有规律地升高,并且升高的趋势渐缓；2)在含同数碳原子的烷烃异构体中,直链异构体的沸点最高,支链越多,沸点越低.,B 烷烃的熔点：1）直链烷烃的熔点随分子量(碳数)的增加而升高.2）支链烷烃的熔点比直链烷烃低.3溶解度：烷烃是非极性分子，又不具备形成氢键的结构条件，所以不溶于水，而易溶于非极性的或弱极性的有机溶剂中。4密度：烷烃是在所有有机化合物中密度最小的一类化合物。无论是液体还是固体，烷烃的密度均比水小。随着分子量的增大，烷烃的密度也逐渐增大。,烷烃的化学性质稳定（特别是正烷烃）。在一般条件下（常温、常压），与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及金属钠等都不起反应，或反应速度极慢。原因：（1）其共价键都为键，键能大 C-H 390435KJ/mol C-C 345.6KJ/mol（2）分子中的共价键不易极化（电负性差别小C2.5，H2.2）但稳定性是相对的、有条件的，在一定条件下（如高温、高压、光照、催化剂），烷烃也能起一些化学反应。,2.6 烷烃的化学性质,2.6.4 取代反应,烷烃与某试剂可以发生反应，结果烷烃分子中的氢原子可被其他原子或原子团取代，这种反应叫做取代反应。,烷烃卤代反应一般指 氯代和溴代,而氟代剧烈（爆炸性反应），碘代很难直接发生卤素反应的活性次序为：F2 Cl2 Br2 I2,在紫外光漫射或高温下，甲烷易与氯、溴发生反应。,甲烷的卤代反应较难停留在一元阶段，氯甲烷还会继续发生氯化反应，生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。若控制一定的反应条件和原料的用量比，可得其中一种氯代烷为主要的产物。比如 甲烷：氯气=10：1（400450时）CH3Cl占98%=1：4（400时）主要为CCl4,实验事实证明：1.甲烷和氯气在室温下和暗处可以长期保存而并不起反应。2.在暗处，若温度高于250时，反应立即发生。3.在室温有紫外光的照射下，反应立即发生。4.若将Cl2先用光照射，然后迅速在黑暗中与甲烷混合，则发生氯代反应。5.若将Cl2照射后，在黑暗中放置一段时间，然后与甲烷混合，反应又不发生。,2其他烷烃的氯代反应1）反应条件与甲烷的氯代相同（光照），但产物更为复杂，因氯可取代不同碳原子上的氢，得到各种一氯代或多氯代产物。例如：,2）伯、仲、叔氢的相对反应活性,分子中，有六个等价伯氢，两个等价仲氢，若氢的活性一样，则两种一氯代烃的产率，理论上为 6：2=3：1但实际上为 43：57=1：1.33这说明在室温氯代时，各类氢的反应活性是不一样的，氢的相对活性=产物的数量被取代的等价氢的个数。这样可知：,即仲氢与伯氢的相对活性为4：1。,异丁烷一氯代物,同理可求得叔氢的相对反应活性：,即叔氢的反应活性为伯氢的5倍。,室温时三种氢的相对活性为：3H：2H：1H=5：4：1在高温时（450）氯代时三种氢的活性接近于1：1：1。溴代反应时（光照，127），三种氢的相对活性为：3H：2H：1H=1600：82：1如：,故溴代反应的选择性好，在有机合成中比氯带更有用。,烷烃的卤代反应历程,反应历程 化学反应所经历的途径或过程，又称为反应机理。反应历程是根据大量的实验事实作出来的理论推导，实验事实越丰富，可靠的程度就越大。到目前为止，有些已被公认确定下来，有些尚欠成熟，有待于理论化学工作者的进一步努力。,2.7 甲烷氯代反应历程,从上可以看出，一旦有自由基生成，反应就能连续的进行下去，这样周而复始，反复不断的进行反应，故又称为链锁反应（free radical chain reaction）。凡是自由基反应，都是经过链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的。,(1)反应热反应物与产物之间的能量差(H).负值为放热.用键离解能估算.CH3-H+Cl-Cl CH3-Cl+H-Cl 435 243 349 431 678 780 H=678-780=-102 kI/mol CH3-H+Br-Br CH3-Br+H-Br 435 192 293 366 627 659 H=627-659=-32 kI/mol,2.8 甲烷氯代反应过程的能量变化,说明:比较反应热,溴代反应比氯代反应缓慢.,反应热、活化能和过渡态,(1)Cl-Cl 2Cl 243 H=+243 kj/mol(2)Cl+H-CH3 H-Cl+CH3 435 431 H=+4 kj/mol(3)CH3+Cl-Cl CH3-Cl+Cl 243 349 H=-106 kj/mol,活化能-过渡态与反应物之间的能量差是形成过渡态所必须的最低能量,也是使该反应进行所需的最低能量,叫活化能.,Cl+H-CH3 H3CHCl H-Cl+CH3 反应的能量变化,总：Cl+H-CH3 CH3-Cl+Cl 能量变化,X2 2X(光或热)X+RH HX+R R+X2 RX+X.X+X X2 R+X RX R+R R-R,2.9 一般烷烃的卤代反应历程,(1)链的引发：,(2)链增长(链传递):,(3)链终止:,自由基的稳定性 两个反应产物的比例与反应物中该种氢的比例不相一致，其原因是由于中间体的稳定性不同，两个反应的中间体均为自由基，自由基越稳定则越易生成，又由于自由基反应的定速步骤为自由基的生成，因此自由基越稳定，生成相应的产物的反应越快。,2.6.1 氧化反应,1、燃烧燃烧反应的机制非常复杂，但也是自由基反应。1、完全燃烧 用途：可用燃烧来测定它们的C、H含量。很好的燃料。2、不完全燃烧烷烃的不完全燃烧会产生有毒的CO和黑烟C，是汽车尾气所造成的空气污染之一。用途：炭黑是黑色的颜料。可作为橡胶的填料，具有补强作用,3、部分氧化 在控制条件时,烷烃可以部分氧化,生成烃的含氧衍生物。例如石蜡（含2040个碳原子的高级烷烃的混合物）在特定条件下氧化得到高级脂肪酸。RCH2CH2R+O2 RCOOH+RCOOH,有机氧化的概念：无机中的氧化的概念以电子的得失，氧化数的变化来判断是否是氧化还原反应。有机中的氧化的概念同无机中的氧化的概念有所不同，在有机中，加氧去氢为氧化，加氢去氧为还原。例如：反应中，分子去掉了氢，加上了比氢电负性大的氯原子，因此反应为氧化反应。,裂化：烷烃在隔绝空气的条件下加强热，分子中的碳碳键或碳氢键发生断裂，生成较小的分子，这种反应叫做热裂化。如：产生的游离基：,1)可相互结合生产烷烃：2)转移1个H给另1个游离基，产生1个烷烃和1个烯烃：3)石油化工的催化重整：用催化剂（Pt，Al2O3等）促使在较低温度和压力下进行裂解，来生产燃油汽油柴油，和重要的化工原料乙烯、丙烯、丁烯等,(1)石油(分馏产物);(2)天然气 干天然气-甲烷86%99%(体积)湿天然气-甲烷60%70%,还含有一定的乙烷,丙烷,丁烷等气体.(3)油田气-低级烷烃,如甲烷,乙烷,丙烷,丁烷和戊烷等;(4)煤层气,沼气-甲烷等;(5)甲烷冰.,2.10 烷烃的天然来源,烷烃的制备,1、甲烷的实验室制法：2、偶联反应(1).武慈合成法特点：成倍增长碳链，只能制备对称烷烃。可制备高级烷烃。,(2).柯尔贝电解法特点：成倍增长碳链，只能制备对称烷烃。可制备低级烷烃。,3、由不饱和烃加氢 4、卤烷还原,5、Grignard反应 6、由酮类还原,