第二部分烷烃和环烷烃00002.ppt

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1、生命科学与技术学院,第 二 章 烷烃和环烷烃,exit,生命科学与技术学院,主要内容第一节烷烃第二节环烷烃,生命科学与技术学院,烷烃分子中的碳都是sp3杂化，甲烷具有正四面体的结构特征。当烷烃中的碳原子数大于3的时候，碳链就形成锯齿形状。,一、烷烃的结构特征,第一节 烷烃,sp3轨道形状,甲烷的CH键,C的四个sp3轨道,生命科学与技术学院,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。,键的特点,生命科学与技术学院,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。,键的定义,S S S pp p,键,键,p p,生命科学与技术学

2、院,二、烷烃的异构现象,构 象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。,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）。,（一）碳架异构体（二）构象异构体（三）旋光异构体,生命科学与技术学院,（1）两面角,单键旋转时，相邻碳上的其他键会交叉成一定的角度()，称为两面角。,两面角为0 时的构象为重叠式构象。两面角为60 时的构象为交叉式构象。两面角在0-60o之间的构象称为扭曲式构象。,、乙烷的构象,生命科学与技术学院,伞式 锯架式 纽曼式,交叉式构象,重叠式构象,伞式，锯架式与纽曼式的画法也适合于其它有机化合物,

3、（2）乙烷交叉式构象与重叠式构象的表示方法,生命科学与技术学院,（3）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,110.7 pm154 pm109.5o60o250 pm,110.7 pm154 pm109.5o0o229 pm,250 pm 240 pm 229 pm,E重叠 E交叉 E=12.1KJmol-1,每个C-H、C-H重叠的能量约为4 KJ mol-1,当二个氢原子的间距少于240pm（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。,生命科学与技术学院,（4）乙烷构象势能关系图,以单键

4、的旋转角度为横坐标，以各种构象的势能为纵坐标。如果将单键旋转360度，就可以画出一条构象的势能曲线。由势能曲线与坐标共同组成的图为构象的势能关系图。,稳定构象位于势能曲线谷底的构象,非键连相互作用不直接相连的原子间的排斥力。,转动能垒 分子由一个稳定的交叉式构象转为一个不稳定的重叠式构象所必须的最低能量。（25时转速达1011次/秒）,扭转张力 非稳定构象具有恢复成稳定构象的力量；,生命科学与技术学院,2、正丁烷的构象,正丁烷的构象比较乙烷要较为复杂一些。正丁烷的极端典型构象有四种：全重叠式邻位交叉部分重叠式对位交叉式,生命科学与技术学院,能量,旋转角,4 全重叠2，6 部分重叠3，5 邻位交

5、叉1=7 对位交叉,2,4,6 是不稳定构象，1,3,5,7 是稳定构象。1=7 是优势构象（能量最低的稳定构象称为优势构象）,沿C2-C3键轴旋转的转动能垒 22.6 kJmol-1,（）正丁烷的构象势能关系图,生命科学与技术学院,构象分布在达到平衡状态时，各种构象在整个构象中所占的比例称为构象分布。,15%,15%,70%,能 量 计 算C-H，C-H 重叠，4 kJ/molC-CH3，C-CH3邻交叉，3.8 kJ/molC-CH3，C-CH3重叠，22.6-8=14.6 kJ/molC-CH3，C-H 重叠，(14.6-4)/2=5.3 kJ/mol,（）正丁烷的构象分布和能量计算,分

6、子总是倾向于以稳定的构象形式存在,生命科学与技术学院,3、丙烷的构象,E=4+4+5.3=13.3KJmol-1,交叉式 重叠式,丙烷只有二种极限构象，一种是重叠式构象，另一种是交叉式构象。二种构象的能差13.3kJmol-1。,生命科学与技术学院,高级烷烃的碳链呈锯齿形,由于分子主要以交叉式构象的形式存在，所以高级烷烃的碳链呈锯齿形。,生命科学与技术学院,4、乙烷衍生物的构象分布,1，2-二氯乙烷（对位交叉70%）1，2-二溴乙烷（对位交叉84%-91%）1，2-二苯乙烷（对位交叉90%),乙二醇,2-氯乙醇,大多数分子主要以交叉式构象的形式存在；在乙二醇和2-氯乙醇分子中，由于可以形成分子

7、内氢键，主要是以邻交叉构象形式存在。,生命科学与技术学院,三、烷烃的物理性质,t,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,生命科学与技术学院,烷烃熔点的特点（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（如右图）。（3）相对分子质量相同的烷 烃，叉链增多，熔点 下降。,奇数碳,偶数碳,熔点高低取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度。,（一）熔点,生命科学与技术学院,沸点大小取决于分子间的作用力,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

8、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）,（二）沸点,生命科学与技术学院,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,生命科学与技术学院,烷烃的密度均小于1（0.424-0.780）。,偶极矩均为0。,烷烃不溶于水，溶于非极性溶剂。,（三）密度,（四）饱和烃的偶极矩,（五）溶解度,生命科学与技术学院,烷烃异构体的熔点、沸点规律,支链较多烷烃：熔点高、沸点低,支链较少烷烃：沸点高、熔点低,正戊烷 异戊烷 新戊烷bp 36 28 9.5mp-130-160-17,生命科学与技术学院,四、烷烃的化学性质,（一）总体

9、特点（二）烷烃的卤化和自由基反应（三）烷烃的硝化、磺化、热裂解和催化裂解（四）烷烃的氧化和自动氧化,生命科学与技术学院,、稳定：对强酸，强碱，强氧化剂，强还原剂都不发生反应。、烷烃的多数反应都是通过自由基机理进行的。,（一）总体特点,生命科学与技术学院,（二）烷烃的卤代和自由基反应,卤代反应分子中的原子或基团被卤原子取代的反应称为卤代反应。,、烷烃的卤代,取代反应分子中的原子或基团被其它原子或基团取代的反应称为取代反应。,生命科学与技术学院,（1）甲烷的氯代,反应式,反应机理,链引发,链增长,链终止,H=7.5KJ/mol Ea=16.7 KJ/mol,H=-112.9 KJ/mol Ea=8

10、.3 KJ/mol,生命科学与技术学院,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。,生命科学与技术学院,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）Hammond假设：过渡态总是与能量相近的分子的结构相近似。,反应坐

11、标,势能,生命科学与技术学院,甲烷氯代反应势能图,生命科学与技术学院,1、第一步反应的活化能比较大，是速控步骤。2、第二步反应利于平衡的移动。3、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。4、过渡态的结构与中间体（中间体是自由基）相似，所以过渡态的稳定性顺序与自由基稳定性顺序一致。推论：3oH最易被取代，2oH次之，1oH最难被取代。,甲烷氯代反应势能图的分析,生命科学与技术学院,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。3、无取代基的环烷烃的一氯代反应也可以用相应方法制备，C(CH3)4的一氯

12、代反应也能用此方法制备。,甲烷氯代反应的适用范围,生命科学与技术学院,X+CH3-H,CH3+H-X,FCl BrI,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.氟代反应难以控制。2.碘代反应一般不用，碘自由基是不活泼的自由基。3.氯代和溴代反应常用，氯代比溴化反应快5万倍。,（2）甲烷卤代反应活性的比较,生命科学与技术学院,（3）烷烃氯代反应的选择性,V:V=

13、28/6:72/4=1:4,1oH,2oH,1oH,V:V=63/9:37/1=1:5.3,3oH,氯代 V:V:V=1:4:5.3,1oH,2oH,3oH,生命科学与技术学院,3oH,2oH,1oH,V:V:V=1:82:1600,（4）烷烃溴代反应的选择性,氯代反应和溴化反应都有选择性，但溴代反应的选择性比氯代反应高得多。,溴化,生命科学与技术学院,烷烃卤代反应时，并不是直接生成中间体自由基，而是先经过一个过渡态。过渡态与起始态的能量差称为活化能Ea。,卤代反应是否容易进行，取决于活化能的大小。不同的卤代反应以及在同一烷烃的不同部位的反应的活化能都是不同的。,生命科学与技术学院,、自由基反

14、应,一级碳自由基,带有孤电子的原子或原子团称为自由基。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,自由基的结构特点三种可能的结构：（1）刚性角锥体，（2）迅速翻转的角锥体，（3）平面型。,自由基的定义,生命科学与技术学院,自由基的产生,热均裂产生,辐射均裂产生,单电子转移的氧化还原反应产生,光,H2O2+Fe2+HO+HO-+Fe3+RCOO-RCOO,-e-,电解,生命科学与技术学院,自由基的稳定性,H=359.8kJ/mol(88kcal/mol),苯甲基自由基 稀丙基自由基 三级丁基自由基 异丙基自由基,乙基自由基 甲基自由基 苯基自由基,共价键均裂时所需的能量称为键解

15、离能。键解离能越小，形成的自由基越稳定。,均裂,生命科学与技术学院,从母体烷烃生成相应自由基所需要的能量越小，所生成的自由基所携带的能量就越小，自由基就越稳定。,自由基越稳定，就越容易生成。自由基稳定性的顺序就是容易生成的顺序。,两点说明,影响自由基稳定性的因素是很多的，如：电子离域，空间阻碍，螯合作用和邻位原子的性质等；,碳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，所以是亲电的。,生命科学与技术学院,共 性,（1）反应机理包括链引发、链增长、链终止三个阶段。（2）反应必须在光、热或自由基引发剂的作用下发生。（3）溶剂的极性、酸或碱催化剂对反应无影响。（4）氧气是自由

16、基反应的抑制剂。,定义：由化学键均裂引起的反应称为自由基反应。,双自由基,自由基反应,单自由基,单自由基比双自由基稳定,生命科学与技术学院,烷基自由基的稳定性次序为：321CH3,当一个烷烃可能在不同的部位生成不同的自由基时，稳定的自由基在能量上是有利的，是容易生成的。,生命科学与技术学院,经过TS1生成伯自由基所需的活化能较高，而经过TS3生成仲自由基所需的活化能较少，这是因为仲自由基较伯自由基稳定，能量低。,生命科学与技术学院,实验事实和现象,实验,反应方程式,反应机理,实验数据,反应势能图,启发和讨论,指导实验,从烷烃与卤素的反应可以看出，化学工作者应建立起以实验为依据的思维方式。,生命

17、科学与技术学院,一、分类二、同分异构三、物理性质和化学性质四、结构五、构象,第二节 环烷烃,生命科学与技术学院,一、环烷烃的分类,环烃,脂环烃,芳烃,环烷烃环烯烃环炔烃,单环烷烃桥环烷烃螺环烷烃集合环烷烃,单环芳烃多环芳烃非苯芳烃,生命科学与技术学院,二、单环烷烃的分类和同分异构,单环烷烃的分类,n=3，4 小环n=5，6 常见环n=7，8，9，10，11 中环n12 大环,单环烷烃的通式：CnH2n,生命科学与技术学院,单环烷烃的异构现象,C5H10的同分异构体,碳架异构体（1-5）因环大小不同，侧链长短不同，侧链位置不同而引起的。,顺反异构（5和6，5和7）因成环碳原子单键不能自由旋转而引

18、起的。,旋光异构（6和7）,生命科学与技术学院,顺（cis）：两个取代基在环同侧。,反（trans）：两个取代基在环异侧。,顺-1,4-二甲基环己烷 反-1,4-二甲基环己烷,顺反异构,顺反异构是构型（configuration）异构的一种。,生命科学与技术学院,三、环烷烃的物理性质和化学性质,环烷烃的分子结构比链烷烃排列紧密，所以，沸点、熔点、密度均比链烷烃高。,（一）物理性质,生命科学与技术学院,（二）化学性质,1、与烷烃类似的性质,（1）卤代反应：,（2）氧化反应：,生命科学与技术学院,2、与烯烃类似的性质 小环烷烃的加成,（1）加H2：,（2）加X2：,生命科学与技术学院,（3）加HX

19、：,生命科学与技术学院,四、环烷烃的结构,三、四元的小环化合物不稳定，易发生开环的反应。,环烷烃的燃烧热与环的稳定性有关。,燃烧热(Hc)测定数据表明：链状烷烃分子每增加一个CH2，其燃烧热数值的增加基本上是一个定值658.6 kJmol-1。,生命科学与技术学院,环烷烃可以看作是数量不等的CH2单元连接起来的化合物。但不同环烷烃中的单元CH2的燃烧热却因环的大小有着明显的差异。,一些环烷烃的燃烧热,生命科学与技术学院,小环(C3C4)；普通环(C5C7)；中环(C8C11)；大环(C12)。,热力学数据表明：,单元CH2的燃烧热，环的稳定性。,生命科学与技术学院,张力学说提出的基础,所有的碳

20、都应有正四面体结构。碳原子成环后，所有成环的碳原子都处在同一平面上（当环碳原子大于4时，这一点是不正确的）。,1880年以前，只知道有五元环，六元环。1883年，W.H.Perkin合成了三元环，四元环。1885年，A.Baeyer提出了张力学说。,生命科学与技术学院,张力学说的内容,偏转角度=,2,N=3 4 5 6 7 偏转角度 2444 944 44-516-933,当碳原子的键角偏离10928时，便会产生一种恢复正常键角的力量。这种力就称为张力。键角偏离正常键角越多，张力就越大。,10928 内角,从偏转角度来看，五员环应最稳定，大于五员环或小于五员环都将越来越不稳定。但实际上，五员，

21、六员和更大的环型化合物都是稳定的。这就说明张力学说存在缺陷。,生命科学与技术学院,小环烷烃的结构,实际上，环烷烃（除三元环外）并不是一个平面结构，这就使张力学说失去了存在的基础。那么，如何解释小环的不稳定性呢？,实际上，在三元环及四元环中，碳碳键并不是沿键轴方向重叠的键。而是一种非“正规”的单键，成键的强度较弱，因而容易发生断裂。,生命科学与技术学院,由此可见：,（1）键的重叠程度小，稳定性下降。,（2）电子云分布在两核连线的外侧，增加了试剂进攻的可能性，故具有不饱和烯烃的性质。,生命科学与技术学院,平面式,折叠式,四元环,转换能量 E=6.3 KJmol-1,五、环烷烃的构象,（一）环丙烷、

22、环丁烷和环戊烷的构象,生命科学与技术学院,五元环,信封式,半椅式,生命科学与技术学院,1890年，H.Sachse 对拜尔张力学说提出异议。1918年，E.Mohr 提出非平面、无张力环学说。指 出用碳的四面体模型可以组成两种环己 烷模型。,（二）环己烷的构象,椅式构象 船式构象,生命科学与技术学院,(1)环己烷椅式(Chair Form)构象的画法,锯架式,纽曼式,1、环己烷的椅式构象,生命科学与技术学院,1.有6个a(axial)键，有6个e(equatorial)键。有C3对称轴。（过中心，垂直于1,3,5平面和2,4,6平面，两平面间距50pm）3.有构象转换异构体。（K=104-10

23、5/秒）,(2)环己烷椅式构象的特点,4.环中相邻两个碳原子均为邻交叉。,生命科学与技术学院,a键转变成e键，e键转变成a键；,环上原子或基团的空间关系保持。,生命科学与技术学院,张力能=Enb(非键连作用)+EI(键长)+E(键角)+E(扭转角)=6 3.8+0+0+0=22.8KJ/mol-1,Enb：H与H之间无，R与R之间有（邻交叉）,EI：C-C 154pm，C-H 112pm EI=0,E：CCC=111.4o HCH=107.5o(与109o28接近)E=0,E：都是交叉式。E=0,椅式构象是环己烷的优势构象,(3)环己烷椅式构象的能量分析,生命科学与技术学院,（1）环己烷船式(

24、Boat form)构象的画法,2.环己烷的船式构象,锯架式,纽曼式,生命科学与技术学院,1、1,2,4,5四个碳原子在同一平面内，3,6碳原子在这一 平面的上方。2、1,2和4,5之间有两个正丁烷似的全重叠,1,6、5,6、2,3、3,4之间有四个正丁烷似的邻位交叉。,(2)环己烷船式构象的特点:,生命科学与技术学院,(3)环己烷船式构象的能量分析:,张力能=Enb(非键作用)+EI(键长)+E(键角)+E(扭转角)=4 3.8+2 22.6=60.4 KJmol-1(EI EE忽略不计）船式与椅式的能量差：60.4 22.8=37.6 KJmol-1(28.9 KJmol-1),构象分布：

25、环己烷椅式构象:环己烷扭船式构象=10000:1,生命科学与技术学院,3、环己烷的扭船式构象,在扭船式构象中，所有的扭转角都是30o。,生命科学与技术学院,4、环己烷的半椅式构象,三个全重叠三个邻交叉,四个全重叠两个邻交叉,半椅式构象是用分子力学计算过渡态的几何形象时提出的。,生命科学与技术学院,只能取船型的环己烷衍生物,生命科学与技术学院,（）一取代环己烷的构象,（95%),(5%),CH3与 C2-C3键、C5-C6键为对交叉,CH3与 C2-C3键、C5-C6键为邻交叉,E=3.8KJ/mol-1 2=7.6 KJ/mol-1,CH3与C3-H、C5-H有相互排斥力，这称为1,3-二直立

26、键作用。每个H与CH3的1,3-二直立键作用相当于1个邻交叉。,、取代环己烷的构象,生命科学与技术学院,Go=Ee键构象-Ea键构象=-RT ln K,K=,e键构象浓度,a键构象浓度,Go=-7.5 KJ/mol=-RT ln K=-(8.3110-3 KJ/mol K)(298K)ln K K=20.66 e a=20.66 e=20.66 a e%=95.4%a%=4.6%,Go与构象分布,其它化合物的构象分布也可以用同样方法计算。,生命科学与技术学院,（）二取代环己烷的构象,1,2-二甲基环己烷的平面表示法,1,2-二甲基环己烷,生命科学与技术学院,1,2-二甲基环己烷构象的能差计算,

27、顺1，2-二甲基环己烷构象的能差计算,对 环 二个1,3-二直立键 二个1,3-二直立键两个甲基 邻交叉 邻交叉 E=33.8=11.4KJmol-1 E=33.8=11.4KJmol-1 E=0,生命科学与技术学院,对 环 四个1,3-二直立键 0两个甲基 对交叉(0)一个邻交叉 E=43.8=15.2 KJmol-1 E=3.8KJmol-1,E=(15.2+0)-(0+3.8)=11.4 KJmol-1,反1,2-二甲基环己烷构象的能差计算,既要考虑每个取代基对环的能量影响，也要考虑二个取代基之间有无能量关系。,生命科学与技术学院,顺1,3-二甲基环己烷构象的能差计算,对 环 四个邻交叉

28、 0 两个甲基 有范德华斥力7.6 KJmol-1 0 E=43.8+7.6=22.8KJmol-1 0,E=43.8+7.6=22.8KJmol-1,一个 1,3 C-CH3与 C-CH3 的二直立键作用为15.2 KJmol-1，二个 1,3 C-CH3 与 C-H 的二直立键作用为7.6KJmol-1。,1,3-二甲基环己烷,生命科学与技术学院,E=0,反1,3-二甲基环己烷构象的能差计算,对 环 二个1,3-二直立键 二个1,3-二直立键 两个甲基 0 0,生命科学与技术学院,(1)反-1-甲基-4-异丁基环己烷,E=8.8+7.1=15.9 KJ/mol,、有二个不同取代基的环己烷衍

29、生物,异丙基的能差,甲基的能差,生命科学与技术学院,(2)顺-1-甲基-4-氯环己烷,E=7.1-1.7=5.4 KJ/mol,甲基的能差,氯的能差,生命科学与技术学院,(3)顺-1,4-二（三级丁基）环己烷,扭 船 式,太大的取代基要尽量避免取a键。,生命科学与技术学院,Hassel规则,带有相同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末在两个构象异构体之间，总是有较多取代基取e键向位的构象为优势构象。,Barton规则,带有不同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末其优势构象总是趋向于使作用最强的和较强的基团尽可能多地取e键的向位。,两个规则,生命科学与技术学院,1.名称,

30、萘 十氢合萘（暜通名）二环4.4.0癸烷（学名）naphthalene Decahydronaphthalene,十氢合萘的构象,生命科学与技术学院,2.顺十氢合萘平面表示法,3.反十氢合萘平面表示法,生命科学与技术学院,（1）顺十氢合萘,(A)环：有两个取代基，产生一个邻交叉。C1-C9对A产生两个1,3-二直立键。(B)环：有两个取代基，产生一个邻交叉。C5-C10对B产生两个1,3-二直立键。归纳：其中有两个1,3-二直立键重合，所以实际上有三个1,3-二直立键。,4.十氢合萘的构象表示和能量计算,A,B,B,A,B,A,一 对 构 象 转 换 体,生命科学与技术学院,（2）反十氢合萘,(A)环：有两个取代基，产生一个邻交叉。(B)环：有两个取代基，产生一个邻交叉。,顺式比反式能量高 33.8=11.4KJ/mol,A,B,5,1,2,3,4,6,7,8,9,10,