有机化学第二章饱和烃.ppt

17:51,1,第二章 饱 和 烃 （烷烃）,17:51,2,饱和烷烃的命名及结构,乙烷及丁烷的构象,饱和烷烃的物理性质,饱和烷烃的化学性质,本章主要内容,同系列及同分异构,饱和烃,17:51,3,一、自燃界中的烷烃,汽车所加汽油,17:51,4,17:51,5,某些昆虫用特定结构的烷烃作为信息素昆虫之间用以传递各种信息而分泌出的有气味的化学物质。当人类研究明白某种信息素的结构后，就可利用它诱杀某种昆虫。,17:51,6,烃：hydrocarbon 由碳氢两种元素组成的有机化合物。又名碳氢化合物。,17:51,7,烃的分类,17:51,8,烷烃（alkane） ：开链的饱和烃叫做烷烃。在烷烃中碳原子之间以单键链接，其余价键都与氢结合。,甲烷,eg:,17:51,9,二、同系列和同分异构体,烷烃的通式：CnH2n+2,同系列：结构相似，而在组成上相差CH2或它的倍数的许多化合物，组成一个系列，叫做同系列(homologous series)。,同系物：同系列中的各种化合物(homolog)。,17:51,10,同分异构体：分子式相同，而原子的连接次序不同的化合物。简称异构体。,IUPAC建议：由于原子的连接次序不同而产生的异构体叫做构造异构(体)，constitutional isomers。还有一种立体异构，涉及空间排列顺序问题，以后要学到。,17:51,11,烷烃构造异构体的数目,17:51,12,三、饱和烷烃的命名,命名方法有两种，即普通命名法和系统命名法。,17:51,13,（1）普通命名法,十个C以内的直链烷烃用天干的顺序字“甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸”，再加“烷”组成。用“正”、“新”、“异”来区别异构体放在名称的前面，正表示无支链。新、异分别表示一端第二位上有一个和两个CH3的烷烃。,超过十个碳时，以“正”+“十几”+“烷”组合成其名称。如正十二烷。,17:51,14,（2）系统命名法,对于直链烷烃系统命名法与普通命名法相同，只是把“正”字取消。对于带支链的烷烃采用主链名称前加取代基名的办法解决。,二、命名,17:51,15,1. 选一个最长的碳链为 主，根据其碳原子数 目叫做某烷。主链 以外的碳链看作是 取代基。,3. 根据优先原则及位置号数字最小原则排列取代基顺序。,带支链的烷烃命名方法,2. 在距离支链最近的一端开始，对碳原子进行编号（1、2、3），用以表达取代基的位置。,4. 全名=取代其的位置+取代基的个数和名称+主碳链的名称。中间用短线-隔开。,17:51,16,注意：位置号用阿拉伯数字，多个位置连续表达时用逗号隔开，位置号与取代基名称之间用短线隔开。取代基个数用汉字，取代基名称和主碳链的名称直接相联。,17:51,17,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11,11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,2,4,5,5,9,10 ( ) 2,3,7,7,8,10 ( ),2,3,7, 8,10-五甲基-7-乙基十一烷,17:51,18,4-甲基-3-乙基庚烷 （ ）,3-乙基-4-甲基庚烷（ ）,17:51,19,4-丙基-6-异丙基壬烷,课堂练习,1.对下列烷烃进行命名,17:51,20,3,3,5-三甲基庚烷,2，4-二甲基-4-乙基已烷,2.指出下列两化合物的命名不正确的地方并重新命名,2，4-二甲基-6-乙基庚烷,4-乙基-5,5-二甲基戊烷,17:51,21,根据科学家的研究发现：C在正四面体的中心，H在四面体的顶点上。碳氢键的夹角109.5。,四、烷烃的结构,17:51,22,为了更清楚的表示分子三度空间的立体形状， IUPAC建议可选用两种表示方法书写结构式：,17:51,23,用杂化轨道理论解释甲烷的分子构型：,17:51,24,17:51,25,17:51,26,在饱和烷烃中C和C之间均以两个SP3杂化轨道形成键结合，碳和氢之间是一个SP3杂化轨道和一个S轨道形成C-H键。,由此可知，饱和烷烃并不是象我们用结构式表达的那样，是直线型的，而应该是曲折的。直链烷烃中的直链只代表不含有支链的意思。,饱和烷烃中碳-碳单键的键长0.154nm，键能354.6kJ/mol,17:51,27,五、乙烷和丁烷的构象,首先研究一下简单的C-C单键化合物，乙烷。,假设乙烷中的一个碳固定，另一个碳以两个原子的中心连线为轴旋转，这样一个碳上的氢相对于另一个碳上的氢就可以有无数个空间排列方式，即构象。每一个特定的构象就叫做一个构象异构体。,17:51,28,17:51,29,在乙烷的无数个构象中，从能量的角度分析，存在两种极端情况，一种是能量最低的交叉式构象，另一种是能量最高的重叠式构象。这里所说的能量指分子的内能。,17:51,30,透视式，也叫锯架式（sawhorse formula),构象的两种表示方法：,投影式，纽曼投影式（Newman projection formula),17:51,31,画一个圆圈表示离眼睛较远的碳原子，圆圈上三等份圆周的短线表示这个碳原子上的三根键； 圆心表示离光源较近的碳原子，由圆心到圆周三等份的延长线表示这个碳上的 三根键。,纽曼投影式规则,17:51,32,看书回答：乙烷交叉式和重叠式之间的内能差相有多大？室温下两种构象能否完成转化？几乎全都是交叉式构象的条件是什么？在常温条件能否将它们分离？,概念：扭转能（torsional energy）；扭张力（torsional strain）,四、乙烷和丁烷的构象,17:51,33,乙烷构象间转换时的能量变化。,四、乙烷和丁烷的构象,能量最低的构象最稳定，最稳定的构象称为优势构象。,17:51,34,丁烷的构象：P20中间的图,四、乙烷和丁烷的构象,17:51,35,四、乙烷和丁烷的构象,二 丁烷不同构象的能量曲线图,17:51,36,五、烷烃的物理性质,物理常数的作用鉴定物质的纯度、鉴别个别化合物,影响物理常数的内在原因是分子间作用力（范德华力，即偶极与偶极之间的作用力），相对分子质量越大，面积越大，分子间的接触部分也增大，分子间的作用力（引力）也增大。作用力增大后的结果使沸点增加，见表2-2。 支链化的结果是接触部分减少见，沸点降低，见表2-3。,17:51,37,五、烷烃的物理性质,另外：分子的动能是气态的大于液态的，液态的大于固态的。相对分子质量增大后，使分子动起来的能量要增大，所以要提高温度。,1状态：室温下，碳原子数：14 气态；517 液态；18以上 固态。同分异构体中，有支链者沸点低；支链越多，沸点越低。 2溶解性：易溶解于氯仿、乙醚、四氯化碳、苯的弱极性和非极性溶剂，不溶于水和其他极性溶剂。 3密度：随分子量增大而增高，但都小于1。,17:51,38,五、烷烃的化学性质：,结构决定性质，同系物结构相似，性质也相似。 但也不能一概而论。不同的异构体之间或碳原子数目相差较大时，反应速率会有较大的区别，速率的变化可能导致某些反应不能正常进行。 同系物中的第一个化合物性质上有其特殊性。,17:51,39,烷烃中CC、CH较稳定，C和H的电负性相差很少，所以CH的极性也很少，相对于其它有机物，烷烃不怕离子型试剂的攻击。只有在高温或催化剂存在的情况下才能和一些试剂发生化学反应。与石墨、氢气的性质有相似之处。,17:51,40,1、氯代,在日光(或紫外光)照射下，或高温下，烷烃分子中的氢原子能逐步被氯取代，得到不同的产物。如甲烷： CH4 + Cl2 CH3Cl (一氯甲烷) + HCl ； CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 (二氯甲烷) + HCl ； CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 (三氯甲烷) + HCl ； CHCl3 + Cl2 CCl4 (四氯化碳烷) + HCl 。 反应有时很剧烈，控制不好会爆炸。 CH4 + 2 Cl2 C + 4 HCl 甲烷过量(10:1)时，主要得到一氯甲烷；甲烷与氯气体积比0.26:1时，主要得到四氯化碳。,17:51,41,在甲烷的氯代过程的副产物：乙烷、乙烷的氯代产物，甚至有时还含有碳原子数更多的烷烃及其氯代物。 我们从甲烷氯代的四个反应式无法弄明白为什么会有上面提到的副产物生成，为了解释上述现象和预测类似反应会有什么产物生成，就要找出反应的根源反应机理（reation mechanism）。 它是一种能够解释试验现象的理论假说，并且能够预测类似的反应，还要经过试验验证。反应机理是对由反应物至产物所经历的途径的详细描述。,17:51,42,一个反应机理通常是用一系列反应式及反应过程中的能量变化图来描述。必要时包括分子的几何形状，键断裂与生成时电子的转移情况。,试验证明，甲烷氯代的反应机理是游离基机理，具体反应过程如下：,17:51,43,甲烷氯代反应过程中能量变化分析,反应中，当Cl与H，Cl-H键将形成还未形成，C-H将形成还未形成的状态为过渡态，用虚线表示之，过渡态的内能最高。从初始状态到过渡态所需要的能量就是反应的活化能。同样反应也存在一个活化能。,17:51,44,多步反应过程中，活化能大的，反应速度慢，是总反应的速率决定步骤。,甲烷氯代在强光的照射下极为激烈，甚至发生爆炸生成碳和氯化氢。类似氢气在氯气中的燃烧。,从甲烷氯代反应过程的内能变化趋势可知：速率决定步骤是：生成甲基自由基的步骤。,17:51,45,卤代反应的活性问题（反应的速度）,（1）相同的烷烃与不同的卤素之间反应的活性； （2）卤素相同，烷烃上不同位置上氢的反应活性。,回答第一个问题比较容易，电负性强的卤素发生取代反应的活性较强。实际上，氟与烷烃的反应非常激烈，而碘几乎不发生反应。,回答第二个问题，是从从分析大量试验数据的基础上得出结论的。,17:51,46,烷烃中的氢分为三类。伯氢、促氢、叔氢，分类的根据是看该与什么样的碳相连。1H，2H，3H。丙烷、异丁烷的氯代反应。,丙烷 45% 55%,仲氢：伯氢=55/2：45/64：1,异丁烷 63% 37%,叔氢：伯氢=37/1：63/95：1 总结：氯代时，叔氢：仲氢：伯氢 = 5：4：1,17:51,47,即三级氢的反应速度最快，被取代的产物最多，一级氢的取代产物最少。主要是因为反应过程中生成的游离基的稳定性有关。越稳定的游离基越容易生成，继而以该游离基为基础的取代物也容易生成。游离基稳定性的顺序为：,叔自由基 仲自由基 伯自由基 甲基自由基,17:51,48,通过上述讨论知： 氯代产物比较复杂，简单的烷烃可通过控制反应物的量来控制产物比例，高级烷烃的氯代产物更加复杂，很难控制产物的比例，一般都不进行分离，直接用其作为有机溶剂。C10C20的直链烷烃的氯代产物可作为乳化炸药的乳化促进剂。,17:51,49,2、氧化和燃烧,烷烃在催化剂的作用下，温度低于着火点时，可被氧化，CC、CH键都可以断裂，生成羧酸、醇、酮、醛等含氧有机化合物。反应产物复杂，不能用一个完整的反应式来表达。只能分别简单表示如下：,17:51,50,2、氧化和燃烧,有机反应中的氧化与无机中的不同，一般情况下电子没有完全转移，而是发生偏移。在有机反应中引入氧、脱去氢的反应都可以理解为氧化，反之失去氧或引入氢则可以理解为还原。 引伸到：有机物中的CH键断裂后，碳与电负性较强的原子如N、F、Cl等结合，都可认为是氧化。如烷烃的氯代反应也可理解为烷烃被氯气氧化。电子被抢了就是氧化，抢到了电子就是还原。,17:51,51,烷烃氧化反应的意义： 高级烷烃的氧化是工业上制备高级醇和高级脂肪酸常用的方法。高级醇和高级脂肪酸是制造合成表面活性剂和肥皂的原料； 甲烷的控制氧化可以制备氢、一氧化碳、乙炔等，它们又都是制备有机物的重要原料。,2、氧化和燃烧,17:51,52,烷烃的燃烧可视为石墨与氢气的燃烧，其意义在于生成大量的热能。如汽油的燃烧、天燃气的燃烧、液化石油气的燃烧。,低级烷烃与空气的混合物，当混合比例适当时，可形成爆燃气体，即遇明火或火花发生爆炸现象。液化气泄漏后的爆炸、煤矿瓦斯气体的爆炸都是基于此。如甲烷的与空气混合的爆炸极限是：5.53%14%。,2、氧化和燃烧,烷烃的燃烧反应：,17:51,53,取代基优先次序原则,（1）比与母体相连的原子的原子序数，原子序数大的次序大，原子序数小的次序小，同位素中质量高的次序大 。如I Br Cl S P F O N C D H 。,（2）第一步比不出结果（原子相同），再逐级往下比。见到不同就不需要往下比了。,（3）较优先的取代基命名时放在后面，相同的取代基其位置号都要标出，说个数时要求合并在一起。,（4）以双键相连就相当于连上两个相同的原子，叁键相当于连上三个相同的原子。（此条在本章可不预考虑）。,17:51,54,二、命名,17:51,55,位置号数字最小原则： 当第一个支链位置号一样时，比第二个支链的位置号，使其数字最小，第二个比不出来就比第三个。,补充: （1）取代基个数最多原则。当存在两个及以上相同的碳链 时，应使取代基的个数最多。 （2）选择含取代基多的最长碳链。,17:51,56,主链及编号,最低系列原则,选择含取代基多的最长碳链,17:51,57,本章作业,2.2、2.3、2.4、2.6（a. b)、2.8、2.11、2.13、2.15、2.16,