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第二章第二章 烷烃烷烃 从“烃”这个字可以推出它是由碳和氢两种元素组成的化合物，统称碳氢化合物，这是一类在石油中含量较多的烃类化合物，它的结构特点是其中的碳都以单键相结合。2.1 烷烃的通式、同系列和同分异构一、通式 能够代表一类物质组成的分子式叫通式，即这类化合物中的任意一个都可以用通式来表示。烷烃的通式：CnH2n+2二、同系列和系差1、同系列：在组成上具有一个通式，而以一定原子团为差的一系列化合物，称同系列。同系列中的化合物称为同系物。2、系差 同系列中相邻两化合物在组成上的差别。如烷烃的系差是CH2。三、烷基 烷烃分子去掉一个氢后剩下的基团即为烷基。例如：CH4去掉一个H后为-CH3，-Me（n-,-i,-t）C2H6去掉一个H后为-C2H5，-Et 注意：去掉的仅是H原子，共价键仍保持，表示它还可以与其它原子相连。在有机化学中常以RH代表烷烃，-R表示烷基。四、同分异构碳原子数 结构式 名称 分子式 4 正丁烷 C4H9 4 异丁烷 C4H9 5 正戊烷 C5H10 5 异戊烷 C5H10 5 新戊烷 C5H102.2 烷烃的命名 一、四种碳原子 伯碳原子：1C，只与一个碳原子相结合的碳原子。仲碳原子：2C，与两个碳原子相结合的碳原子。叔碳原子：3C，与三个碳原子相结合的碳原子。季碳原子：4C，与四个碳原子相结合的碳原子。不同碳原子上连的H原子也不同，分别为伯、仲、叔氢。二、习惯命名法 三、衍生物命名法 以甲烷作母体，其它烷烃看作是甲烷的烷基取代衍生物，命名时把烷烃分子中含氢最少的碳原子看作母体甲烷的碳原子。例如：CH3CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CH3CHCHCH3CH3 二甲基甲烷 二甲基乙基甲烷 二甲基异丙基甲烷四、系统命名法 IUPAC规定的命名规则：1、选择最长的碳链作主链，称某烷。2、从靠侧链的一端开始编号，侧链位置用1，2，3表示，名称数字写在主链名称前。3、若链中有相同取代基，合并命名；若有不同取代基，则简单在前，复杂在后。取代基编号遵循“最低”原则。4、若有两个相同碳原子数目的碳链，应选择含较多取代基的链作主链。例：2甲基3乙基己烷1，1，2三甲基丁烷2，3，7三甲基6乙基壬烷 3，6二甲基4，7二乙基壬烷2，5二甲基3，4二乙基己烷2.3 烷烃的结构一、甲烷的结构和sp3杂化轨道C612 1 s22s22p2 ，即基态时电子分布。两价四价 杂化：一个S轨道与三个P轨道发生杂化（混合起来再平均），形成sp3杂化轨道，含1/4S轨道和3/4P轨道，能量比S轨道高，比P轨道低。二、甲烷和烷烃的结构由于杂化轨道的对称轴之间夹角是109.5，所以甲烷的结构是正四面体的立体结构，但为书写方便，仍将其写成平面式。其它烷烃的结构与甲烷相似，烷烃中的碳原子均以sp3杂化轨道相交盖，形成一 个 C C 键，并 且 键 角 也 都 接 近109.5。2.4 2.4 烷烃的构象烷烃的构象 烷烃分子中有两种键：一是CH键，另一种是CC键，这两种键均以“头碰头”形式相交盖，这种键统称为键，其特征是轴对称，可以自由旋转。键：凡是轨道交盖部分对称地分布在键轴周围而呈对称的共价键称为键。ss sp sp3sp3 p sp3构象：由于围绕键键轴自由旋转，而产生的原子在空间的相对不同排布方式叫构象。乙烷中最典型的构象是重叠式和交叉式。立体透视式：立体感强HHHHHHHHHHHH平面（纽曼）投影式：方便势能高低：重叠式最高，最不稳定 交叉式最低，最稳定能垒：不同构象势能之差。2.5 烷烃的物理性质一、沸点（bp.）物态：C1-4 气态；C5-15 液态；C16 以上 固态 bp.的高低与分子间引力有关，碳数相等的烷烃，支链越多bp.越低。二、熔点（mp.）随相对分子量的增加呈锯齿形上升。现象：在奇数碳上增加一个碳原子变为 偶数烷烃时，mp.在偶数碳上增加一个碳原子变为奇数烷烃时，mp.原因：分子越对称，它们在晶格中的排列越紧密，mp.同理，对于相同碳原子数的同分异构体而言，支链越多，对称性越好，mp.。三、相对密度 烷烃的相对密度都小于1，它随分子量的变大而有所增加，最后接近于0.8左右。四、溶解度 所有烷烃都不溶于水而易溶于酒精、乙醚等有机溶剂中，即遵循“相似相溶”的原则，结构相似、极性相似的化合物之间容易相互溶解。2.6 2.6 烷烃的化学性质烷烃的化学性质一、氧化反应1、燃烧 CnH2n+2+3n+1/2 O2 nCO2+(n+1)H2O+Q2、部分氧化 在金属氧化物或金属盐的存在下，烷烃也能进行部分氧化反应，生成一系列含氧化合物，如醇、醛、酸等。二、异构化反应 由一个化合物转变为其异构体的反应。如：CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3AlBr3,HBr三、裂化反应 在高温下使烷烃分子发生裂解的过程叫裂化。1、热裂化：烷烃在500-600下C-C，C-H断裂，大分子烷烃裂化为适应汽油要求的小分子烃（C7-8）。2、催化裂化：烷烃在450500内在常压或低压下于催化剂下裂化。常用催化剂是41的SiO2+Al2O3制成的硅铝酸盐，加上1%的二氧化锰。3、裂解：在高于700的温度下将石油进行深度裂化，把大分子的烷烃裂解为小分子的气体烃，再聚合成聚合物。四、取代反应 烷烃中的H被其他原子或原子团取代叫取代反应。1、氯代反应阳光直射下，剧烈反应，放热或爆炸。CH4Cl2HC lC+24+直 射光漫射光下，较缓和，发生氯代CH4CH3ClCl2Cl2CH3ClCH2Cl2CH3ClCl2CHCl3CH3ClCl2CCl4+HClHClHClHCl所以卤素与烷烃反应的活性次序为：F2Cl2Br2I2。2、反应机理 对一个化学反应详细的一步步的描述就是反应历程。知道反应历程可控制反应、原料和试剂比例，预见主要产物和副产物。甲烷氯化的历程：、Cl2 2 Cl、Cl +CH4 HCl +CH3 、CH3+Cl2 CH3Cl +Cl、Cl +Cl Cl2、CH3+CH3 CH3 CH3、CH3+Cl CH3Cl链引发链传递链终止 均裂后带有一个未配对的孤单电子的原子或原子团称自由基。甲烷的氯化反应就是一个自由基反应。反应速率的大小主要由反应过程中生成的过渡态所需能量E活的大小决定的，过渡态是一临界状态，在能量图上是能量最高状态，任何反应要想进行，都必须提供这个最低的能量限度。活化能的大小也是衡量活性中间体稳定性的一个指标。3、氯代反应中伯、仲、叔氢的活性Cl2CH3CH2CH2.CH3CH.CH3Cl2Cl2CH3CH2CH2ClCH3CHCH3Cl43%57%Cl2.CH2CH(CH3)CH2CH3Cl2ClCH2CH(CH3)CH2CH3CH3C(CH3)CH2CH3Cl2C(CH3)2ClCH2CH3(CH3)2CHCHCH3Cl2CH(CH3)2CHClCH3CH(CH3)2CH2CH2.Cl2CH(CH3)2CH2CH2Cl.(33.5%)(22%)(28%)(16.5%)2H/1H=57/243/6=4 ；3H2H 22/128/2=117可见，三种氢的活性次序是：3H2H1H