有机化学-第二章-烷烃课件

第二章第二章 烷烷 烃烃烃：仅仅由碳和氢两种元素组成的化合物烃（碳氢化烃：仅仅由碳和氢两种元素组成的化合物烃（碳氢化合物，合物，hydrocarbons）。）。第二章第二章 烷烷 烃烃 烷烃：分之中的碳除以碳碳单键相连外，碳的其他价烷烃：分之中的碳除以碳碳单键相连外，碳的其他价键都为氢原子所饱和的烃叫做烷烃，也叫做饱和烃。键都为氢原子所饱和的烃叫做烷烃，也叫做饱和烃。第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 一、同系列和同系物一、同系列和同系物最简单的烷烃是甲烷，依次为乙烷、丙烷最简单的烷烃是甲烷，依次为乙烷、丙烷、丁、丁烷等烷等（CH4,C2H6,C3H8,C4H10,C4H10,）烷烃的通式：烷烃的通式：CnH2n+2 。同系列：具有相同通式、结构上相差一定的同系列：具有相同通式、结构上相差一定的“原子团原子团”的一系列化合物（如：烷烃相邻两个的一系列化合物（如：烷烃相邻两个化合物相差化合物相差CH2）。）。同系物：同系列中的化合物为同系物。同系物：同系列中的化合物为同系物。第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 二、构造异构二、构造异构同分异构：相同分子式，不同分子结构。同分异构：相同分子式，不同分子结构。第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 二、构造异构二、构造异构构造异构：分子中原子的连接次序和方式不同。构造异构：分子中原子的连接次序和方式不同。象正丁烷和异丁烷这样由于碳骨架发生改变产象正丁烷和异丁烷这样由于碳骨架发生改变产生的构造异构又称为碳干异构。生的构造异构又称为碳干异构。第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 二、构造异构二、构造异构构造式的书写方法：构造式的书写方法：第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 二、构造异构二、构造异构烷烃构造异构体数目：烷烃构造异构体数目：第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 二、构造异构二、构造异构烷烃构造异构体数目：烷烃构造异构体数目：第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 二、碳原子和氢原子类型二、碳原子和氢原子类型碳原子类型：碳原子类型：与一个碳原子相连的碳原子为一级碳原子，伯碳原子，以与一个碳原子相连的碳原子为一级碳原子，伯碳原子，以10表示；表示；与二个碳原子相连的碳原子为二级碳原子，仲碳原子，以与二个碳原子相连的碳原子为二级碳原子，仲碳原子，以20表示；表示；与三个碳原子相连的碳原子为三级碳原子，叔碳原子，以与三个碳原子相连的碳原子为三级碳原子，叔碳原子，以30表示；表示；与四个碳原子相连的碳原子为四级碳原子，季碳原子，以与四个碳原子相连的碳原子为四级碳原子，季碳原子，以40表示。表示。氢原子类型：氢原子类型：与伯碳原子相连的氢原子为伯氢原子，以与伯碳原子相连的氢原子为伯氢原子，以10H表示；表示；与仲碳原子相连的氢原子为仲氢原子，以与仲碳原子相连的氢原子为仲氢原子，以20H表示；表示；与叔碳原子相连的氢原子为叔氢原子，以与叔碳原子相连的氢原子为叔氢原子，以30H表示。表示。第二章第二章 烷烷 烃烃1-1 同系列和构造异构同系列和构造异构 二、碳原子和氢原子类型二、碳原子和氢原子类型第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 一、普通命名法一、普通命名法1.命名原则命名原则根据碳原子数目命名为根据碳原子数目命名为“某烷某烷”。用天干十个字。用天干十个字（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸癸）及中文数字表示碳原子数目。及中文数字表示碳原子数目。对于直链烷烃在母体前加词头对于直链烷烃在母体前加词头“正（正（n-）”。仅在碳链一端第仅在碳链一端第2碳原子上带有一个甲基则命名碳原子上带有一个甲基则命名为为“异某烷异某烷”（iso-，i-）。仅仅在碳链一端第仅仅在碳链一端第2碳原子上带有两个甲基则命碳原子上带有两个甲基则命名为名为“新某烷新某烷”（neo-）。第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 一、普通命名法一、普通命名法2.命名实例第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法1.系统命名法系统命名法1892年日内瓦国际化学会议首次制订了有机化年日内瓦国际化学会议首次制订了有机化学系统命名原则，称为日内瓦命名法。后来经学系统命名原则，称为日内瓦命名法。后来经过过IUPAC多次修订，现称为多次修订，现称为IUPAC命名法。命名法。IUPAC推荐全世界化学工作者使用。推荐全世界化学工作者使用。中国化学会根据中国化学会根据IUPAC命名法，并结合我国命名法，并结合我国汉字的特点，汉字的特点，1960年制订了有机化学命名原则年制订了有机化学命名原则，1980年进行了修订。现要求全国化学工作者年进行了修订。现要求全国化学工作者使用。使用。中国化学会有机化学命名原则中国化学会有机化学命名原则(1980)第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法1.系统命名法（续）系统命名法（续）系统命名法适用于所有的有机化合物。系统命名法适用于所有的有机化合物。烷烃的命名：对于直链烷烃，根据烷烃分子中碳烷烃的命名：对于直链烷烃，根据烷烃分子中碳原子命名为原子命名为“某烷某烷”；对于含有支链的烷烃，将；对于含有支链的烷烃，将其看作直链烷烃的取代衍生物来命名。其看作直链烷烃的取代衍生物来命名。第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法2.烷基的名称烷基的名称支链：烷烃去掉一个氢原子后的原子团，通式为支链：烷烃去掉一个氢原子后的原子团，通式为CnH2n+1 ，称为烷基，常用称为烷基，常用 R-表示。表示。常见烷基：常见烷基：第二章第二章 烷烷 烃烃第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法2.烷烃的系统命名原则烷烃的系统命名原则选择主链（母体）：选择分子中最长的连续碳链选择主链（母体）：选择分子中最长的连续碳链作为主链，根据碳原子数目命名为作为主链，根据碳原子数目命名为“某烷某烷”。当。当分子中存在多种等长时，则选择取代基多的碳链分子中存在多种等长时，则选择取代基多的碳链作为主链。作为主链。给主链编号：从靠近取代基一端开始编号，若有给主链编号：从靠近取代基一端开始编号，若有多个取代基，应使所有取代基均有最低编号。多个取代基，应使所有取代基均有最低编号。第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法2.烷烃的系统命名原则（续）烷烃的系统命名原则（续）书写化合物名称：书写化合物名称：(1)支链置前，位次和基名之间用支链置前，位次和基名之间用“-”隔开；隔开；(2)简单取代基置前（英文以字母顺序排列）；简单取代基置前（英文以字母顺序排列）；(3)相同取代基合并，数目用中文数字表示，位相同取代基合并，数目用中文数字表示，位次之间用次之间用“,”隔开。隔开。复杂支链的命名：复杂支链的命名：(1)与烷烃类似；与烷烃类似；(2)支链编号从与主链相连的碳原子开始编号；支链编号从与主链相连的碳原子开始编号；(3)复杂支链的名称作为一个取代基看待。复杂支链的名称作为一个取代基看待。第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法2.烷烃的系统命名实例第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法2.烷烃的系统命名实例第二章第二章 烷烷 烃烃1-2 命名命名 二、系统命名法二、系统命名法2.烷烃的系统命名实例第二章第二章 烷烷 烃烃1-3 构型构型 一、甲烷的构型一、甲烷的构型1.甲烷的构型第二章第二章 烷烷 烃烃1-3 构型构型 一、甲烷的构型一、甲烷的构型2.sp3杂化和键第二章第二章 烷烷 烃烃1-3 构型构型 一、甲烷的构型一、甲烷的构型2.sp3杂化和键第二章第二章 烷烷 烃烃1-3 构型构型 一、甲烷的构型一、甲烷的构型2.sp3杂化和杂化和键键3.键：成键电子云沿键轴方向呈圆柱形对称重叠而形成键：成键电子云沿键轴方向呈圆柱形对称重叠而形成的键。的键。4.键的特点：键的特点：5.（1）电子云沿键轴呈圆柱形对称分布。）电子云沿键轴呈圆柱形对称分布。6.（2）可自由旋转而不影响电子云重叠的程度。）可自由旋转而不影响电子云重叠的程度。7.（3）结合的较牢固。）结合的较牢固。8.因因 C-H键键 键能键能 415.3KJ/mol，C-C键键 键能键能 345.6KJ/mol 第二章第二章 烷烷 烃烃1-3 构型构型 二、其他烷烃的构型二、其他烷烃的构型碳碳原原子子都都是是以以SP3杂杂化化轨轨道道与与其其他他原原子子形形成成键键，碳碳原原子子都都为为正四面体结构。正四面体结构。C-C键键长长均均为为0.154nm,C-H键键长长为为0.109nm,键键角角都都接接近近于于109.5。碳碳链链一一般般是是曲曲折折地地排排布布在在空空间间，在在晶晶体体时时碳碳链链排排列列整整齐齐，呈呈锯锯齿齿状状，在在气气、液液态态时时呈呈多多种种曲曲折折排排列列形形式式（因因键键能能自自由由旋转所致）。旋转所致）。第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 一、乙烷的构象一、乙烷的构象构象：构造一定的分子，通过单键的旋转而引起的分构象：构造一定的分子，通过单键的旋转而引起的分之中各原子在空间的不同排布称为构象。之中各原子在空间的不同排布称为构象。理论上讲，乙烷分之中碳碳单键的自由旋转可以产生理论上讲，乙烷分之中碳碳单键的自由旋转可以产生无数种构象（用模型操作示意），无数种构象（用模型操作示意），但极限构象只有两但极限构象只有两种，即交叉式和重叠式。种，即交叉式和重叠式。构象通常用透视式或纽曼构象通常用透视式或纽曼(Newman)投影式表示投影式表示 第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 一、乙烷的构象一、乙烷的构象第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 一、乙烷的构象一、乙烷的构象第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 一、乙烷的构象一、乙烷的构象第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 一、乙烷的构象一、乙烷的构象扭转张力：旋转中所须克服能垒。扭转张力：旋转中所须克服能垒。(a)电子云排斥电子云排斥 (b)相邻两相邻两H间的间的von der waals排斥力排斥力 描述：一般情况下描述：一般情况下(T-250oC)，(a)单个乙烷分子：单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。绝大部分时间在稳定构象式上。(b)一群乙烷分子：一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 二、丁烷的构象二、丁烷的构象以正丁烷的以正丁烷的C2C3键的旋转来讨论丁烷的构象，固定键的旋转来讨论丁烷的构象，固定C2，把把C3旋转一圈来看丁烷的构象情况。旋转一圈来看丁烷的构象情况。在转动时，每次转在转动时，每次转60，直到，直到360复原可得到四种典型复原可得到四种典型构象。构象。对位交叉式对位交叉式 邻位交叉式邻位交叉式 部分重叠式部分重叠式 全重叠式全重叠式 第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 二、丁烷的构象二、丁烷的构象第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 二、丁烷的构象二、丁烷的构象第二章第二章 烷烷 烃烃1-4 构象构象 二、丁烷的构象二、丁烷的构象四种典型构象的稳定性次序为：四种典型构象的稳定性次序为：对位交叉式对位交叉式 邻位交叉式邻位交叉式 部分重叠式部分重叠式 全重叠式全重叠式 相对能垒相对能垒:0 3.3KJ/mol 14.6KJ/mol 18.425.5KJ/mol室温时，对位交叉式约占室温时，对位交叉式约占70%，邻位交叉式占，邻位交叉式占30%，其他两种，其他两种极少。极少。第二章第二章 烷烷 烃烃1-5 物理性质物理性质 一、分子间作用力一、分子间作用力偶极偶极-偶极作用：极性分子间的相互作用力。偶极作用：极性分子间的相互作用力。色散力色散力：瞬时偶极之间的相互作用力瞬时偶极之间的相互作用力.大小与分子的极化率、大小与分子的极化率、分子的接触面积有关。例：卤代烷的极化率分子的接触面积有关。例：卤代烷的极化率 RI RBr RCl RF氢键：含有氢键：含有O-H，N-H，H-F的化合物之间的相互作用力。通常的化合物之间的相互作用力。通常只有原子半径较小、电负性强、有未共用电子对的原子才能形只有原子半径较小、电负性强、有未共用电子对的原子才能形成氢键。氢键的键能与元素的电负性及原子半径有关。元素的成氢键。氢键的键能与元素的电负性及原子半径有关。元素的电负性越大、原子半径越小，形成的氢键越强。氢键具有方向电负性越大、原子半径越小，形成的氢键越强。氢键具有方向性、饱和性。性、饱和性。分子间力的大小顺序：氢键分子间力的大小顺序：氢键 偶极偶极偶极作用力偶极作用力 色散力色散力第二章第二章 烷烷 烃烃1-5 物理性质物理性质 二、沸点二、沸点随着碳原子数的递增，沸点依次升高。随着碳原子数的递增，沸点依次升高。碳原子数相同时，支链越多，沸点越低。原因：碳原子数相同时，支链越多，沸点越低。原因：沸点的高低与沸点的高低与分子间引力（包括静电引力、诱导力和色散力）有关。烃的碳分子间引力（包括静电引力、诱导力和色散力）有关。烃的碳原子数目越多，分子间的力就越大。支链增多时，使分子间的原子数目越多，分子间的力就越大。支链增多时，使分子间的距离增大，分子间的力减弱，因而沸点降低。距离增大，分子间的力减弱，因而沸点降低。第二章第二章 烷烷 烃烃1-5 物理性质物理性质 三、熔点三、熔点随着碳原子数的递增，熔点依次升高。随着碳原子数的递增，熔点依次升高。第二章第二章 烷烷 烃烃1-5 物理性质物理性质 三、熔点三、熔点碳原子数相同时，分子对称性越高，熔点越高。碳原子数相同时，分子对称性越高，熔点越高。第二章第二章 烷烷 烃烃1-5 物理性质物理性质 四、密度四、密度碳原子数增加，密度有所增加，但均小于碳原子数增加，密度有所增加，但均小于1。第二章第二章 烷烷 烃烃1-5 物理性质物理性质 五、溶解度五、溶解度难溶于水，易溶于有机溶剂。难溶于水，易溶于有机溶剂。“相似相溶原理相似相溶原理”第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 烷烃化学性质很不活泼，通常与强酸、强烷烃化学性质很不活泼，通常与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂都不发生反应，其原碱、强氧化剂、强还原剂都不发生反应，其原因：因：烷烃分子中烷烃分子中C-H键和键和C-C 键牢固；键牢固；C、H电负性差别小，电负性差别小，C-H键为非极性共价键为非极性共价键，键，C-H键不易极化。键不易极化。但是烷烃在一定条件下，但是烷烃在一定条件下，C-H键和键和C-C 键键可以断裂而发生一些化学反应。可以断裂而发生一些化学反应。第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 一、氧化和燃烧一、氧化和燃烧燃烧热：在标准状态下，燃烧热：在标准状态下，1摩尔烷烃完全燃烧所释放摩尔烷烃完全燃烧所释放的热量。的热量。烷烃的平均燃烧热为烷烃的平均燃烧热为658.6kJ/mol。燃烧热能够反映分子内能的高低。例如：正丁烷为燃烧热能够反映分子内能的高低。例如：正丁烷为2878.2 6kJ/mol，异丁烷为异丁烷为2869.8 6kJ/mol。（异丁烷异丁烷内能低内能低）第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 二、热裂反应二、热裂反应在隔绝空气的条件下，烷烃经过高温加热，发生分子在隔绝空气的条件下，烷烃经过高温加热，发生分子中碳碳键断裂生成小分子的烷烃、烯烃等化合物。中碳碳键断裂生成小分子的烷烃、烯烃等化合物。第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 三、卤代反应三、卤代反应烷烃和卤素在光照或加热条件下，烷烃分子中氢原子烷烃和卤素在光照或加热条件下，烷烃分子中氢原子被卤素取代的反应称为烷烃的卤代反应。被卤素取代的反应称为烷烃的卤代反应。第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 三、卤代反应三、卤代反应1.甲烷的氯代反应甲烷的氯代反应2.甲烷在紫外光照射或在甲烷在紫外光照射或在250-400加热时，甲加热时，甲烷与氯气发生取代反应。烷与氯气发生取代反应。第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 三、卤代反应三、卤代反应1.甲烷的氯代反应甲烷的氯代反应 反应不加控制时得到混合物。反应不加控制时得到混合物。甲烷过量甲烷过量:主要产物为一氯甲烷。主要产物为一氯甲烷。Cl2大大过量大大过量:主要产物为四氯化碳。主要产物为四氯化碳。第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 三、卤代反应三、卤代反应2.其他烷烃的氯代反应其他烷烃的氯代反应（反应活性与反应选择性）（反应活性与反应选择性）氯代反应相对反应活性氯代反应相对反应活性：30H:20H:10H=5.0:3.7:1.0氯代反应活性：氯代反应活性：30H 20H 10H 第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 三、卤代反应三、卤代反应3.烷烃与其它卤素的取代反应烷烃与其它卤素的取代反应氟代：反应过分剧烈、较难控制氟代：反应过分剧烈、较难控制氯代：正常，可以控制氯代：正常，可以控制溴溴 代：稍慢代：稍慢碘代碘代:不反应，即使反应，其逆反应易进行。不反应，即使反应，其逆反应易进行。因此，卤代反应活性为因此，卤代反应活性为 F2 Cl2 Br2 I2(不反应），不反应），其中氯代和溴代反应具有实用意义。其中氯代和溴代反应具有实用意义。第二章第二章 烷烷 烃烃1-6 化学性质化学性质 三、卤代反应三、卤代反应3.烷烃与其它卤素的取代反应烷烃与其它卤素的取代反应溴代反应相对反应活性溴代反应相对反应活性：30H:20H:10H=1600:82:1溴代反应活性：溴代反应活性：30H 20H 10H 第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 一、反应机理概念一、反应机理概念1.什么是反应机理：对反应的详细的一步一步的描述什么是反应机理：对反应的详细的一步一步的描述（解释诸如反应是如何开始的？经过了什么中间体？（解释诸如反应是如何开始的？经过了什么中间体？反应条件起什么作用？决速步骤是哪一步？副产物是反应条件起什么作用？决速步骤是哪一步？副产物是如何生成的？等问题）如何生成的？等问题）2.研究反应机理的意义：了解影响反应的各种因素，最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，发现新的研究课题。导研究的深入，发现新的研究课题。3.反应机理的不断完善：反应机理尚有一定的不确定性，反应机理的不断完善：反应机理尚有一定的不确定性，常因新的实验现象的出现而修改。常因新的实验现象的出现而修改。第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 二、共价键断裂方式二、共价键断裂方式1.均裂均裂自由基反应自由基反应2.异裂异裂离子性反应离子性反应3.协同方式协同方式第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 三、甲烷氯代反应机理三、甲烷氯代反应机理1.自由基反应链反应自由基反应链反应第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 三、甲烷氯代反应机理三、甲烷氯代反应机理2.甲烷氯代反应中的能量变化甲烷氯代反应中的能量变化第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 三、甲烷氯代反应机理三、甲烷氯代反应机理2.甲烷氯代反应中的能量变化甲烷氯代反应中的能量变化第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 三、甲烷氯代反应机理三、甲烷氯代反应机理3.过渡态理论过渡态理论过渡态理论：过渡态理论：在化学反应中，反应物相互接近，总是先在化学反应中，反应物相互接近，总是先达到一势能最高点（活化能）（相应结构称为过渡态），达到一势能最高点（活化能）（相应结构称为过渡态），然后再转变为产物。然后再转变为产物。Hammond 关于过渡态结构的假说：在一单元反应（简关于过渡态结构的假说：在一单元反应（简单的一步反应）中，过渡态的结构（能量）与接近的那单的一步反应）中，过渡态的结构（能量）与接近的那一侧类似。一侧类似。过渡态：过渡态：（推测的）势能最高处的原子排列状态，寿命（推测的）势能最高处的原子排列状态，寿命很短（大约很短（大约10-1210-15秒），目前无法测得。秒），目前无法测得。中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中间体活泼，可通过实验方法观察到。中间体活泼，可通过实验方法观察到。第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 三、甲烷氯代反应机理三、甲烷氯代反应机理3.过渡态理论过渡态理论第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 三、甲烷氯代反应机理三、甲烷氯代反应机理3.过渡态理论过渡态理论第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 三、甲烷氯代反应机理三、甲烷氯代反应机理3.过渡态理论过渡态理论第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 四、自由基的电子构型及其稳定性四、自由基的电子构型及其稳定性自由基的电子构型自由基的电子构型稳定性：稳定性：30 20 10 CH3.第二章第二章 烷烷 烃烃1-7 卤代反应机理卤代反应机理 五五、一般烷烃的卤代反应机理一般烷烃的卤代反应机理Thank you very much!Thank you very much!