大学有机化学 烷烃

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,含有碳碳重键的烃类化合物。,烯烃、炔烃、芳烃。,分子中,C,原子,的结合方式,环丙烷,环己烷,碳原子之间均以,C,C,单键相连，其余的价键均为,H,原子所饱和。,烷烃,：甲烷、乙烷等；,环烷烃,。,烃,饱和烃：,不饱和烃,:,第二章 饱和烃,烃：,只含有,C,、,H,两种元素的化合物,碳氢化合物,1,甲烷,Methane,丙烷,Propane,丁烷,Butane,乙烷,Ethane,2.1,烷烃的通式和命名,2.1.1,烷烃的通式,烷烃的通式 ：,C,n,H,2n+2,2,2.1.2,碳、氢原子的类型,伯、仲、叔,氢,原子,伯,(,1,),、仲,(,2 ,),、叔,(,3 ,),、季,(,4 ,),碳,原子,3,2.1.3,烷基,烷基 ：,烷烃分子中去掉一个,H,原子,剩余的结构部分,表,2.1,一些烷基的名称与表示,4,名称 缩写,5,2.1.4,普通命名法,（适用于简单烷烃）,1.,按分子中碳原子数目称为,“,某烷,”,，,10,个碳及,10,个碳以下用天干（,甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸,）表示。,10,个碳以上用汉字数字（如,十一、十二,等）表示。,2.,用,“,正,”,、,“,异,”,、,“,新,”,分别表示,直链,、一端具有,异丙基,或,叔丁基,的构造异构体。,正戊烷,异戊烷,新戊烷,6,直链烷烃,的命名与普通命名法基本相同。只是去掉普通命名法中的“正”字。,2.1.5,系统命名法,系统命名是由三部分构成：,构型,标记,取代基的位次、,名称与排列,母体,名称,7,庚烷,选取最长的碳链作为主链。,若有等长的碳链，选取含支链最多的碳链为主链。,1.,选择主链，确定母体名称：,支链烷烃,的命名步骤：,根据主链的碳数，称“某烷” 。,8,2.,编号,（,主链上的碳原子）,从近支链一端依次用阿拉伯数字编号。,当编号有几种可能时，应选择具有,“最低系列”,的编号。,“,最低系列”,是指碳链有几种编号时，则有几个系列，顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到位次最小的系列为最低系列。,9,( I ),系列编号：,3,，,4,，,7,最低系列,( II ),系列编号：,3,，,6,，,7,10,2-,甲基,-5-,（,1,，,1-,二甲基丙基）癸烷,支链上有取代基,，则从和主链相连的碳原子开始将支链碳依次编号，并将取代基位号、名称及支链名写在括号内。,11,当含有几个相同的取代基时，用,“,一、二、三、,四,”,表示其个数，逐个标明其位号 ，并用,逗号分开。,3.,取代基的位号、名称排列,将取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代基名称的前面，加上它的位号，并用半字线,“,-,”,将两者连接。,当含有几个不同的取代基时，按照,“,次序规则,”,，列出基团的顺序大小次序。将顺序较大的基团,(,较优基团,),列在后面，各取代基之间用 半字线,“,-,”,连接。,12,顺序规则,单原子取代基,按原子序数大小排列，,未共用电子最小,。原子序数大,顺序大；原子次序小,顺序小；同位素中质量高的,顺序大。顺序大的原子或基团为,较优基团,。,多原子基团第一个原子相同,则比较与其相连的其它原子。,13,含双键或叁键的基团,则作为连有两个或叁个相同的原子。,乙炔基,乙烯基,叔丁基,14,1,2,3,4,5,6,7,8,9,3,7-,二甲基,-4-,乙基壬烷,5-,丙基,-4-,异丙基壬烷,15,IUPAC Nomenclature of alkanes :,直链烷烃,(Unbranched alkanes),Meth,ane,Eth,ane,Prop,ane,But,ane,Pent,ane,Hex,ane,Hept,ane,Oct,ane,Non,ane,Dec,ane,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,16,支链烷烃,取代基的位次按照取代基第一个字母在,字母表中的顺序排列：,与中文命名不同的是：,4-,Iso,propyl,-5-,propyl,nonane,17,课堂练习：,18,2.2,烷烃的分子结构和同分异构,2.2.1 ,键的形成和烷烃的结构,C :,1s,2,2s,2,2p,x,1,2p,y,1,2p,z,0,碳原子在基态时的电子构型：,sp,3,杂化轨道,:,基态,2p,2s,1s,电子,跃迁,激发态,2p,2s,1s,sp,3,-,杂化态,杂化,1s,sp,3,sp,3,杂化轨道形成过程示意图,19,在甲烷分子中，,C,原子是,sp,3,杂化。,s,轨道成分：,1/4,；,p,轨道成分：,3/4,。,sp,3,杂化轨道,20,sp,3,-1s ,键,4,个,C,H ,键,甲烷的结构,sp,3,杂化的碳原子，四面体,21,甲烷的球棍模型和比例模型,22,C,C ,键是由两个碳原子各以一个,sp,3,杂化轨道沿对称轴方向交盖而成的。,如：乙烷分子的结构,乙烷的结构（用模型）,由两个和两个以上碳原子组成的烷烃，,除了具有,C,H,键外，还有,C,C ,键。,23,1,个,C,键,6,个,C,H,键,sp,3,sp,3,键,sp,3,1s,键,乙烷的球棒模型和比例模型,24,键的特性：,键呈圆柱型对称，键能较大，可极化性,小，可沿键轴自由旋转。,由于,键是沿成键轨道方向交盖而成，在,碳链中，,C,C,C,的键角保持了接近,109.5,。对于直链烷烃，其三维形状是,曲折型，而不是直线型。,25,四个,C-H,键,六个,C-H,键,一个,C-C,键,烷烃分子立体形状表示法：,透视式,实线,-,键在纸平面上,;,楔线,-,键在纸平面前,;,虚线,-,键在纸平面后。,烷烃分子立体形状表示法,26,2.2.2,烷烃的同分异构,1.,烷烃的构造异构,正戊烷,异戊 烷,新戊烷,碳胳（链）异构,27,由于,键呈圆柱状对称，,C,C,单键能够,发生旋转，由此而导致的分子中的原子或原子团在空间的排布方式不同，分子的这种立体形象,构象,(,Conformation,),。或分子中原子或原子团绕单键旋转而产生的不同排列形式称为构象,.,2.,烷烃的构象,(1 ),乙烷的构象,由此产生的异构体,构象异构体,28,重叠式,乙烷的构象,纽,曼,投,影,式,透,视,式,交叉式,优势构象,29,重叠式构象中：,前后两个,H,原子相距最,近,，,C,H,键之间,键电子云的斥力最,大,，所以能量最,高,。,交叉式构象中：,前后两个,H,原子相距最,远,，,C,H,键之间,键电子云的斥力最,小,，所以能量最,低,，是,优势构象,(,最稳定构象,),。,重叠式构象要趋向最稳定的交叉式构象。,扭转张力：,将分子最稳定构象转变成全重叠构象所需要的能量。,30,纽曼,(Newman),投影式：,能量,(kJ.mol,-1,),0,60,120,旋转角度,/ ( ),12.6,交叉式与,重叠式是,乙烷分子,的极限构象,120,120,31,对位交叉,部分重叠,部分交叉,全重叠,由,C,2,C,3,键旋转,产生的构象：,丁烷的模型,(2 ),丁烷的构象,固定,C,2,原子，反时针,旋转,C,3,原子，得到以,下丁烷的极限构象,32,稳定性：,对位交叉式,部分交叉式,部分重叠式,全重叠式,丁烷,C,(2),-C,(3),键旋转引起的各构象的能量变化,33,讨 论 题,（,1,）将右式化合物改写成纽曼式，并用纽曼式表示其优势构象。,（,2,）下列哪一对化合物是等同的？（假定,C-C,单键可以自由旋转）,34,2.3,烷烃的性质,物理常数,：单一纯净的有机化合物在一定的条件下其物理性质为一固定值。,有机化合物的物理性质,：物态、熔点,(,m.p.,),、沸点,(,b.p.,),、相对密度,(,d,),、折射率,(n,D,),和溶解度,(s),等。,物理常数,已知化合物的鉴定,不同化合物的分离,测定,利 用,烷烃：无色、有一定的气味。,2.3.1,物理性质,35,1.,沸点,有机物的沸点高低取决于,氢键,和,分子间力,的大小。分子间力又与分子的分子量、极性、表面积呈正相关。,有氢键,分子量大,极性大,无支链,沸点高,36,当,C,原子数相同时，含,支链越多,的烷烃，相应的沸点越低,沸点,() 36.1 27. 9 9.5,分子量大的分子，其表面积增大，分子,间力,(,色散力,),增大，其沸点随之升高。,直链烷烃的沸点,(bp),随分子量的增加而升高。,37,2 .,熔点,直链烷烃熔点,(mp),随分子量的增加而升高。,偶数碳原子烷烃与奇数原子烷烃相比，,其熔点升高较多。,熔化主要需要克服晶格能，有机物一般是分子晶体，熔点高低取决于分子的分子量、极性和对称性的大小。,分子量大,极性大,对称性大,熔点高,38,C,原子数相同烷烃的不同异构体，,对称性,大,的异构体具有较高的熔点。,熔点,() -130 -160 -17,C,原子数相同的,环烷烃,的沸点、熔点均高于烷烃。,3.,相对密度,烷烃比水轻， 其相对密度都小于,1,4 .,溶解度,烷烃几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂,39,5 .,折光率,在一定的波长的光源和一定的温度条件,下，折光率对确定的化合物是一个常数。,正丁烷,1.3397,正己烷,1.37,环戊烷,1.406,环己烷,1.4266,折光率,(n,D,20,),名称,40,2.3.2,烷烃的化学性质,1 .,自由基取代反应,饱和烃分子中的氢原子被其它原子或基团,所取代的反应,取代反应,。,通过自由基进行的取代,(,H,原子,),反应,自由基取代反应。,键牢固，不易断裂；,C,H,键的极性小，不易异裂，可均裂。,41,(1),卤代（化）反应：,在光、高温或催化剂作用下，烷烃与卤素分子反应，生成卤代烷和卤化氢。,烷烃 卤素 卤代烷 卤化氢,乙烷,氯,氯乙烷,(78%),42,链增长,链终止,链引发,产生自由基,产生甲基自由基,产生新的氯自由基,自由基之间碰撞，形成稳定分子，反应终止,整个反应经历三个阶段：链引发、链增长、链终止。,此自由基反应也称,链锁反应或链反应。,(2),卤代反应的机理,反应机理是化学反应所经历的途径或过程。,43,链增长阶段：,自由基与分子的反应,自由基分别与反应物分子和,产物分子反应。,44,(3),卤化反应的取向与自由基的稳定性,当卤分子同含有不同种类,H,原子的烷烃,反应时，取代的位置不同。,丙烷,1-,氯丙烷,(45%) 2-,氯丙烷,(55%),45,异丁烷的一元氯化反应：,异丁烷 异丁基氯,(64%),叔丁基氯,(36%),伯氢：,9,产率：,64%,叔氢：,1 36%,叔氢,伯氢,=,64 / 9,36 / 1,1,5,氢被取代的反应活性比：,46,反应的取向与自由基的稳定性相关。,自由基稳定性依次增大,H,原子被取代的活性次序：,叔氢,仲氢,伯氢,反应活性比,5.0 3.5 1.0,(,伯,),(,仲,),(,叔,),1,o,2,o,3,o,自由基稳定性：,3 ,R 2 R 1 R CH,3,47,(4),反应活性与选择性,卤素的反应活性次序,：,F,2,Cl,2, Br,2,I,2,2-,甲基戊烷,2-,甲基,-2-,溴戊烷,(76%),CH,3,CH,3,CH,3,CH,3,-CH- CH,3,+,Br,2,CH,3,-C-,Br,+ CH,3,-CHCH,2,Br,CH,3,99%,溴的反应性低，选择性高。,48,2.,氧化反应,烷烃完全燃烧生成二氧化碳和水，同时放出大量的热。,在催化剂下可以使烷烃部分氧化，生成醇、醛、酸等,49,3 .,热裂反应,化合物在高温和无氧存在下的分解反应。,50,