有机化学课件2.1饱和烃

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,*,有 机 化 学,Organic Chemistry,第二章 饱和烃(烷烃),Alkanes,第二章 烷烃,2.1 烷烃的通式和构造异构,2.1.1 烷烃的通式 烷烃的通式为：C,n,H,2n+2,2.1.2 同系列和系差,同系列：烷烃中具有同一个通式，结构相似，化学性质相似，物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物，称为同系列。,同系物,：同系列中的化合物互称为同系物。,系差：同系列中相邻两个化合物在组成上的差别。烷烃系差为CH,2,2.1.3 烷烃的同分异构,从丁烷开始：正丁烷 CH,3,CH,2,CH,2,CH,3,异丁烷 CH,3,CH(CH,3,),2,同分异构体的推导：写出最长链：,写出少一个碳原子的直链，把一个碳当支链，找出可能的异构体,写出少二个碳原子的直链，把二个碳当两个支链，或一个支链，,找出可能的异构体。,同分,异构,：分子式相同，结构不同。是不同的化合物。,构造,异构,：分子式相同，分子内原子原子间相互连接的顺序不同，即分子的构造不同。,碳架,异构,：分子式相同，碳的骨架不同。,2.2,烷烃的命名,2.2.1,伯、仲、叔和季碳原子,伯碳原子,：一级碳原子,1,与一个碳原子(三个氢原子)相连的碳原子。,仲碳原子,:二级碳原子,2,与二个碳原子,(二个氢原子)相连的碳原子,叔碳原子,：三级碳原子,3,与三个碳原子(一个氢原子)相连的碳原子。,季碳原子,：四级碳原子，4,，与四个碳原子相连的碳原子。,分别与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称为伯、仲、叔氢原子。,a,CH,3,b,CH,2,b,CH,2,b,CH,2,a,CH,3,a,CH,3,b,CH,2,c,CH,a,CH,3,a,CH,3,CH,3,a,CH,3,d,C,a,CH,3,CH,3,戊烷（正戊烷）,2-甲基丁烷（异戊烷）,2，2-二甲基丙烷（新戊烷）,a:,一级（1,）,(,伯,),碳原子,b:,二级（2,）,(,仲,),碳原子,c:,三级（3,）,(,叔,),碳原子,d:,四级（4,）,(,季,),碳原子,伯氢、仲氢、叔氢,2.2.2,烷基的概念,烷基：烷烃中，去掉一个氢原子后剩余的基团。,用“,-,”来表示，如,(1),某基：甲基,CH,3,-,Me,-,；,乙基,CH,3,CH,2,-,Et-,；,丙基,CH,3,CH,2,CH,2,-,n-Pr-,；,丁基,CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,-,n-Bu-,(2),异某基:异丙基(CH,3,),2,CH-,i-Pr-,；,异丁基 (CH,3,),2,CHCH,2,-,i-Bu-,3)仲某基,:CH,3,仲丁基:,CH,3,CH,2,CH,-,s-Bu-,CH,3,(4)叔某基,:,叔丁基:,(CH,3,),3,C-,t-Bu,-;,叔戊基:,CH,3,CH,2,C,CH,3,CH,3,(5),新某基,:,新戊基,:CH,3,CCH,2,CH,3,2.2.3,普通命名法,按碳原子的数目称：,甲,乙,丙,丁,戊,己,庚,辛,壬,癸烷,十一烷,十二烷,直链的称为正某烷，正丁烷：CH,3,CH,2,CH,2,CH,3,碳链一端带有两个甲基的称为异某烷，异丁烷,:(,CH,3,),2,CH,2,CH,3,有季碳原子的称新某烷，新戊烷：(CH,3,),3,CCH,2,CH,3,石油工业上，“#”表示辛烷值，异辛烷(辛烷值定为100)不属于习惯命名，是商品名或俗名：,衍生物命名法:,次序规则：,(CH,3,),3,C-CH,3,CH,2,(CH,3,)CH-(CH,3,),2,CH-(CH,3,),2,CHCH,2,-,CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,-CH,3,CH,2,CH,2,-CH,3,CH,2,-CH,3,-,把甲烷作为母体，把其它烷烃看作是甲烷的烷基取代衍生物。,二甲基乙基甲烷,二甲基乙基异丙基甲烷,甲基乙基异丁基叔丁基甲烷,2.2.5,系统命名法,IUPAC命名法,International Union of Pure and Applied Chemistry,1.选取含碳原子最多支链数目最多的碳链为主链；当最长碳链有,多种时，选支链最多者为主链：,2.主链碳原子的位次编号,：,(1).离取代基最近的一端开始编号，,最低系列原则,：,碳链以不同方向编号时，若有多种可能系列，则需顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者为,最低系列,。,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,1 2 3 4 5 6 7 8 9,9 8 7 6 5 4 3 2 1,10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,(2).若支链中又带支链，用带撇的数字表示支链中支链的位置：,9 8 7 6 5 4 3 2 1,1,2,3,3甲基5(1，2二甲基丙基)壬烷,3.写出名称：,(1).取代基的 名称写在烷烃前，用其所连碳原子的编号注明位置；,(2).相同取代基合并，用二、三、四表明数目，其位置须逐个注明；,(3).,数字与汉字间用“”隔开，数字间用“，”分开,；,(3).特别注意：“某基”和“某烷”之间不能用“”隔开。,2.3,烷烃的结构,2.3.1,碳原子的电子跃迁,基态 激发态,2.3.2,碳原子轨道的,sp,3,杂化,一个s轨道和三个p轨道杂化后，形成四个完全相等的杂化轨道，这种轨道称为sp3杂化轨道。,a,杂化轨道有更强的方向性；,b,四个,SP,3,杂化轨道完全等值；,c,四个键尽可能远离；,d,每两个杂化轨道之间的夹角都是,109,28,2.3.3 甲烷的正四面体结构,键长：,0.110nm,键角：,109,28,球棒模型：,sp,3,轨道和甲烷分子的形成,-键,2.3.4 烷烃分子的模型和表示方法,键线表示法：,己烷,2-,甲基戊烷,楔形式,：,乙烷,（3)模型：,Kekule(凯库勒)模型：球和棍棒，表示原子和键；,Stuart（斯陶特)模型：原子半径和键长的比例；,乙烷的构象,透视式,：,交叉式 重叠式,两种构象能量差：,12.6KJ/mol;,绝对,0K,左右，分子均以交叉式构象存在；常温时，两种构象以极快的速度相互转化；构象不可分离。,乙烷分子的位能曲线图见P23图2-,8,2.纽曼投影式：,2.3.6,丁烷的构象,全重叠式 邻位交叉式 部分重叠式,对位交叉式 部分重叠式 邻位交叉式,能量高低：全重叠式 部分重叠式 邻位交叉式 对位交叉式,旋转时能量的变化见,P24图2-9,2.4 烷烃的物理性质,沸点的规律,1,4,个碳气体；,5,16,个碳液体；,17,个碳以上固体由色散力决定：随碳原子数增加而升高；,正烷烃的沸点高于它的异构体,。随着分子量的增加，相对分子质量增加的相对百分比越来越小，所以对沸点的影响渐渐变小。分子间的距离越近，引力越大。,熔点的规律,分子间引力及分子的对称性决定（排列紧密）：随碳原子数增加而升高；偶数烷烃的熔点比奇数的升高的更多；对称性好的新戊烷的熔点（,-16.6,C,）高于异戊烷,(-159.9,C),和戊烷,(-129.7,C),2.4.3,相对密度的规律,分子间引力决定,:,随碳原子数增加而增大,接近,0.78,溶解性规律,不溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃类中，,相似相溶的规律。,2.4.5同分异构体的物理性质规律：,同分异构体中，,沸点：支链越多，沸点越低。,熔点：支链越多，熔点越高。,2.5,烷烃的化学性质,烷烃没有官能团，和其他各类有机物相比，化学性质最稳定。,不易发生化学反应,;,不易发生异裂反应,。,但在高温，光照或催化剂作用下，,烷烃分子中的C-H可以均裂，发生自由基反应,。,2.5.1,取代反应,烷烃分子中的氢原子被氯原子取代的反应。,1.,卤化反应,：在光照射下，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。如甲烷在350400,o,C时：,CH,4,+Cl,2,CH,3,Cl(一氯甲烷)+HCl；,CH,3,Cl+Cl,2,CH,2,Cl,2,(二氯甲烷)+HCl；,CH,2,Cl,2,+Cl,2,CHCl,3,(三氯甲烷)+HCl；,CHCl,3,+Cl,2,CCl,4,(四氯化碳)+HCl。,反应有时很剧烈，控制不好会爆炸。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。,卤化反应的相对活性：F,2,Cl,2,Br,2,I,2,2,卤化的反应机理,反应物转变产物所经过途径叫做反应机理或反应历程。,3.,卤化反应的取向与自由基的稳定性,：,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：,烷烃中，氢原子的活性顺序为：,叔氢原子仲氢原子伯氢原子,氯化时，叔氢：仲氢：伯氢,=5：4：1,原因：叔CH键解离能较小，易断裂，被Cl,.,夺取,自由基的稳定性顺序：,(CH,3,),3,C,(CH,3,),2,CH,CH,3,CH,2,CH,3,溴的活性比氯小，溴原子取代烷烃分子中 活性较大的氢原子，比取代活性较小的氢原子容易得多。,溴化时，叔氢：仲氢：伯氢,=1600：82：1,4.反应活性与选择性,同样说明，烷烃卤化时，卤原子的选择性是：,IBrClF,2.5.2,氧化反应,1.燃烧生成CO,2,和水：,高温和足够的空气中燃烧，完全氧化，生成,CO,2,和水，大量放热：,CH,4,+2O,2,CO,2,+2H,2,O+,热能,C,3,H,8,+5O,2,3CO,2,+4H,2,O+,热能,C,n,H,2n+2,+(3n+1)/2 O,2,n CO,2,+(n+1)H,2,O+,热能,低级烷烃的蒸气和空气混合至一定比例，遇火爆炸，如煤矿中瓦斯爆炸。甲烷的爆炸极限是5.53%14%；在这比例外，只燃烧不爆炸。,2.,在催化剂存在下可发生部分氧化,合成了乙酸,高级脂肪酸等产品。甲烷在催化剂的存在下，可发生氧化生成甲醛、甲醇等化合物：,2.5.3异构化反应,从化合物的一种异构体转变成另一种异构体的反应。,直链烷烃异构体为带支链的烷烃可以提高汽油的辛烷值，同时，因异构化产生叔碳原子而增加了化学反应的活性。,2.5.4裂化、裂解和脱氢,裂化反应:隔绝氧气,高温下,化合物发生键断裂的反应。一般生成分子量更小的烷，烯和氢气。催化裂化，又叫催化重整。,高温裂化，又叫高温裂解，一般高于750,o,C,石油化工：汽油，辛烷值，2,2,4三甲基戊烷值为100，,正庚烷为0,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,1 2 3 4 5 6 7 8 9,9 8 7 6 5 4 3 2 1,10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,2，7二甲基8乙基癸烷,2，3，8三甲基6乙基壬烷,