烷烃有机化学

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第二章 烷烃,只含有碳碳（C-C）单键和碳氢（C-H）单键,碳氢化合物, 由碳和氢两种元素形成的有机化合物的总称，又称,烃,（,hydrocarbon,）,烃,芳香烃,脂肪烃,烷烃,炔烃,烯烃,2.1 烷烃的通式和构造异构,甲烷(CH,4,) CH,4,乙烷 (C,2,H,6,) CH,3,CH,3,丙烷 (C,3,H,8,) CH,3,CH,2,CH,3,Bp: -160,Bp: -89,Bp: -42,通式,：,C,n,H,2n+2,同系列, 结构相似，而组成上相差,CH,2,（系差）,或它的倍数的许多化合物所组成的系列。,同系物结构相似, 化学性质相近。,同分异构体,（,I,somers）, 分子式相同而结构不同的化合物。,构造异构,立体异构,构造异构体, 分子内原子的排列顺序不同所产生的异构体,正丁烷,CH,3,CH,2,CH,2,CH,3,异丁烷,(CH,3,),3,CH,Bp: -0.4,Bp: -10.2,思考：,C,6,H,14,共有几种同分异构体？请写出其构造式,共5种,解答,表 2.1 烷烃异构体的数目,CH,4,1 C,8,H,18,18,C,2,H,6,1 C,9,H,20,35,C,3,H,8,1 C,10,H,22,75,C,4,H,10,2 C,15,H,32,4,347,C,5,H,12,3 C,20,H,42,366,319,C,6,H,14,5 C,40,H,82,62,491,178,805,831,C,7,H,16,9,2.2 烷烃的命名,碳原子和氢原子的分类及烷基的概念,烷烃中碳和氢的种类,伯,C,（1,）,仲,C,（ 2,）,叔,C,（ 3,）,季,C,（ 4,）,但是氢原子只有 伯,H, 仲,H, 叔,H,烷基,烷烃分子中从形式上消除一个氢的部分,，通常用,R-,表示,甲基,CH,3,-,乙基,CH,3,CH,2,-,注意,烷烃分子,和,烷基,中碳级别的不同,前缀,：,正,( n ),异,( i ),仲,( s ),叔,( t ),新,( neo ),(normal) (iso-) (second) (tert-),缩写：,甲基,（Me,），乙基（,Et,），丙基（,Pr,），,丁基（,Bu,），戊基（,amyl,），己基（,hex,）,亚烷基：,烷烃分子中从形式上去掉两个H生成的基团,次烷基：,烷烃分子中从形式上去掉三个H生成的基团,亚甲基,亚乙基,亚异丙基,1,2-亚乙基,1,3-,亚丙基,次甲基,次乙基,习惯命名法,C1 C10,甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳数，,“某烷”, C10,直接用数字表示碳数,“正”，“异”，“新”区别不同异构体,CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,戊烷,异,戊烷,新戊烷,习惯命名法的局限,己烷,异,己烷,新,己烷,?,?,系统命名法,（IUPAC,Rules,）,1.,选主链：,选最长碳链作主链, 并以此链为母体烷烃.若遇多个等长碳链, 则取代基多的为主链。,表2-2 直链烷烃的系统命名,碳数,名称,结构,1,甲烷,CH,4,2,乙烷,CH,3,CH,3,3,丙烷,CH,3,CH,2,CH,3,4,丁烷,CH,3,CH,2,CH,2,CH,3,5,戊烷,CH,3,(CH,2,),3,CH,3,6,己烷,CH,3,(CH,2,),4,CH,3,7,庚烷,CH,3,(CH,2,),5,CH,3,8,辛烷,CH,3,(CH,2,),6,CH,3,9,壬烷,CH,3,(CH,2,),7,CH,3,10,癸烷,CH,3,(CH,2,),8,CH,3,11,十一烷,CH,3,(CH,2,),9,CH,3,2. 编号:,近取代基端开始编号, 并遵守“最低系列编号规则”。取代基距链两端位号相同时, 编号从次序小的基团端开始。,顺序规则,单原子取代基,按原子序数大小排列,.,原子序数大,顺序大； 原子序数小,顺序小；同位素中质量高的,顺序大。,多原子基团第一个原子相同,则依次比较与其相连的其它原子。,含双键或叁键的基团,则作为连有两个或叁个相同的原子。,次序大的基团称,较优基团,。,3.,命名：,按基团次序规则，较小的基团列在前。,5-丙基-4-异丙基壬烷,1,2,3,4,5,6,7,8,9,注意,相同取代基数目用汉文数字二(,di,)、三(,tri,) 、四(,tetra,),.表示；,取代基位号用阿拉伯数字表示；,阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开；,阿拉伯数字之间必须用逗号分开,。,7-甲基-3,3,6-三乙基癸烷,2-甲基-5-异丙基辛烷,4. 含复杂支链烷烃的命名,支链上连有取代基, 则从和主链相连的碳原子开始将支链 碳原子依次编号, 并将支链上取代基位号、名称连同支链 名写在括号内。,2-甲基-5-(1,1-二甲基丙基)癸烷,2.3 甲烷的结构,碳原子轨道的sp,3,杂化,正西面体,键角 = 109.5,键长 = 110 pm,碳原子的电子排布,只有两个未成对电子,只能形成两个,键,两个键应该相互垂直,2,s,2,p,2,s,2,p,一个电子受激发从 2,s 轨道,跃迁至 2,p,轨道,sp,3,轨道杂化,2,s,2,p,2,p,2,s,sp,3,轨道杂化,2,p,2,s,sp,3,轨道杂化,2,s,轨道与3个2,p,轨道杂化,2,p,2,s,sp,3,轨道杂化,2sp,3,形成4 个等同的轨道,sp,3,轨道杂化,sp,3,轨道杂化,杂化,四个,sp,3,轨道,一个,sp,3,轨道,甲烷中的 CH,键,s,sp,3,+,C,HC,形成,键,H,+,C,H,+,键的的形成及其特性,乙烷的结构,碳碳单键的旋转也需要克服一定的能量，从而产生了构象的概念,乙烷（Ethane）的构象,构象,：由于围绕键旋转而产生的分子种原子或基团在空间的不同排列。,2.4 烷烃的构象,重叠式,重叠式构象,乙烷,交叉式构象,乙烷,乙烷,交叉式构象,乙烷交叉式构象的表示法,Newman投影式,透视式,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,180,反式交叉式构象,反式交叉式构象两个键夹角为180,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,60,邻位交叉关系,邻位交叉式构象两个键夹角为60,.,0 60 120 180 240 300 360,12 kJ/mol,乙烷交叉式构象比重叠式构象能量低 12 kJ/mol.,由交叉式构象转变为重叠式构象需要克服扭转能.是由电子对之间的斥力（扭转张力）所引起的,.,扭转张力,丁烷,（,Butane,）,的构象,正丁烷,异丁烷,丁烷的构象，把C1和C4作甲基，然后C2-C3键旋转，其不同的构象可用纽曼式表示如下：,=0,360,=60,=120,=180,=240,=300,全重叠式,顺交叉式,部分重叠式,反交叉式,部分重叠式,顺交叉式,顺叠,sp,顺错,+sc,反错,+ac,反叠,ap,反错,-ac,顺错,-sc,A B C D E F,.,直链烷烃的构象,正己烷,直链烷烃最稳定的构象是所有原子都处于对位交叉式,2.5,烷烃的物理性质,沸点 Boiling Points：与分子间的,van der Waals,力有关,随碳原子数目增加而升高,原子数目越多，电子越多，产生诱导偶极的几率会增加,庚烷 bp 98,辛烷 bp 125,壬烷 bp 150 ,支链越多，沸点越低,空间位阻大,辛烷: bp 125,2-甲基庚烷: bp 118,2,2,3,3-四甲基丁烷: bp 107,熔点,分子结构对称性越好，其熔点越高。,因此偶数碳的直链烷烃高于奇数碳的直链烷烃，甲烷高于丙烷，新戊烷高于戊烷。,溶解度,烷烃不溶于水，溶于非极性溶剂,密度,烷烃的密度均小于1（0.424-0.780）,2.6 烷烃的化学性质,化学性质取决于分子的结构。,C-C、C-H,键。键能较大，极性较小，烷烃稳定。,高温、光照等条件下烷烃具有反应活性。,1.卤代反应甲烷卤代反应甲烷卤代.gif,1) 氯代,氯分子在光照或高温下裂解（均裂），产生自由基：,产生甲基自由基：,链增长 ,产生新的氯自由基：,链引发,链增长 ,2）反应机理：,自由基取代反应,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。,氯甲基自由基的形成,：,链增长 ,氯甲基自由基再与氯分子作用，生成二氯甲烷及氯原子：,链增长 ,.,自由基之间碰撞，形成稳定分子，反应终止：,链终止,讨论题,1）将氯气用光照射后在黑暗中放置一段时间再与甲烷混合，会发生氯代反应吗 ？,2）甲烷氯代易得氯代烷的混合物，为什么？,3）甲烷和氯气同时光照，为什么不引发甲基自由基？,3) 活化能与反应速率,活化能(activating energy)：,过渡态与反应物之间的能量差。,反应进程,E/kJmol,-,H,0,=+4kJmol,-1,E,act,=+16,Jmol,-1,CH,4,+ Cl,CH,3,Cl + Cl,CH,3,HCl,CH,3,ClCl,CH,3, +HCl+Cl,2,H,0,= ,106,Jmol,-1,E,act,=+,8.3,Jmol,-1,在甲烷氯代的多步反应中, 哪一步是控制反应速率的？,反应速率最慢的一步, 速度控制步骤,活化能越小，反应速率越快；,活化能越大，反应速率越慢,第一步 Ea= +16.7kJ/mol,第二步 Ea= +8.3kJ/mol,4）卤代反应的取向与自由基稳定性,1,o,H与2,o,H被取代的概率为: 6,2,氢的相对反应活性： 1,o,H:2,o,H = (45/6) : (55/2 ) = 1 : 3.8,1,o,H与3,o,H氢被取代的概率为: 9:1,氢的相对反应活性： 1,o,H : 3,o,H = ( 64/9):(36/1) = 1 : 5,CH,3,CH,2,CH,3,+,Cl,2,CH,3,CH,2,CH,2,Cl,+,CH,3,CHCH,3,丙烷,氯丙烷,45%,2-,氯丙烷,(55%),Cl,自由基的稳定性,仲自由基, 2,o,自由基,伯自由基, 1,o,自由基,H,0,= +395 kJ mol,-1,H,0,= +410 kJ mol,-1,CH,3,CHCH,3,CH,3,CH,2,CH,3,CH,3,CH,2,CH,2,3,o, 2,o, 1,o, methyl,相对稳定性,:,更不稳定,更稳定,5) 卤素的活性与选择性,卤素的活性：F Cl Br I,氯化试剂活性高，溴化试剂活性低。,卤代反应的选择性：I ,Br Cl ,F ),影响卤代产物异构体相对产率的主要因素：,概率因素、H原子的反应活性、X原子的反应活性,1.将下列戊基自由基按稳定性排列成序，并简单说明理由：,CH,3,CHCH(CH,3,),2,.,a,CH,2,CH,2,CH(CH,3,),2,.,b,CH,3,CH,2,C(CH,3,),2,.,c,2.如果烷烃中的伯氢、仲氢和叔氢被氯代时的活性比是1:3.8:5, 计算2-甲基丁烷被一氯代时的产物的相对比及各产物的百分比。,练 习,c a b,1 伯氢：16=6,4 伯氢：13=3,仲氢：3.82=7.6,叔氢：51=5,产物相对比: 1伯: 4伯: 仲 :叔 = 6 :3 : 7.6 : 5,3.某烷烃A，分子式为C,6,H,14,，氯代时可以得到两种一氯代产物。试推测烷烃A的结构。,4.所有分子式为C,5,H,12,或C,8,H,18,的烷烃中，那些结构的烷烃只能得到一种一氯代产物？,2.氧化反应,在空气中燃烧：,在催化剂下可以使,烷烃部分氧化，生成醇、醛、酸等,3 裂化反应,：,没有氧气的条件下进行的分解反应,热裂化 ：,无催化剂，500700,催化裂化：,450500常用催化剂Al,2,(SiO,3,),3,裂解：,深度裂化700，获得低级烯烃，如：C,2,H,4,，C,3,H,6,丁二烯、乙炔等,4 异构化反应：,催化重整,2,2,4-Trimethylpentane(辛烷值）,Octane,2.6,烷烃的来源,主要来源：,石油（分馏）与天然气（低级烷烃）,原油,天然气,C,1,-C,4,轻汽油,(bp: 25-95 C),C,5,-C,12,石脑油,(bp 95-150 C),煤油,(bp: 150-230 C),C,12,-C,15,柴油,(bp: 230-340 C),C,15,-C,25,残渣,制备方法,1.Wurtz合成法：,2.卤代烷与二烷基铜锂的偶联 Corey-House合成,其他合成法,：,小结,同系列和构造异构,烷烃的命名,烷烃的结构：,sp,3,杂化,烷烃的物理化学性质：,自由基取代,来源与制法,