有机化学02第二章饱和烃(烷烃).ppt

1 第二章饱和烃 烷烃 目的要求 掌握烷烃的同分异构现象及系统命名方法 掌握烷烃的结构及杂化轨道理论 掌握烷烃的性质 了解烷烃的来源及用途 2 只有碳氢两种元素的原子组成的化合物叫碳氢化合物 简称烃 烃是化学人造字 碳中之火加氢中之组合而成 烃为碳氢的谐音 烃是最基本的有机化合物 习惯上把它们看成是有机化合物的母体 火 烃 在烷烃分子中 碳原子与氢原子的结合已达到了最高限度 不能再增加了 故烷烃又叫饱和烃 前言 3 烃的分类 4 2 1同系列与同分异构 一 烷烃的同系列 烷烃是碳氢化合物 我们以H H为起点 依次插入CH2可以导出所有的烷烃 同系列 具有相同的通式 结构相似 组成上相差CH2及其整数倍 化学性质也相似 物理性质随碳数的增加有规律地变化的化合物系列 组成上的差叫同系差 烷烃的通式 CnH2n 2 同系物 同系列中的各化合物互为同系物 甲烷 乙烷 丙烷 5 同系列的提出为我们学习有机化学提供了方便 对于同一类化合物 我们只要研究其中几个典型代表就可推知其他化合物的性质 二 烷烃的同分异构 构造异构现象 同分异构 构造异构 是指分子式相同 分子中的原子的成键顺序或连接顺序不同 构造 指分子中原子互相连接的方式和次序 6 对于烷烃的构造异构 实质上是碳架异构 即分子式相同 碳架不同 C 戊烷 正戊烷 2 甲基丁烷 异戊烷 2 2 二甲基丙烷 新戊烷 碳原子 氢原子的分类 1oC2oC3oC4oC1oH2oH3oH 一级二级三级四级伯仲叔季 7 一 普通命名法 2 2烷烃的命名 1 直链的烷烃 没有支链 叫做 正某烷 1 10个碳的烷烃用甲 乙 丙 丁 戊 已 庚 辛 壬 癸表示 10以后用大写数字表示 十一 十二 2 含支链的烷烃 为区别异构体 用 正 normal n 直链 异 iso i 一末端有两个甲基 新 neo 季碳 等词头表示 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 正己烷 异己烷 新己烷 8 烷基 1 烷基的命名 烷基词头 正n normal 仲s second 异i iso 叔t tertio 新neo neo 烷烃 去掉一个H生成的一价原子团叫烷基R CnH2n 1 去掉两个H生成的二价原子团叫亚某基 去掉三个H生成的三价原子团叫次某基 亚甲基 亚乙基 次甲基 9 注意异丁基与仲丁基的区别 注意叔戊基与新戊基的区别 10 二 系统命名法 说明 IUPAC命名法与系统命名法并不等同 IUPAC命名法 是国际纯粹与应用化学联合会 InternationalUnionofPureandAppliedChemistry 简称IUPAC 制定的命法 系统命名法 是中国化学会 CCS Chinesechemicalsociety 根据IUPAC的命名原则 结合我国文字特点所制定的命名法 在系统命名法中 1 直链烷烃的命名与普通命名法相同 前面不需要 正字 2 支链烷烃的命名分 三步曲 选主链 编号 命名 命名遵循 最长 最近 最多 最小 和 次序规则 具体步骤如下 11 三步曲 选主链 选择最长碳链作为主链 其它侧链作为取基 如果主链一样长 选含支链最多的为主链 12 编号 从最靠近取代基的一端起依次给主链碳原子编号 4 甲基 3 乙基庚烷 最低系列法 当取代基相同且取代基编号相同时 使取代基编号的和最小 因2 3 5小于2 4 5 故取黑色方向编号为主链 2 3 5 三甲基己烷 13 当取代基不同且取代基离端基等距时 编号遵守 次序规则 以 较小 基团的基端开始编号 先小后大 2 甲基 5 氯己烷 次序规则 1 原子序数小的为 较小 基团 I Br P O N C H 同位数D H 2 如第一个原子相同 比较与第一个原子相连的其它原子原子序数 14 例如 4 丙基 6 异丙基壬烷 丙基 第一层原子 C 第二层次原子 C H H 异丙基 第一层子 C 第二层次原子 C C H 结论 较小 基团为丙基 15 命名 化合物名称的书写 取代基位次 取代基名称 母体名称 书写规则 1 相同取代基合并 数目用汉文数字二 三 表示 2 取代基位号用阿拉伯数字表示 3 阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开 4 阿拉伯数字之间必须用逗号分开 5 中文名称按基团次序规则 较小的基团列在前 2 2 4 三甲基 3 乙基戊烷 16 2 甲基 5 1 1 二甲基丙基 癸烷 17 2 3烷烃的结构 1烷烃的结构特征 1 碳原子都是以SP3杂化轨道成 呈四面体结构 2 各个碳都是四面体构型 每个键键角约为109 28 3 分子中的化学键都是 键 键可自由旋转 稳定C C键的平均键长为154pm 0 154nm C H键的平均键长为107pm 0 107nm 1874年 范特霍夫 VantHoff J H 和勒贝尔 LeBel J A 分别提出碳四面体构型学说 C原子的四面体概念 18 2碳原子的sp3杂化 C原子基态电子排布 有2个未成对电子 应该是二价的 但碳原子实际上是四价的 是因为碳原子轨道发生了杂化 所谓杂化 能量相近的原子轨道可以在原子内部进行混合组成新的轨道 杂化轨道 P Pauling 1931 杂化轨道理论用以解释 为什么基态下外层只有两个未成对电子的碳原子在有机化合物中总是保持四价 且在烷烃分子中还具有四面体的构型 19 杂化过程 2s轨道的能量与2p较接近 2s上的1个电子可以激发到2pz空轨道上 激发态的碳原子有4个单电子 但轨道能量不等 杂化形成4个能量相等的新轨道sp3轨道 20 杂化轨道的特征 1 形成四个完全等同的sp3杂化轨道 每个sp3轨道 各含1 4s成份 3 4p成份 2 这些轨道具有最佳的空间取向 指向正四面体的顶点 彼此间的夹角为109 28 保持了最大程度的远离 3 杂化轨道具有更强的方向性 负瓣减弱 正瓣加强 增强了成键的能力 21 3烷烃分子的形成 22 键 形成 由原子轨道头碰头重迭而形成 特征 电子云沿键轴呈圆柱状对称分布 成键两原子可围绕键轴自由旋转不会影响电子云密度的分布 4烷烃分子构型的表示 构型 指具有一定构造的化合物分子中的原子在空间的排列形式 构造 指分子中的原子相互连接的顺序及方式 甲烷分子的楔形式 乙烷分子的楔形式 简言之 楔前 虚后 实平面 23 所谓直链烷烃 碳链并非是直的 只是它不含侧链而已 C3的直链烷烃固态时碳链呈锯齿状 气态 液态下由于围绕 键的旋转而呈多种不规则的形状 戊烷的多种不规则形状 24 2 4丁烷和乙烷的构象 构象 指具有一定构型的化合物分子中的原子或基团 由于围绕碳 碳单键的旋转而产生的在空间的不同排列式 1乙烷的构象 交叉式 重叠式 凯库勒模型 锯架 透视 式 纽曼 投影 式 凯库勒模型 25 能量分析 2H之间的距离 0 250nm0 229nm 2H原子的范德华半径之和 0 24nm 交叉式 0 250nm 0 24nm无范氏张力 0 229nm 0 24nm有范氏张力 重迭式 26 乙烷分子的构象稳定性和内能变化 构象的稳定性与内能有关 内能低 稳定 内能高 不稳定 内能最低的稳定构象称优势构象 稳定性 交叉式 重叠式 乙烷的优势构象是交叉式 扭转能 使构象之间转化所需要的能量 27 乙烷的构象势能图 28 纽曼 投影 式的写法 2 丁烷的构象 丁烷有四种构象 全重迭式 部分重迭式 邻位交叉式 全交叉式 29 60度 60度 60度 60度 60度 60度 全交叉式 部分重迭式 邻位交叉式 部分重迭式 邻位交叉式 全重迭式 30 2丁烷各种构象的内能变化 31 相对能量 全重迭式 部分重迭式 邻位交叉式 全交叉式 顺迭式 反错式 顺错式 反迭式 极少极少32 68 全重迭式 邻位交叉式 部分重迭式 全交叉式 32 物理性质包括 外观 状态 颜色 气味 味道 物理常数 熔点 m p 沸点 b p 密度 d 折光率 nD 比旋光度偶极矩 溶解度等 2 根据物理性质来分离提纯化合物 1 用来鉴别化合物或判别化合物的纯度 一 研究物理性质的意义 2 5烷烃的物理性质 33 二 烷烃的物理性质 1 熔点 m p 分子熔点的高低取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度 烷烃分子之间只有极弱的色散力 1 随分子量的增大而升高 C1 C4不规则 2 分子量相同时 分子的对称性越好 m p越高 2 沸点 b p 烷烃为非极性分子 一般b p都较低 随分子量的增大而升高 分子量相同时 支链越多 b p越低 34 正 异 新 戊烷熔点 沸点的比较 b p 36289 5m p 130 160 17 35 3 密度 小于1 在0 466 0 812之间 4 偶极矩 分子之间只有极弱的色散力 分子没有极性或仅有极弱的极性 正烷烃的偶极矩都等于零 0 5 溶解度 不溶于水易溶于非极性溶剂 如苯 四氯化碳等 2 6烷烃的化学性质 烷烃的结构特点与反应活性 1 烷烃分子中的键强度大 键能高不易断裂 C CC H345 6415 5 KJ mol 2 烷烃分子中电子云密度分布均匀 因而不易接受富电子或缺电子试剂的进攻 36 故 烷烃化学性质不活泼 室温下与强酸 强碱 强氧化剂 强还原剂不发生反应 但烷烃在高温或光照下能够进行反应 1 氯代反应 连锁反应或链式反应 产物是各种氯代甲烷的混合物 氟代反应太剧烈 以爆炸式进行 难以控制 碘原子不活泼使取代反应难以发生 故烷烃的卤代反应通常是指氯代和溴代反应 反应活性 F Cl Br I 37 甲烷氯化机理 自由基机理 链引发 链增长 链终止 特征 在光照 加热或催化剂存在的条件下进行 有自由基中间体生成 均裂反应 如有氧或一些能捕捉自由基的杂质存在 反应有一个诱导期 诱导期长短与这些杂质的多少有关 阻抑剂 38 甲烷氯代反应过程势能变化图 39 其它烷烃的卤代反应 中间体自由基稳定性 自由基 具有单个未成对电子的原子或基团叫自由基 卤代反应是通过自由基活性中间体进行的 反应的活性取决于相应的烷基自由基是否容易生成 自由基越稳定 就越容易生成 反应活性就越大 自由基的结构 碳为sp2杂化 未杂化的p轨道有一个单电子 属于缺电子体系 不稳定 反应活性高 40 自由基的构型 41 自由基的相对稳定性 叔碳 30C 仲碳 20C 伯 10C 烯丙基型 30 20 10 甲基 乙烯型 42 离解能3oH 2oH 1oH CH3 H 大量实验证明 活泼性3oH 2oH 1oH 碳原子上的氢越活泼 就越容易离去 自由基就越容易生成 生成的自由基就越稳定 2 氧化和燃烧 氧化反应 加氧去氢的反应 反之 叫还原反应 2 7自然界的烷烃 自学 43 作业 P27 29 2 2 a c d h 2 3 2 4 e f g h 2 7 2 9 2 11 2 12 2 15 2 16