有机化学课件(徐寿昌)2.ppt

Chapter2烷烃 1 开链烃 链烃 又叫脂肪烃 可分为 烷烃 烯烃 二烯烃 炔烃等 2 闭链烃 环烃 又分为 脂环烃和芳香烃两类 一 烃的定义 二 烃的分类 分子中只含有C H两种元素的有机化合物叫碳氢化合物 简称烃 2 1烷烃的通式 同系列和构造异构 烃 分子中只含有C和H两种元素的有机化合物 烷烃 分子中只有C C和C H键的脂肪烃 又叫饱和烃 1 通式 CnH2n 2 甲烷CH4 乙烷C2H6 CH4 CH3CH3 名称分子式构造式构造式的简写式 名称分子式构造式构造式的简写式 丙烷C3H8 丁烷C4H10 戊烷C5H12 CH3CH2CH3 CH3 CH2 2CH3 CH3 CH2 3CH3 2 构造异构体 分子式相同 但它们的构造不同 分子中各原子相连的方式和次序不同 的同分异构体 烷烃分子中 随着C原子数的增加 构造异构体的数目也越多 同分异构体是两种不同的化合物 物理性质有一定的差异 一般直链烷烃的沸点高于支链异构体 沸点正戊烷 36 1 异戊烷 29 9 新戊烷 9 4 3 同系物 同系列 在组成上相差一个或多个CH2 且结构和性质相似的一系列化合物 同系物 同系列中的各化合物互称 系差 同系列相邻的两个分子式的差值CH2 同系物具有相似的化学性质 物理性质 熔沸点 密度 等随分子量的改变呈规律性的变化 伯碳原子 第一碳原子 1 与一个C相连 其它三个键结合H仲碳原子 第二碳原子 2 与两个个C相连 其它两个键结合H叔碳原子 第三碳原子 3 与三个C相连 其它一个键结合H季碳原子 第四碳原子 4 与四个C相连 不结合结合H 4 烷烃中碳原子的分类 与伯 仲 叔碳原子相连的H原子 分别称为伯 仲 叔H原子 如 烷烃去掉一个氢原子后的原子团 常用R 或 CnH2n 1 表示 所以烷烃又可用通式RH表示 5 烷基 仲烷基 直链烷烃去掉一个仲氢原子所得的烷基 用 sec 表示 eg 仲丁基sec 丁基 正烷基 直链烷烃去掉一个末端氢原子所得的原子团 命名时 正 字常用n 代表 eg 正丙基CH3CH2CH2 n 丙基 异烷基 n 0 型的烷基叫异烷基 用 iso 表示 eg 异戊基 叔烷基 去掉一个叔氢原子所得的烷基 用 t 或 tert 表示 eg 叔丁基 常用基团的英文简写 Me 甲基 Et 乙基 n Pr 正丙基 i Pr 异丙基 n Bu 正丁基 t Bu 叔丁基 三级丁基 Ar 芳基 Ph 苯基 Ac 乙酰基 R 烷基 最早根据碳原子数命名 甲烷 乙烷 丙烷 对于支链烷 异构体 常用正 异 叔 新等形容词以示区别 2 2烷烃的命名 一 习惯命名法 正戊烷异戊烷新戊烷 如戊烷的三个异构体 二 衍生物命名法以甲烷为母体 将其它烷烃看作是甲烷的烷基衍生物 选择连有烷基最多的碳原子作为甲烷碳原子 把与此碳原子相连的基团都看作甲烷的取代基 如 异丁烷三甲基甲烷 异戊烷二甲基乙基甲烷 新戊烷四甲基甲烷 三 系统命名法 IUPAC 1 直链烷烃按碳原子数命名10以内 依次用天干 甲乙丙丁戊己庚辛壬癸 烷10以上 用中文数字 十一 十二 烷 乙烷 己烷 十二烷 2 带有支链的烷烃 可看作直链烷烃的衍生物 命名时遵循下列原则 选主链 选择最长碳链 支链数目最多的为主链 上例中最长连续碳链有八个碳原子 该化合物母体的名称为辛烷 六个碳的主链上有四个取代基六个碳的主链上有两个取代基 上例中最长的六个碳原子的碳链有两条 I 式的支链较多 该化合物的母体名称为己烷 从最接近取代基的一端开始 使取代基位次最小 编号 小基团 小序号 编号正确编号不正确 最低系列原则 如果碳链从不同方向编号得到两种 或两种以上 不同编号系列时 则遵循 最低系列 原则 即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 先比较两个系列中的第一个取代基位次 若相同则比较第二个取代基 依此类推 1234567891011 1110987654321 3 5 9 3 7 9 若两种编号取代基的位次相同 则把小的编号给小的取代基 如 1234567 7654321 a 把它们在母链上的位次作为取代基的前缀 用半字线 与取代基分开 如2 甲基 b 有不同取代基时 简单的取代基 或原子 基团 放在前面 复杂的放在后面 按 次序规则 确定列出顺序 较优基团后列出 c 相同的取代基可以合并 但应在基团名称之前写明位次和数目 数目用汉文数字二 三 四 表示 d 位次数字之间须用逗号 隔开 位次与基名之间需用短线 相隔 最后一个基名和母体名称直接相连 命名取代基 4321 2 2 二甲基丁烷 321 456 3 4 二甲基己烷 举例 取代基最多 小基团在前取代基相同要合并 2 5 二甲基 4 异丁基庚烷 3 甲基 5 乙基庚烷 2 7 8 三甲基癸烷 1234567 12345678910 7654321 10987654321 练习 CH3CH CHCH2CHCH2CH3CH3CH3CH2CH CH3CH32 3 7 三甲基 5 乙基辛烷 2 3烷烃的结构 一 甲烷的结构和sp3杂化轨道 甲烷的四面体结构 sp3杂化轨道 一个s轨道与三个p轨道形成四个sp3杂化轨道 基态1s22s22px12py1 1s22s12px12py12pz1激发态 键 凡是成键电子云对键轴呈圆柱形对称的键均称为 键 以 键相连的两个原子可以相对旋转而不影响电子云的分布 甲烷的四个C H 键 二 其它烷烃的结构 乙烷的C C 键 Stuart模型 据测定 除乙烷外 烷烃分子的碳链并不排布在一条直线上 而是曲折地排布在空间 这是烷烃碳原子的四面体结构所决定的 因此书写构造式时也常用键线式表示 只要写出锯齿形骨架 用锯齿形线的角 120 及其端点代表碳原子 不需写出每个碳上所连的氢原子 但除氢原子以外的其它原子必须写出 如 2 4烷烃的构象 在有机物分子中 以单键相连的碳原子可以围绕着碳碳 键相对旋转 随着碳原子的旋转 其他原子团在空间的相对位置也不断地变化 因而会出现不同的空间排布形象 这种由于围绕 键轴旋转 而引起的分子中原子或原子团形成不同的空间排布形象 称为构象 分子的不同构象称为构象异构 一 乙烷的构象 乙烷分子中的碳碳单键可以自由旋转 在旋转过程中 由于两个甲基上的氢原子的相对位置不断发生变化 可得到无数种不同的构象 但其中典型的构象有两种 一种是交叉式构象 在这种构象中一个甲基上的氢原子正好处在另一个甲基的两个氢原子之间的中线上 一种是重叠式构象 在这种构象中碳原子上的氢彼此处于相互对映的位置 交叉式构象和重叠式构象只是乙烷无数构象中的两种极端的情况 其它构象都介于两者之间 称为扭曲式构象 1 乙烷的球棒模型 乙烷的交叉式构象 乙烷的重叠式构象 3 纽曼投影式 重叠式构象交叉式构象 重叠式构象交叉式构象 2 锯架透视式 为了便于观察和应用 常用透视式和纽曼式 Newman 投影式表示其构象 根据纽曼投影式写出其结构式 重叠式 交叉式构象比较 交叉式构象因两个碳原子上的氢原子距离最大 其排斥力较小 分子内能最低 因而较稳定 为优势构象 乙烷分子各种构象的能量曲线 12 6kJ mol 二 丁烷的构象 丁烷C 2 C 3 键旋转引起的各构象的能量变化 2 5烷烃的物理性质 2 沸点 与范德华引力有关 相对分子量增加 分子间的范德华引力增加 导致沸点升高 1 聚集状态 C1 C4 g C5 C17 C17 支链增加影响沸点 降低接触面从而减低分子间引力 同数碳原子的构造异构体中 分子的支链越多 则沸点越低 例如 正丁烷 0 5 异丁烷 11 7 正戊烷 36 1 异戊烷 27 9 新戊烷 9 5 a基本上随分子量的增加而增加 奇数和偶数碳 b分子的对称性增加 它们在晶格中的排列越紧密 熔点也越高 因为晶体分子间的作用力不仅取决于分子的大小 也取决于他们在晶格中的排列 3 熔点 例如 正戊烷m 129 8 异戊烷m 159 9 新戊烷m 16 8 4 相对密度 随着相对分子量的增加而有所增加 最后接近0 8左右 作用力随着分子质量的增加而增加 使分子间的距离相对地减少的缘故 5 溶解度 结构相似者相溶当溶剂分子之间的吸引力和溶质分子之间 以及溶剂分子与溶质分子之间的相互吸引力相近时 溶解容易进行 思考题 P39 5 不要查表将下列烃类化合物按沸点降低的次序排列 1 2 3 二甲基戊烷 2 正庚烷 3 2 甲基庚烷 4 正戊烷 5 2 甲基己烷 答 3 2 5 1 4 2 6烷烃的化学性质 烷烃分子中原子间都是 键结合的 不易断裂 故其化学性质非常稳定 是一类不活泼的有机化合物 在一般条件下 烷烃与强氧化剂 强还原剂 强酸 强碱等都不起反应 但在一定条件下 例如高温 高压 光照或催化剂影响下 也能发生一些化学反应 烷烃在空气或氧气中完全燃烧生成二氧化碳和水 并放出大量的热 这是汽油 柴油作为内燃机燃料的基本变化和根据 例如 CH4 2O2 CO2 2H2O 881kJ molCH3CH3 7O2 4CO2 6H2O 1538kJ mol 1 氧化反应 热裂解 条件 催化剂KMnO4 MnO2或脂肪酸锰盐 120 1 5 3MPa其中C10 C20的脂肪酸可代替天然油脂制取肥皂 2 异构化反应 定义 由一个化合物转变为其异构体的反应 工业上将直链烷烃异构化为支链烷烃可提高汽油质量 3 裂化反应 裂化 在高温下使烷烃分子发生裂解的过程 碳原子数越多 裂化产物越复杂 是烷烃分子中的C C键和C H键的断裂形成复杂的混合物 有较低级的烷烃 也有烯烃和氢 热裂化反应 通常在5MPa及500 600 下进行的裂化反应催化裂化 在催化剂存在下的裂化 催化裂化一般在450 500 常压下进行 能提高汽油的质量 高辛烷值 2 2 4 三甲基戊烷为100 裂解 在更高温度下 700 进行深度裂化 得到更多低级烯烃 4 卤代反应 自由基反应烷烃分子中的氢原子被其它原子或原子团所取代的反应称为取代反应 若被卤原子取代则称为卤代反应 烷烃有实用价值的卤代反应是氯代和溴代反应 因为氟代反应非常剧烈且大量放热 不易控制 碘代反应则较难发生 卤代反应活性次序为 F2 Cl2 Br2 I2 氯和溴在室温和黑暗中不与烷烃发生反应 如果在强烈日光照射下 则发生猛烈反应 甚至发生爆炸 在漫射光 加热或某些催化剂存在下 氯 溴与烷烃反应较温和 其分子中的氢原子逐步被氯 溴取代 生成多种取代产物 下面以氯代反应为例进行讨论 1 甲烷的氯代反应 一般甲烷的氯化反应得到四种氯代产物的混合物 控制甲烷和氯气的摩尔比和反应时间可控制产物的组成 2 其他烷烃的卤代反应 43 57 丙烷中仲氢与伯氢的反应活性之比为 57 2 43 6 4 1异丁烷中叔氢与伯氢的反应活性之比为 36 1 64 9 5 1 烷烃中H反应活性顺序为 3oH 2oH 1oH 烷烃分子中氢原子活泼性的不同也可用键离解能的不同来解释 键离解能 kJ mol 伯氢CH3CH2CH2 H410仲氢 CH3 2CH H395叔氢 CH3 3C H380 碳 叔氢键的离解能最小 说明这个键最容易断裂 所以叔氢原子的活泼性最高 对氯代反应而言 氢原子的反应活泼性3 H 2 H 1 H 5 4 1 对溴代反应而言 3 H 2 H 1 H 1600 82 1因此 溴比氯更具选择性 由于产物混合 复杂 一般不用卤代来制备卤代烃 烷烃与F2作用反应剧烈 不易控制 有时会引起爆炸 与I2作用得不到碘代烷 例题1 例题2 光 光 思考题 写出下列反应的主要产物 2 7烷烃的卤代反应历程 自由基链反应 所有链反应均经链引发 链增长 链终止三个阶段 链引发Cl Cl 能量 Cl Cl 氯原子 氯自由基 产生高能量的自由基Cl 引发反应 链转移 链增长 Cl H CH3 HCl CH3 甲基自由基 CH3 Cl2 CH3Cl Cl 链终止Cl Cl Cl2 CH3 CH3 CH3CH3Cl CH3 CH3Cl 反应历程 由反应物转变成产物所经历的途径 1 反应热 反应物与产物之间的能量差 H 负值为放热 用键离解能估算 CH3 H Cl Cl CH3 Cl H Cl435243349431678780 H 678 780 102kI molCH3 H Br Br CH3 Br H Br435192293366627659 H 627 659 32kI mol 说明 比较反应热 溴代反应比氯代反应缓慢 2 8甲烷氯代反应过程的能量变化 1 Cl Cl 2Cl 243 H 243kJ mol 2 Cl H CH3 H Cl CH3435431 H 4kJ mol 3 CH3 Cl Cl CH3 Cl Cl243349 H 106kJ mol 活化能 过渡态与反应物之间的能量差是形成过渡态所必须的最低能量 也是使该反应进行所需的最低能量 Cl H CH3 H3C H Cl H Cl CH3反应的能量变化 CH3 Cl Cl CH3 Cl Cl CH3 Cl Cl H 106kJ mol 能量变化 110kJ mol 图Cl H CH3 CH3 Cl Cl能量变化 2 9一般烷烃的卤代反应历程 1 链的引发 2 链增长 链传递 3 链终止 X2 2X 光或热 X RH HX R R X2 RX X X X X2R X RXR R R R 从各键的离解能来看 形成各烷基自由基所需的能量 1 CH3 H CH3 H D 435kJ mol 2 CH3CH2CH2 H CH3CH2CH2 H D 410kJ mol 3 CH3 2 CH H CH3 CH H D 395kJ mol 4 CH3 3 C H CH3 C H D 380kJ mol 从丙烷开始 一