汪小兰有机化学课件(第四版)第2章_烷烃

1、第二章第二章烷烃烷烃(alkane)第一节第一节烷烃的同系列及同分异构现象烷烃的同系列及同分异构现象一、烷烃的同系列一、烷烃的同系列二、同分异构体二、同分异构体三、结构式的书写三、结构式的书写四、碳原子和氢原子的种类四、碳原子和氢原子的种类第二节第二节烷烃的命名烷烃的命名一、普通命名法一、普通命名法二、烷基的命名二、烷基的命名三、系统命名法三、系统命名法第三节第三节烷烃的构型烷烃的构型一、碳原子的四面体概念及分子模型一、碳原子的四面体概念及分子模型二、碳原子的二、碳原子的sp3杂化杂化三、烷烃分子的形成三、烷烃分子的形成四、分子立体结构的表示方法四、分子立体结构的表示方法第四节第四节烷烃的构象

2、烷烃的构象一、构象一、构象(conformation)二、乙烷的构象二、乙烷的构象三、正丁烷的构象三、正丁烷的构象第五节第五节烷烃的物理性质烷烃的物理性质第六节第六节烷烃的化学性质烷烃的化学性质一、化学性质稳定一、化学性质稳定二、氧化反应二、氧化反应三、热裂反应三、热裂反应四、卤代反应四、卤代反应第七节第七节烷烃的卤代反应历程烷烃的卤代反应历程一、甲烷的卤代历程一、甲烷的卤代历程二、卤素对甲烷的相对反应活性二、卤素对甲烷的相对反应活性三、氢原子反应活性与自由基的稳定性三、氢原子反应活性与自由基的稳定性一、烷烃的同系列一、烷烃的同系列烷烃分子中碳原子间以单键相连，其余都与氢烷烃分子中碳原子间以单

3、键相连，其余都与氢原子相连。与碳原子结合的氢原子数目已达到最原子相连。与碳原子结合的氢原子数目已达到最高限度，不可能再增加了，所以称为饱和烃（高限度，不可能再增加了，所以称为饱和烃（saturatedhydrocarbon）。）。烷烃的通式：烷烃的通式：CnH2n+2第一节第一节 烷烃的同系列及同分异构现象烷烃的同系列及同分异构现象总目录总目录通式相同，结构相似，化学性质相似，物理通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质随碳原子数的增加而有规律变化的化合物性质随碳原子数的增加而有规律变化的化合物系列系列同系列同系列（homologousseries）：）：同系列中化合物互为同系列中化合物互为

4、同系物同系物（homolog）系列差系列差CH2甲烷甲烷乙烷乙烷丙烷丙烷总目录总目录分子式相同，碳干构造不同分子式相同，碳干构造不同碳干异碳干异构构(constitutionalisomerism)分子式相同，结构不同的化合物为同分异构分子式相同，结构不同的化合物为同分异构体体同分异构体同分异构体正丁烷正丁烷 异丁烷异丁烷二、同分异构体二、同分异构体总目录总目录构造式：构造式：三、构造式的书写三、构造式的书写总目录总目录 键线式（骨架式）：键线式（骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略端点和拐点为碳原子，氢省略 简式：简式：总目录总目录伯碳伯碳（一级碳）（一级碳）1（primary)：直接与一个

5、直接与一个碳原子相连碳原子相连仲碳仲碳（二级碳）（二级碳）2(secondary)：直接与二个直接与二个碳原子相连碳原子相连叔碳叔碳（三级碳）（三级碳）3(tertiary)：直接与三个碳直接与三个碳原子相连原子相连季碳季碳（四级碳）（四级碳）4(quaternary)：直接与四个直接与四个碳原子相连碳原子相连与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称伯、仲、伯、仲、叔氢（叔氢（1H、2H、3H）四、碳原子和氢原子的种类四、碳原子和氢原子的种类总目录总目录例如：例如：总目录总目录 一、普通命名法一、普通命名法 二、烷基的命名二、烷基的命名 三、系统命名法三、系统命名法第二

6、节第二节 烷烃的命名烷烃的命名总目录总目录一、普通命名法一、普通命名法 1.正正(normal)某烷某烷C1C10甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸C10汉文数字汉文数字2.异异(iso)某烷某烷碳链碳链一末端一末端带有两个甲基。带有两个甲基。正己烷正己烷n-hexane总目录总目录衡量汽油品种的基准物质，其辛烷值为衡量汽油品种的基准物质，其辛烷值为100特殊：特殊：总目录总目录 含五或六个碳原子的碳链端含五或六个碳原子的碳链端第二个碳第二个碳原原子为子为季碳原子季碳原子的烷烃称为的烷烃称为“新某烷新某烷”(neohexane)3.新某烷新某烷总目录总

7、目录非新己烷非新己烷一价基：一价基：见教材见教材P14表表2-1二价基：二价基： 三价基：三价基： 二、烷基的命名二、烷基的命名总目录总目录1.直链烷烃：直链烷烃：某烷某烷2.支链烷烃支链烷烃（1）选择主链（母体）：选择碳原子数最多）选择主链（母体）：选择碳原子数最多的碳链为主链的碳链为主链三、系统命名法三、系统命名法总目录总目录例例1、例、例2：给下列有机物选择主链：给下列有机物选择主链总目录总目录虚线框着的是主链虚线框着的是主链 如果两条碳链的碳原子数相同时，选择含如果两条碳链的碳原子数相同时，选择含支链较多的碳链为主链。支链较多的碳链为主链。故选故选A链为主链链为主链例例3：总目录总目录

8、AB a.从靠近取代基一端开始编号；从靠近取代基一端开始编号；（2）主链碳原子的位次编号）主链碳原子的位次编号总目录总目录编号应从左到右，甲基位次较小编号应从左到右，甲基位次较小b.当有几种编号可能时，选择使当有几种编号可能时，选择使取代基具有取代基具有“最低系列最低系列”即使取代基的编号顺次逐项比即使取代基的编号顺次逐项比较为最小的编号。较为最小的编号。取代基编号：（上）取代基编号：（上）2，6，8（下）（下）2，4，8（正确编号）（正确编号）例例4：总目录总目录IUPAC法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。2-甲基己烷（甲基己烷（2-meth

9、ylhexane）a.按按取代基位次、取代基名称、母体名称顺次取代基位次、取代基名称、母体名称顺次书书写，取代基位次和取代基名称之间要用写，取代基位次和取代基名称之间要用半字线半字线“”连接起来，取代基名称和母体名称间则不连接起来，取代基名称和母体名称间则不用半字线连接。用半字线连接。（3）名称的书写次序名称的书写次序总目录总目录b.如果含有几个相同的取代基时，取代基名如果含有几个相同的取代基时，取代基名称前用二、三、四称前用二、三、四等表示其数目，其等表示其数目，其位次则必须逐个注明，位次的阿拉伯数字位次则必须逐个注明，位次的阿拉伯数字之间以之间以“，”隔开。隔开。CH3CH CH2CHCH

10、3CH123456CH3CH3CH32,3,5-三甲基己烷三甲基己烷总目录总目录 在在IUPAC命名法中，英文名称中的一、二、三和命名法中，英文名称中的一、二、三和四等数字用相应的词头四等数字用相应的词头“mono”、“di”、“tri”和和“tetra”等表示，简单的取代基英文数字词头等表示，简单的取代基英文数字词头不参加字母顺序排列，但不参加字母顺序排列，但“iso”,“neo”则参与排则参与排序。序。CH3CH CH2CHCH3CH123456CH3CH3CH32,3,5-三甲基己烷三甲基己烷2,3,5-trimethylhexane总目录总目录2,5-二甲基二甲基-3-乙基己烷乙基己烷

11、3-ethyl-2,5-dimethylhexane总目录总目录2,8-二甲基二甲基-4-乙基壬烷乙基壬烷4-ethyl-2,8-dimethylnonane总目录总目录c.如果含有几个不同的取代基时，按照如果含有几个不同的取代基时，按照“次序次序规则规则（sequencerule）”（中国化学会（中国化学会有机化学命名原则有机化学命名原则规定），规定），“较优较优”基团基团写在后面写在后面，而，而简单基团写在前面简单基团写在前面。 次序规则是为了表达某些有机化合物的立体次序规则是为了表达某些有机化合物的立体化学关系，需决定有关原子或基团的排列次化学关系，需决定有关原子或基团的排列次序。它的主

12、要内容如下：序。它的主要内容如下：总目录总目录单原子取代基按其原子序数大小排列，单原子取代基按其原子序数大小排列，大大者为者为“较优较优”基团基团。若为同位素，则。若为同位素，则质量质量大的为大的为“较优较优”基团基团。例如。例如: :“”表示表示“优于优于”总目录总目录多原子取代基则多原子取代基则逐个原子顺次比较逐个原子顺次比较，排出，排出优先次序。优先次序。 丁基丁基 异丙基异丙基两个基团的第一个原子所连接的原子或基团两个基团的第一个原子所连接的原子或基团相同（相同（C、H、H），则比较第二个原子：），则比较第二个原子：丁基第二个碳：丁基第二个碳：C、H、H；异丙基第二个碳：异丙基第二个碳

13、：C、C、H因此：异丙基丁基因此：异丙基丁基总目录总目录含有含有双键或三键基团双键或三键基团，可以认为连有，可以认为连有两个两个或三个相同原子或三个相同原子。乙烯基第一个原子：乙烯基第一个原子：C、C、H乙炔基第一个原子：乙炔基第一个原子：C、C、C因此：乙炔基乙烯基因此：乙炔基乙烯基总目录总目录d.如果两个不同取代基的位次都符合如果两个不同取代基的位次都符合“最低最低系列系列”时，按次序规则顺序，时，按次序规则顺序，“较优较优”基基团后列出。团后列出。4-丙基丙基-6-异丙基壬烷异丙基壬烷4-isopropyl-6-propylnonane总目录总目录 如果支链上还有取代基时，这个取代了的如

14、果支链上还有取代基时，这个取代了的支链的名称可放在括号中或用带撇的数字支链的名称可放在括号中或用带撇的数字来标明支链中的碳原子。来标明支链中的碳原子。2-甲基甲基-5-（1,2-二甲基丙基）癸烷二甲基丙基）癸烷或或2-甲基甲基-5-1,2-二甲基丙基癸烷二甲基丙基癸烷总目录总目录结结构构构造构造分子中原子的分子中原子的排列顺序排列顺序构型构型分子中原子在分子中原子在空间的排列空间的排列状况状况构象构象由于由于单键的旋转单键的旋转，形成分子中各，形成分子中各原子或原子团的原子或原子团的空间排布空间排布结构结构性质性质用途用途学习的线索：学习的线索：总目录总目录一、碳原子的四面体概念及分子模型一、

15、碳原子的四面体概念及分子模型1.四面体概念四面体概念以甲烷为例以甲烷为例CH键长：键长：0.109nmHCH键角：键角：10928CHHHH第三节第三节 烷烃的构型烷烃的构型总目录总目录2.分子模型分子模型凯库勒模型、斯陶特模型凯库勒模型、斯陶特模型3. 构型构型(configuration)凯库勒模型凯库勒模型球棒模型球棒模型斯陶特模型斯陶特模型比例模型比例模型具有一定构造的分子中原子在空间的排列状具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况况构型构型总目录总目录（1）为什么碳原子具有四价？）为什么碳原子具有四价？（2）4个个CH键是等同的吗？键是等同的吗？思考思考总目录总目录二、碳原子的二、碳

16、原子的sp3杂化杂化1.碳原子的碳原子的sp3杂化杂化 基态基态 激发态激发态 杂化态杂化态总目录总目录总目录总目录2.sp3杂化轨道特点杂化轨道特点方向性更强方向性更强4个个sp3轨道等同轨道等同最稳定的排列方式：正四面体（最稳定的排列方式：正四面体（4个价键个价键尽可能远离）尽可能远离）总目录总目录三、烷烃分子的形成三、烷烃分子的形成 甲烷：甲烷：CH4CH键：键：sp3s总目录总目录甲烷分子的形成甲烷分子的形成总目录总目录CCHHHHHHlCH键键sp3s乙烷：乙烷：C2H6CC键键 sp3sp3总目录总目录乙烷乙烷分子的形成分子的形成总目录总目录四、分子立体结构的表示方法四、分子立体结

17、构的表示方法1.楔形（伞形）透视式及书写楔形（伞形）透视式及书写甲烷：甲烷：甲烷凯库勒模型甲烷凯库勒模型楔形透视式楔形透视式总目录总目录乙烷：乙烷：总目录总目录2.锯架（锯架（sawhorseformula)透视式及书写透视式及书写 总目录总目录3.纽曼投影式纽曼投影式(Newmanprojection)及书写及书写总目录总目录一、构象一、构象(conformation)有一定构造的分子通过单键的旋转，形成有一定构造的分子通过单键的旋转，形成各原子或原子团的空间排布。各原子或原子团的空间排布。第四节第四节 烷烃的构象烷烃的构象总目录总目录二、乙烷的构象二、乙烷的构象1.两种极限构象的表达两种极

18、限构象的表达重叠式（顺叠式）重叠式（顺叠式）eclipsedconformation交叉式（反叠式）交叉式（反叠式）staggeredconformation思考：写出重叠式和交叉式构象的楔形式、锯架式思考：写出重叠式和交叉式构象的楔形式、锯架式和纽曼式。和纽曼式。前后两个碳上的氢前后两个碳上的氢原子处于交叉位置原子处于交叉位置前后两个碳上的氢前后两个碳上的氢原子处于重叠位置原子处于重叠位置总目录总目录模型模型楔形式楔形式锯架式锯架式纽曼式纽曼式模型模型锯架式锯架式纽曼式纽曼式楔形式楔形式总目录总目录2.两种极限构象的位能变化两种极限构象的位能变化 稳定性比较：稳定性比较：交叉式重叠式交叉式重

19、叠式总目录总目录思考思考如何分析交叉式构象和重叠式构象的如何分析交叉式构象和重叠式构象的稳定性？（原子的空间分布、位能）稳定性？（原子的空间分布、位能）总目录总目录一、物态一、物态l规律：规律：二、沸点二、沸点boiling pointl规律：规律：三、熔点三、熔点melting pointl规律：规律：随相对分子质量的增加，气态随相对分子质量的增加，气态液态液态固态固态1）C数增加，沸点升高；数增加，沸点升高；2）正烷烃沸点支链烷烃）正烷烃沸点支链烷烃沸点沸点（同碳数）（同碳数）1）C数增加，熔点升高；数增加，熔点升高；2）偶数烷烃熔点奇数烷烃）偶数烷烃熔点奇数烷烃熔点熔点第五节第五节 烷烃

20、的物理性质烷烃的物理性质总目录总目录总目录总目录四、相对密度四、相对密度 规律规律: C数增加，相对密度数增加，相对密度(d)升高升高 五、溶解度五、溶解度 solubility 规律规律: 难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃类。难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃类。 相似相溶相似相溶 烷烃也是一种溶剂。如石油醚，它是含碳数较低烷烃也是一种溶剂。如石油醚，它是含碳数较低的几种烷烃的混合物，是实验室常用的溶剂。通的几种烷烃的混合物，是实验室常用的溶剂。通常以沸程分为常以沸程分为 石油醚石油醚30-60（bp3060） 石油醚石油醚60-90和石油醚和石油醚90-120等。等。总目录总目录一、化学

21、性质稳定一、化学性质稳定原因：原因：（1）CC、CH 键的键能大，不易破裂键的键能大，不易破裂化学键化学键CCCH键能键能/(kJmol-1)345.6415.3（2）CC键矩为键矩为0，CH偶极矩很小，偶极矩很小，电子云分布均匀，为非极性分子电子云分布均匀，为非极性分子（3）键的断裂：均裂）键的断裂：均裂第六节第六节 烷烃的化学性质烷烃的化学性质总目录总目录二、氧化（二、氧化（oxidation）反应）反应（自由基反应）自由基反应）1.燃烧燃烧用途：用作燃料（重要能源之一）用途：用作燃料（重要能源之一）当体积比当体积比CH4 O2（空气）空气）=1 2（10）瓦斯爆炸）瓦斯爆炸总目录总目录2

22、.控制氧化控制氧化R：C20C30代替动植物油脂制造肥皂代替动植物油脂制造肥皂生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等总目录总目录三、热裂三、热裂（pyrolysis）反应）反应（自由基（自由基反应）反应）1.热裂：在高温及无氧条件下发生键断裂的分解反热裂：在高温及无氧条件下发生键断裂的分解反应。应。生产燃料和化工原料生产燃料和化工原料 2.催化热裂：应用催化剂的热裂反应称催化热裂反催化热裂：应用催化剂的热裂反应称催化热裂反应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率. 总目录总目录四、卤代（四、卤代（helogenation）反应（自由基反）反

23、应（自由基反应）应）用途：用途：1）生产氯代甲烷混合溶剂；）生产氯代甲烷混合溶剂；2）控制条件，制备一氯甲烷。）控制条件，制备一氯甲烷。1.甲烷的氯代甲烷的氯代总目录总目录2.甲烷的卤代甲烷的卤代卤素的活性：卤素的活性：F2Cl2Br2I2 （1）为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？）为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？（2）反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，）反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，如何分离？如何分离？（3）为什么卤素的活性：）为什么卤素的活性：F2Cl2Br2I2？思考思考总目录总目录 3.C3以上烷烃的卤代以上烷烃的卤代总目录总目录从反应式中可看到：从反应式

24、中可看到：同一化合物中，不同的氢原子被卤代的同一化合物中，不同的氢原子被卤代的产率不同；产率不同；同一化合物中，同一氢原子，不同的卤同一化合物中，同一氢原子，不同的卤素，氢被卤代的产率不同。素，氢被卤代的产率不同。讨论：讨论：（1）氢原子的卤代反应活性：）氢原子的卤代反应活性： 每个氢原子的反应概率每个氢原子的反应概率=产率产率/氢原子个数氢原子个数总目录总目录氯代反应中氢原子的反应活性氯代反应中氢原子的反应活性：1H：43/6764/972H：57/2=28.53H：36/1=36氯代：氯代：3H 2H 1H=5 4 1溴代：溴代：3H 2H 1H=1600 82 1（2）根据反应活性，推测

25、异构体产率根据反应活性，推测异构体产率(自学自学)思考：为什么氢原子的卤代反应活性顺序为思考：为什么氢原子的卤代反应活性顺序为321？总目录总目录反应历程（或反应机理）：反应历程（或反应机理）：化学反应所经历的途径或过程。化学反应所经历的途径或过程。研究内容：研究内容：反应步骤反应步骤反应中心反应中心价键变化价键变化影响因素影响因素研究思路：研究思路：第七节第七节烷烃的卤代反应历程烷烃的卤代反应历程（reactionmechanism）总目录总目录一、甲烷的卤代历程一、甲烷的卤代历程1.甲烷和氯气反应的实验事实：甲烷和氯气反应的实验事实： 总目录总目录2.根据实验事实，提出如下机理：根据实验事

26、实，提出如下机理：链引发链引发（chaininitiation）：链传递（链传递（chainpropagation）：）： 总目录总目录 理论上可把所有甲烷分子中的氢原子全夺理论上可把所有甲烷分子中的氢原子全夺去。事实上，连锁反应不可能永久传递下去，去。事实上，连锁反应不可能永久传递下去，直到自由基互相结合或与惰性物种结合而失去直到自由基互相结合或与惰性物种结合而失去活性时，这个连续的反应就终止了。活性时，这个连续的反应就终止了。总目录总目录链终止（链终止（chaintermination）：）：总目录总目录（1）请你用自由基卤代反应机理解释甲烷氯代的实验）请你用自由基卤代反应机理解释甲烷氯代

27、的实验事实事实。（2）为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？）为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？ 思考思考总目录总目录二、卤素对甲烷的相对反应活性二、卤素对甲烷的相对反应活性 卤素的相对反应活性为：氟卤素的相对反应活性为：氟氯氯溴溴碘碘 反应活性的解释：反应活性的解释：1.反应热（反应热（reactionenthalpyrHm）解释解释rHm=(435.1+242.5) （351.4+431）=-104.8(kJmol1 )（放热）放热）反应热：一般来说，放热反应较易进行，反应热：一般来说，放热反应较易进行，而吸热反应较难进行。而吸热反应较难进行。总目录总目录甲烷卤代的反应热甲烷卤代的反应热rHm

28、 /（kJmol1 ） 反应反应FClBrI反应（反应（1）-129.7+4.1+66.9+136.4反应（反应（2）-292.9-108.9-104.6-83.7总反应总反应-422.6-104.8-37.3+52.7总目录总目录2.活化能（活化能（activationenergy) 活化能：为使反应发生而必须提供的最活化能：为使反应发生而必须提供的最低能量。低能量。 活化能越低，反应越易发生。活化能越低，反应越易发生。活化能活化能EFEClEBrEI I(kJmol1)4.216.775.2137.9卤素对烷烃的相对取代反应活性：卤素对烷烃的相对取代反应活性：F2Cl2Br2I I2总目录

29、总目录三、氢原子反应活性与自由基的稳定性三、氢原子反应活性与自由基的稳定性1、氢原子的反应活性、氢原子的反应活性氢原子的反应活性顺序为：氢原子的反应活性顺序为：3212、自由基及其稳定性、自由基及其稳定性自由基结构：自由基结构：甲烷甲烷 CH4甲基自由基甲基自由基 CH3 Csp3杂化杂化Csp2杂化杂化总目录总目录解离能：解离能： 同一类型的键（如同一类型的键（如CH）发生均裂时，键的解发生均裂时，键的解离能愈小，则自由基愈容易生成，生成的自由基离能愈小，则自由基愈容易生成，生成的自由基也较稳定。也较稳定。自由基自由基自由基类自由基类型型11123CH解离能解离能kJmol1 435.1410410397.5380.7总目录总目录自由基的稳定性顺序为：自由基的稳定性顺序为：321CH3氢原子的反应活性为：氢原子的反应活性为：321卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基总目录总目录一、甲烷的性质和用途一、甲烷的性质和用途（自学）（自学）二、天然气和液化天然气二、天然气和液化天然气1.天然气天然气成分：甲烷（主要）、乙烷、丙烷等烃类化成分：甲烷（主要）、乙烷、丙烷等烃类化合物，少量氮气、氧气、二氧化碳合物，少量氮气、氧气、二氧化碳存量（我国）：存量（我国）：常规可采资源量常规可采