有机化学高教第二烷烃PPT课件

1、一、同系列 在烷烃的一系列化合物中，其分子组成中所含的碳原子和氢原子在数量上存在着一定的关系，即每增加一个C 原子，就相应地增加二个H 原子。可用一个式子代表：HC HHHn()烷烃通式：CnH2n+2 这些结构上相似而组成上相邻的两个烷烃的组成都是相差CH2。CH2 叫做同系列差。2-12-1烷烃的同系列和同分异构体现象烷烃的同系列和同分异构体现象HCH HCCH HCCCH HCCCCH H H H H H H H H H HH H H H H H H H H H甲烷 乙烷 丙烷 丁烷CH4 C2H6 C3H8 C4H10第1页/共52页 具有同一个通式，组成上相差只是CH2或其整数倍的一

2、系列化合物叫做同系列。 同系物具有相似的化学性质，其物理性质（例如沸点、熔点、相对密度、溶解度等）一般是随着相对分子质量的改变而呈现规律性的变化。 二、同分异构现象 分子式相同的不同化合物叫做同分异构体（简称异构体）。这种现象叫做同分异构现象。从丁烷开始出现同分异构体HCCCHH H H H H H HCCCCHH H H HH H H HHCCCHH H H H H H-C-HH链端被-CH3 取代中间被-CH3 取代HH碳链异构、位置异构、官能团异构、差向异构、旋光异构等第2页/共52页 异构体数目 如 戊烷 C5H12 3 己烷 C6H14 5 壬烷 C9H20 35 一个已知分子式的烷

3、烃究竟有多少个异构体？利用逐步缩短碳链的方法，推导出异构体的数目及其构造式。基本步骤：（以己烷C6H14为例）沸点：36 28 9.5 正戊烷 异戊烷 新戊烷 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH2-CH3 CH3-C-CH3CH3CH3CH3 同分异构现象是有机化合物中存在的普遍现象。随着化合物分子中所含碳原子数目的增加，同分异构体的数目也越多。第3页/共52页 化合物的结构式不仅能代表化合物分子的组成，而且能反映出分子中的成键顺序。因此，常用结构式来表示有机化合物。CH3C(CH3)2CH2CH3 或 (CH3)3CCH2CH3 结构简式如： CH3-C-CH2-CH

4、3 构造式CH3CH3CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-CH-CH2-CH2-CH3CH3CH3-CH-CH-CH3CH3CH3CH3-CH2-CH-CH2-CH3CH3CH3-C-CH2-CH3CH3CH3分子式是在其碳干上配上相应的H 原子。第4页/共52页 与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子在同一反应中的反应性能是有一定差别。如： CH3CCH2CHCH3 CH3CH3CH3只连有四个碳原子的称为季碳原子，常以4表示（四级碳原子).只连有一个碳原子的称为伯碳原子，常以1表示（一级碳原子)只连有二个碳原子的称为仲碳原子，常以2表示（

5、二级碳原子）；只连有三个碳原子的称为叔碳原子，常以3表示（三级碳原子）；11111234三、伯、仲、叔和季碳原子碳链中的碳原子按照它们所连结的碳原子数目可分为四类：第5页/共52页一、普通命名法“天干”甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。十一碳以上用汉字数字表示： 一般按烷烃所含碳原子数目来命名，碳原子在十以内用“天干”表示，称“某烷”。如：C6H14 C8H18 C12H26己烷辛烷十二烷区别异构体用“正”、“异”、“新”。将直链烷烃叫“正”具有 结构，即端位第二个碳原子有2个CH3叫“异”CH3-CH-CH3具有 结构，即端位第二个碳原子有3个CH3叫“新”CH3-C-CH3CH32-

6、2 2-2 烷烃的命名法烷烃的命名法第6页/共52页二、系统命名法 系统命名法是采用国际纯化学与应用化学联合会（简称IUPAC）的命名原则，结合我国文字的特点，制定了中文系统命名法（1980年）。1. 烷基 烷烃分子中去掉一个氢原子后，剩下的原子团叫烷基。烷基是一价基，通式为CnH2n+1，常用R-代表烷基。 烷基的名称由相应的烷烃而得。异戊烷如： CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH2-CH3 CH3-C-CH3CH3CH3CH3正戊烷新戊烷 第7页/共52页 例如：异丙基-CH2CH2CH3 丙基CH3CH3 -CH2CH3 乙基CH3CH2CH3CH3-CH-CH3

7、CH4 -CH3 甲基-H-H中间碳-H链端碳-H第8页/共52页缩写符号名称构造式缩写符号名称构造式CH3-CH-CH3CH3-CH2-CH-CH3-CH-CH2CH3CH3-C-CH3CH3CH3-CH3-CH2CH3-CH2CH2CH3-CH2(CH2)2 CH3甲基乙基正丙基异丙基正丁基异丁基-CH2CH2CHCH3CH3-CH2-C-CH3CH3CH3-C-CH2CH3CH3CH3仲丁基叔丁基叔戊基新戊基异戊基MeEtn-Pri-Prn-Bui-Bus-But-Bui-Pentt-Pentneo-Pent常见的烷基名称第9页/共52页2. 直链烷烃的命名 与普通命名法基本相同，但不用

8、“正”字。具有110个碳原子数的烷烃采用我国古代记数的“天干”。10个碳以上的烷烃则用汉字数字表明。如：CH3CH2CH2CH2CH3 正戊烷（普通命名法）戊 烷（系统命名法） 3、支链烷烃的命名 把它看作是直链烷烃取代衍生物如：CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3CH33-甲基己烷（看作是己烷的衍生物）1 2 3 4 5 6取代基位置位置与名称用短线连接母体名称取代基名称第10页/共52页 选取主链选择最长的碳链为主链。支链当作取代基。 编号从靠近支链的一端开始，编号时应尽可能使取代 基具有最低编号。 步 骤如： CH3-CH2-CH2-CH-CH3CH2-CH3CH3-CHCH2C

9、H-CH2CH3CH2CH3CH2CH2CH3CH3CH2CHCH2CH-CH2CH2CH3CH3CH2CH3（如上例）2 16 5 4 32 16 7 8 3 4 51 2 3 4 5 6 7 8第11页/共52页 当几种可能的编号方向时，应当选定使取代基具有“最低系列”的那种编号（即顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到位次最小者定为最低系列）。两端一样长时，从小取代基一端开始编号。CH3-CHCH-CH2-CH2-C-CH3CH3CH3 CH3CH3CH3CHCH2CH2CH2CH2CHCHCH2CH3CH3 CH3CH3CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CH3 CH2CH3从左到右

10、：2，3，6，6从右到左：2，2，5，61 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 11 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 102, 7, 8-三甲基癸烷（不叫3,4,9-三甲基癸烷）3-甲基-5-乙基庚烷第12页/共52页 “先小后大，同基合并”（如前例）烃基大小的次序（按“对映异构中的次序规则”决定）:甲基乙基丙基丁基戊基己基异戊基异丁基异丙基CH3-CHC-CH2-CH2-CH3CH3 CH2CH3CH3 2, 3-二甲基-3-乙基己烷1 2 3 4 5 6 有不同取代基时，把小取代基名称写在 前面，大取代基写在后面。相同取代基 合并起来，取代基数目用二

11、、三、 等表示。第13页/共52页 有多种等长的最长碳链可供选择时，应选择取代基最多 的碳链为主链。CH3-CH2-CHCH-CH2-CH3CH3 CHCH3 CH3CHCH3 CH3CH2CH2-CHCH-CH-CH3CH3 CHCH3 CH3CH3 CH24 3 2 1 5 6 73 2 14 5 62, 5-二甲基-3,4-二乙基己烷2, 3, 5-三甲基-4-丙基庚烷不是2, 3-二甲基-4-仲丁基庚烷第14页/共52页 复杂的取代基需要编号时，由与主链相连的碳原子开始 编号。它们的全名可放在括号中（或用带撇号的数字来 标明支链中的碳原子位置）。3-乙基-5-(1, 2-二甲基丙基)癸

12、烷7-(1, 2-二甲基丙基)-7-(1, 1-二甲基戊基)十三烷CH3CH2CH-CH2-CH-CH2CH2CH2CH2CH3CH-CH3 CH3CH-CH3CH3CH21 2 3 4 5 6 7 8 9 101/ 2/3/CH3-(CH2)5-C-(CH2)5-CH3CH3CH2CH2CH2-C-CH3CH3CH3-CH-CH-CH3CH31 26 7 812 13 3/ 2/ 1/ 5/ 4/ 3/ 2/ 1/或 7-1/, 2/-二甲基丙基-7-1/, 1/-二甲基戊基十三烷或 3-乙基-5-1/, 2/-二甲基丙基癸烷第15页/共52页仲丁基不叫1/-甲基丙基叔丁基不叫1/, 1/-

13、二甲基乙基异丙基不叫1/-甲基乙基异丁基不叫2/-甲基丙基CH3CH3-CH-CH2-CH3CH2CH-CH3CH3-C-CH3CH3CH3-CH-CH3第16页/共52页 一、碳原子的SP3杂化轨道、键 1. 碳原子的sp3杂化轨道 碳原子在基态时电子构型：1S2、2S2、2p2 键长：0.109nm 键角：109.5杂化SP3跃迁2S2Py2Px2PZ2S2P1SE 2-3 2-3 烷烃的分子结构烷烃的分子结构SP3 杂化轨道含1/4 S 轨道3/4 P 轨道1个SP3杂化轨道形状4个SP3杂化轨道第17页/共52页 2、甲烷的分子模型虚线表示伸向纸平面后方实线表示在纸平面前上楔线表示伸向

14、纸平面前方甲烷模型凯库勒模型斯陶特模型甲烷的正四面体构型HCHHH甲烷凯库勒模型甲烷的立体构造式CHHHH（透视式）甲烷斯陶特模型第18页/共52页 原子轨道以头碰头的方式进行重叠交盖所形成的共价键称为键。 3. 键的形成其特点是：在键轴方向上进行最大程度的重叠，形成的价 键比较稳定，以键相连的二个原子可以键为 轴做相对旋转。 原子轨道以“头碰头”的方式重迭交盖形成键第19页/共52页键以键轴为对称 轴的键。成键 时轨道的交盖 程度较大。键 比较牢固。处于键的电子叫电子。 乙烷分子结构虽然是四面体，但不是正四面体，键角也不是109. 5而是接近109. 5。 甲烷的形成示意图键乙烷的结构键第2

15、0页/共52页 实验证明，气态或液态的含多个碳原子的烷烃，由于键的自由旋转，能形成多种曲折形式。 二、烷烃的构象构象围绕碳碳键旋转而使分子中原子或基团在空间 的不同排列方式。 如正戊烷的碳链可以有几种代表形式：第21页/共52页纽曼投影式重叠式交叉式锯架式（透视式）HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH 1. 乙烷的构象 乙烷分子中两个极端的空间形象：第22页/共52页 2. 丁烷的构象全重叠式CH3H3CHHHH邻位交叉式HHHHCH3CH3转60部分重叠式CH3H3CHHHH转60对位交叉式HHHHCH3CH3转60第23页/共52页一、物理性质 烷烃是无色物质，具有一定的气味。

16、直链烷烃的物理性质，例如熔点、沸点、相对密度等，随着分子中碳原子数（或相对分子质量）的增大，而呈规律性的变化。（表2-1）1. 物理状态C1C4气态C5C16液态C17以上固态2. 沸点（b.P.） 2-4 2-4 烷烃的性质烷烃的性质 同数碳烷烃，直链比支链沸点高。 直链烷烃，碳数 则沸点 。第24页/共52页分子间的作用力是指范德华力。 范德华力静电力诱导力色散力 指正负电荷重心暂时不 重合产生瞬时偶极。对极性分子才能产生。沸点的高低与分子间作用力有关，作用力 ，则沸点 。表示直链的两分子之间接触面积瞬时偶极CH3-C-CH3CH3CH3CH3-C-CH3CH3CH3+-+-+-+-+-+

17、-CH3CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH3+-+-+-+-+-+-+-第25页/共52页3、熔点（m.P.） 一般含碳原子数相同的烷烃的熔点是随着分子的对称才增加而升高的，分子越对称，它们在晶格中排列越紧密，分子之间的范德华作用力也越强，故熔点越高。 碳数 ，则熔点 。 偶数碳链比奇数碳链稍高。 同数碳异构体：新 正 异。 第26页/共52页5. 水溶性烷烃几乎不溶于水，但易溶于有机溶剂。 结构相似或极性大小相近的化合物可以彼此互溶，这就是“相似相溶”的经验溶解规律。4. 相对密度（D）碳数 ，则相对密度 ，最后近于0.78 相对密度与分子引力有关，分子间引力增大，分子间的距离相应减少

18、，故相对密度就增大。对称性逐渐增高熔点逐渐增大新戊烷 正戊烷 异戊烷CH3-C-CH3CH3CH3CH3-CH2-CH2-CH2-CH3CH3CH3-CH-CH2-CH3mP：-17 -130 -160 第27页/共52页 烷烃的稳定性不是绝对的，在一定条件下（如光、高温或催化剂的影响下）也可以发生某些反应。 二、化学性质 在常温下烷烃的化学性质很不活泼，与强酸、强碱、强氧化剂和还原剂等都不起作用。 烷烃化学性质比较稳定的主要原因：（C-C 键能为345.6KJ/mol；C-H 键能为415.3KJ/mol） C-C及C-H 键较牢固 烷烃为非极性分子，一般条件下试剂不易进攻。第28页/共52

19、页 部分氧化（选择性氧化）1. 氧化反应 燃烧CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + 891.2 kJ / mol点燃CnH2n+2 + O2 n CO2 + (n-1) H2O + 热能3n+12点燃CH3CH2-CH2CH3 + O2 2 CH3COOH + H2O乙酸钴521502255Mpa50 %R-CH2-CH2-R/ R-COOH + R/-COOH + 其它酸MnO2107110高级脂肪酸RR/ R-OH + R/-OH 催化剂第29页/共52页2. 裂化反应 烷烃在高温下分子中的C-C 键与C-H 键间易发生断裂而生成分子量较小的烷烃与烯烃，这称为烷烃的裂化。这个反

20、应在石油化工生产中极为重要。裂化反应热裂化指在500700高温、加压下进行。催化裂化在400500 常压催化下进行。CH3-CH=CH2 + H2CH2=CH2 + CH4CH3CHCH2HH460CH3-CH2-CH2-CH3CH2=CH2 + CH3-CH3CH3-CH=CH2 + CH4CH3-CH2-CH=CH2 + H2500第30页/共52页3. 卤代反应烷烃分子中的氢原子被卤素所取代的反应称为卤代反应。 烷烃与卤素在室温和黑暗中并不发生反应，但在强烈日光照射下，则发生猛烈反应。 在漫射光、加热或某些催化剂作用下，能够进行可以控制的卤代反应。CH4 + 2 Cl2 4 HCl +

21、C 强日光一氯甲烷CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl h或250二氯甲烷CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl h或250三氯甲烷CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl h或250四氯化碳CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl h或250第31页/共52页其它烷烃的卤代 碳链较长的烷烃进行氯化时，可以取代不同的氢原子得到不同的氯化烃。丙烷1-氯丙烷2-氯丙烷CH3-CH2-CH3 + Cl2 CH3CH2CH2Cl + CH3-CH-CH3 Clh2543 %57 %氯代叔丁烷氯代异丁烷CH3-C-H + Cl2 CH3-C-Cl + CH3-C-HCH3CH

22、3h25CH3CH3CH3CH2Cl异丁烷36 %64 %伯氢叔氢=36 / 164 / 915仲氢伯氢=57 / 243 / 614 在室温下，叔、仲、伯氢原子被氯原子夺取的相对速率为5 : 4 : 1。反应活性：3 2 1HHH第32页/共52页卤素对烷烃进行卤代的相对活性：F2 Cl2 Br2 I2 在溴代反应中，烷烃分子中的各种H 的活性次序也是3 2 1 ，但是它们的反应活性相差很大。HHH烷烃的溴代反应的选择性比氯代要好。 反应活性： 3 : 2 : 1 = 1600 : 82 : 1HHH丙烷CH3-CH2-CH3 + Br2 CH3CH2CH2Br + CH3-CH-CH3 B

23、rh1273 %97 %CH3-C-H + Br2 CH3-C-Br + CH3-C-HCH3CH3h127CH3CH3CH3CH2Br异丁烷99 %微量第33页/共52页 反应物转变为产物所经过的途径或过程叫做反应历程或反应机理。 反应机理是在综合实验事实后提出的理论假说。如果一个假说能完满地解释观察到的实验事实和新发现的现象，同时根据这个假说所作的推断被实验所证实，它与其它有关反应的机理又没有矛盾，这个假说则称为反应机理。2-5 2-5 卤代反应历程卤代反应历程通过反应历程可以告诉我们： 反应分几步进行； 反应的中心在哪里； 分子内部如何调整。（包括键的变形、电子云分布 情况、键的破裂与形

24、成等）第34页/共52页氯与甲烷反应有如下的实验现象： 反应中加O2，反应速度变很慢。 CH4 + Cl2 （） CH4 + Cl2 （） CH4 + Cl2 （） 反应很快停止 CH4 + Cl2 （） Cl2 + CH4 （） Cl2 停止一段时间 （）室温暗270暗室温h停止hhhh+ CH4一、甲烷的卤代反应历程第35页/共52页为了解释这些现象，化学家对氯与甲烷反应过程提出了如下的历程：1、链的引发：2、链的增长（传递）：3、链的终止：Cl : Cl 2 Cl H=242.5kJ / molh. 进而生成CHCl3 、CCl4等Cl + CH4 HCl + CH3CH3 + Cl2

25、CH3Cl + Cl Cl + CH3Cl HCl + CH2ClCH2Cl + Cl2 CH2Cl2 + Cl Cl + CH2Cl2 HCl + CHCl2Cl + Cl Cl2 CH3 + Cl CH3Cl CH3 + CH3 CH3-CH3第36页/共52页 另外，反应中不应有氧存在，因为氧易和游离基反应生成过氧游离基，使链增长不能进行。因此常把氧叫做游离基阻止剂。 过渡态理论认为：反应中共价键的断裂和生成必须通过分子间的碰撞就能使反应完成，除了有一个适当的位置和方向外，中间还要形成一个过渡状态。 使反应物达到过渡态所需的能量即为活化能（E）。活化能是过渡态与反应物的内能差。过氧游离基

26、CH3 + O2 CH3O-O 过氧化物CH3O-O + CH3 CH3O-O-CH3 活性降低二、过渡态、活化能和位能曲线反应物 过渡态 产物E第37页/共52页反应进程中体系能量的变化例如反应：A + B-C A-B + CA + B-C A B C A-B + C 过渡态 决定反应速率的是活化能（E），是能垒高度，而不是反应物与产物两个能谷的高度差H。注意，活化能（E）与反应热（H）之间没有直接联系。 E : 反应物过渡态，由实验测得。 H : 反应物生成物，由反应中键能的改变近似地计算得。 即使反应是放热的，但反应仍需要有一定的活化能才能发生。反应活化能体系中放出反应热第38页/共52

27、页 甲烷氯代生成一氯甲烷的两步主要反应，其反应热（ H）与所需活化能量值测得如下：Cl + CH4 HCl + CH3H1= 4kJ / molE1 = 16kJ / molCH3 + Cl2 CH3Cl + Cl H2= -109kJ / molE2 = 4kJ / molCH4与Cl生成CH3Cl反应的位能曲线图放热反应吸热反应第39页/共52页从热力学角度来考察甲烷卤化反应：甲烷卤代的反应热（ HR）+150.6+138.1-83.7-150.6+54.4+188.3+66.9-104.6-188.3-37.7+242.5+4.1-108.9-242.6-104.8+154.8-129.

28、7-292.9-154.8-422.6IBrCl F卤素 /kJ / mol反 应HR = H1 + H2 X2 2 X X + CH4 HX + CH3 （H1） CH3 + X2 CH3X + X （H2） 2 X X2 计算举例卤素发生取代反应的难易顺序是： F2 Cl2 Br2 I2三、卤素对烷烃的反应活性第40页/共52页 游离能1mol 烷烃被夺取1个氢原子后形成游离基说所 需要的能量。 四、游离基的稳定性键离解能（KJ / mol）乙基游离基丙基游离基甲基游离基异丙基游离基叔丁基游离基 CH3-H CH3 + H 435.1 CH3CH3 CH2CH3 + H 410 CH3CH

29、2CH3 CH2CH2CH3 + H 410 CH3CHCH3 CH3CHCH3 + H 397.5H (CH3)3C-H (CH3)3C + H 380.7形成各种类型的游离基所需的能量按如下次序降低：CH 3 1 2 3第41页/共52页 一般讲，越稳定的游离基越容易生成，其反应速率也越快，这是一个非常有用的通则。可以认为，在许多有游离基生成的反应中，游离基的稳定性支配着反应的取向和活性。形成各种类型的游离基所需的能量按如下次序降低：CH 3 1 2 3 形成游离基的能量越小，这种游离基越稳定，故游离基的稳定性次序为：3 2 1 CH3RRR游离基的结构：碳原子为SP2 杂化，为平面型。甲

30、基游离基（CH3 ）C HHH第42页/共52页一、烷烃的天然来源烷烃的天然来源主要是石油和天然气。1. 天然气2. 石油主要是烃类的混合物。从地下开采出来的石油 一般是深褐色液体，叫原油。2-6 2-6 烷烃的来源烷烃的来源干性天然气主要成分是甲烷。湿性天然气主要成分除甲烷外还含有乙烷、 丙烷、丁烷等。 石油经炼制可产生汽油、煤油、柴油等轻质燃料，以及润滑油、石油沥青等产品。第43页/共52页1. 武慈（Wurtz ）反应利用卤代烷和金属钠以制得烷烃的反应称武慈反应。范围：X = Cl、Br、I R = 一般要求为伯烃基反应物R-X要相同，产物为碳链总长一倍的对称化合物。如果烷基不相同的两种卤代烷，反应得到三种烷烃混合物。二、烷烃的制备CH3Cl + CH3CH2Cl NaCH3-CH3CH3CH2-CH3CH3CH2-CH2CH32CH3CH2CH2Br + Na CH3CH2CH2CH2CH2CH3 + NaBrR-X + R-X + 2Na R-R + 2NaX第44页/共52页二烷基铜锂的制备范围：X = Cl、Br、I R = 伯、仲、叔、乙烯型等烃基 R/ = 一般为伯烃基乙醚二烷基铜锂R2CuLi + R/X