烷烃解析PPT课件

1、烷烃和环烷烃(Alkanes and Cyclic Alkanes)仅由碳与氢两种元素组成的化合物称为烃。碳氢烃烃hydrocarbontan qing ting第1页/共59页 烃类化合物(Hydrocarbons)脂肪族脂肪族(Aliphatic)芳香族芳香族(Aromatic)烷烃烷烃Alkanes烯烃烯烃Alkenes炔烃炔烃Alkynes脂环烃脂环烃Cyclic Aliphatic第2页/共59页一、： 最简单的烷烃是甲烷，甲烷分子中碳原子是sp3杂化，其它烷烃分子中碳原子也是sp3杂化，其中的碳碳键和碳氢键都是键。 分子中只含有C-C单键和C-H 键的烃叫做烷烃。第3页/共59页1

2、、甲烷的分子结构：C SP3 杂化轨道第4页/共59页2、其他烷烃的分子结构： 乙烷的分子结构： 丙烷的分子结构：第5页/共59页两个轨道沿着轨道对称轴方向重叠形成的键叫两个轨道沿着轨道对称轴方向重叠形成的键叫 键。键。第6页/共59页 1 1、电子云可以达到最大程度的重叠，并且处在两个原、电子云可以达到最大程度的重叠，并且处在两个原子核的中间，。所以比较牢固。子核的中间，。所以比较牢固。 2 2、 键旋转时不会破坏电子云的重叠，所以键旋转时不会破坏电子云的重叠，所以 键可以键可以 自由旋转。自由旋转。 键的特点键的特点第7页/共59页 乙烷的分子结构： 丙烷的分子结构：第8页/共59页烷烃的

3、通式（General Formula)CHHH氢数甲烷乙烷丙烷丁烷分子式CH4C2H6C3H8C4H10结构式结构式CCHHHHHHCCHHHHHCHHCCHHHHHCHHHCHHHH碳数24132 1+22 2+22 3+22 4+2Alkane:Alkane:CnH2n+2General Formula第9页/共59页 具有具有同一个通式同一个通式，组成上相差只是，组成上相差只是CH2或其或其整数倍整数倍的的一系列化合物叫做一系列化合物叫做同系列同系列。同系列中的同系列中的化合物互称化合物互称同系物同系物。 同系物同系物具有相似的具有相似的化学性质化学性质，其其物理性质物理性质（例如（例如

4、沸点沸点、熔点熔点、相对密度相对密度、溶解度溶解度等）一般等）一般是随着相对分子质量的改变而呈现是随着相对分子质量的改变而呈现规律性的变化规律性的变化。 这些结构上相似而组成上相邻的这些结构上相似而组成上相邻的两个烷烃两个烷烃的组成都是相差的组成都是相差CH2。CH2 叫做叫做同系列差同系列差。同系列同系列差第10页/共59页 与与伯、仲、叔伯、仲、叔碳原子碳原子相连的氢原子分别称为相连的氢原子分别称为伯、仲、叔伯、仲、叔氢原子氢原子。不同类型的不同类型的氢原子氢原子在同一反应中的反应性能是有一定差别。在同一反应中的反应性能是有一定差别。如：如： CH3CCH2CHCH3 CH3CH3CH3只

5、连有只连有四个碳原子四个碳原子的称为的称为季碳原子季碳原子，常以，常以4表示（表示（四级碳原子四级碳原子）。）。只连有只连有一个碳原子一个碳原子的称为的称为伯伯碳原子碳原子，常以，常以1表示（表示（一级碳原子一级碳原子）；）；只连有二个碳原子的称为仲碳原子，常以2表示（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伯、仲、叔和季碳原子伯、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：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11页/共59页写出只有伯氢原子， 分子式C5H12 和 C8H18的烷烃结构式。CH3CCCH

6、3CH3CH3CH3CH3为什么没有季氢原子？因为季碳原子是与4个碳原子直接连接的，而碳原子是4价的所以不能再连接氢原子了。CH3CCH3CH3CH3第12页/共59页 烷烃的构造异构 这两种不同的丁烷,具有相同的分子式和不同的结构式，互为同分异构体。 同分异构体分子式相同，结构式不同的化合物。CCHHHHCHHHCHHHCCHHHHHCHHCHHHm.p -159 C。b.p 11.7 C。m.p -138 C。b.p -0.5 C。 丙烷中的一个氢原子被甲基取代，可得到两种不同的丁烷： 第13页/共59页烷烃分子中，随着碳原子数增加，同分异构体迅速增加。举例(同分异构体的写法)： CCCC

7、CCHHHHHHHHHHHHHHC6H12：CCCCCHHHHHHHHHCHHHHHCCCCHHHHHHCCHHHHHHHHCCCCHHCHHHCHHHHHHHHHCCCCHCHHHHCHHHHHHHHH第14页/共59页CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC7H14：C10H22可写出75个异构体； C20H42可写出366319个异构体。 第15页/共59页烷烃的命名： (i)用天干名称甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示一到十的碳，十以上则用中文数字。直链烷烃为，如(正)庚烷 CH3CH2CH

8、2CH2CH2CH3普通命名法只能命名简单化合物新庚烷新庚烷异己烷异己烷CH3-C-CH2-CH2-CH3CH3CH3CH3-CH-CH2-CH2-CH3CH3带有支链的第16页/共59页系统命名法 直链烷烃：与普通命名法相似,省略“正”字。CH3CH2CH2CH2CH3 戊烷 有支链时：取最长碳链为主链, 侧链作为取代基。烷烃分子从形式上去掉一个氢原子所剩下的基团叫做烷基，用R表示。 取代基英文名称的字头Meth-,eth-,prop-,but-,pent-,hex-,hept-,oct-,non-,dec-.甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸如:pentane第17页/共59页缩写符号

9、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常见的烷基名称常见的烷基名称第18页/共59页 选取主链选取主链选择选择最长最长的碳链为的碳链为主链主链。支链当作取代基。支链当作取代基。 步步 骤骤如：

10、如： CH3-CH2-CH2-CH-CH3CH2-CH3CH3-CHCH2CH-CH2CH3CH2CH3CH2CH2CH3CH3CH2CHCH2CH-CH2CH2CH3CH3CH2CH32 16 5 4 32 16 7 8 3 4 51 2 3 4 5 6 7 8CH3CH2CHCH2CH3CH3CH3CHCH2CH2CH3CH2CH3注意主链是这一条！第19页/共59页选取主链（母体）法则2：选择取代基最多的最长碳链作主链。如：CH3C H2C HC H2C HC H3C HCH3C H3C H3注意主链是这一条！第20页/共59页 编号编号从靠近从靠近支链的一端支链的一端开始，编号时应尽可

11、能使取代开始，编号时应尽可能使取代 基具有基具有最低编号最低编号。CH2CHCH3CH2CH2CH2CH3CH33-甲基庚烷CH3CHCH2CH2CH2CH2CHCHCH2CH3CH3 CH3CH31 2 3 4 5 6 7 8 9 102, 7, 8-三三甲基甲基癸癸烷烷第21页/共59页C H2C HCH3C H2C HC H2C H3C H3CH2C H3 如果碳链的两头（等距离）都有取代基，则应使简单取代基的编号最小，如：甲基甲基乙基乙基丙基丙基丁基丁基戊基戊基己基己基异戊基异戊基异丁基异丁基异丙基异丙基烃基大小的次序烃基大小的次序（按按“次序规则次序规则”决定）决定）:3-甲基-5-

12、5-乙基庚烷第22页/共59页 当几种可能的编号方向时，应当选定使取代基具有当几种可能的编号方向时，应当选定使取代基具有“最最低系列低系列”的那种编号（即顺次逐项比较各系列的不同位次，的那种编号（即顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到位次最小最先遇到位次最小者定为者定为最低系列最低系列）。）。CH3-CHCH-CH2-CH2-C-CH3CH3CH3 CH3CH3从左到右：从左到右：2，3，6，6从右到左：从右到左：2，2，5，61 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 1CH3-CH-CH-CH2-CH-CH3CH3CH3CH3从左到右：从左到右：2， 3 3 ，5从右到左：从右到

13、左：2， 4 4， 5，第23页/共59页命名：命名： “先小后大，同基合并先小后大，同基合并”烃基大小的次序烃基大小的次序（按按“次序规则次序规则”决定）决定）:甲基甲基乙基乙基丙基丙基丁基丁基戊基戊基己基己基异戊基异戊基异丁基异丁基异丙基异丙基CH3-CHC-CH2-CH2-CH3CH3 CH2CH3CH3 2, 3-二甲基-3-3-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、三、等表示。第24页/共59页CH3CH CH2CH CCH2CH3CH3CH3CH2CH3CH3第25页/共59页CH3-CH2-C

14、HCH-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-3,4-3,4-二乙基己烷2, 3, 5-三甲基-4-4-丙基庚烷第26页/共59页CH3CH2CHCH2CH3CH3CH3CHCH2CH2CH3CH2CH3CH3C H2C HC H2C HC H3C HCH3C H3C H33-甲基己烷3-甲基戊烷2，5-二甲基-3-3-乙基己烷第27页/共59页CH3-CH-CH-CH2-CH-CH3CH3CH3CH3C H2C HCH3C H2C H

15、C H2C H3C H3CH2C H33-甲基-4-4-乙基庚烷2，3，5-三甲基己烷第28页/共59页 定义：因键轴旋转而产生分子中的原子或原子团的不同空间排列称为构象（conformation）。每一种空间排列形象叫一种构象。产生的异构体称为构象异构体（conformational isomer）或旋转异构体（rotational isomer）。 特点：组成分子的原子或原子团相互连接的顺序（即分子构造）相同。烷烃的构象异构第29页/共59页 1.乙烷的构象 乙烷分子中两个甲基围绕碳碳键旋转时，其氢原子在空间的相对位置将不断改变，形成无数个不同的空间排列方式，它们互为。其中典型的两种构象表

16、示方法如下：纽曼投影式纽曼投影式重叠式重叠式交叉式交叉式锯架式锯架式（透视式）HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH第30页/共59页第31页/共59页EDegrees of Rotation 300601201802400360AABBBHHHHHHA B HHHHHH在重叠式中两个碳上氢原子间距为227pm(小于两个氢原子的半经之和240pm)相互间排斥，能量高。在交叉式中，两个氢原子的间距为250pm，交叉式能量最低，两者能差约为12KJ/mol，能量图如下：12KJ/mol第32页/共59页227289249306*构象的能量分析：构象的能量分析：非键合的两原子或基团接近到相

17、当于范非键合的两原子或基团接近到相当于范德华半径之和时德华半径之和时, 二者间以弱的引力相互作用二者间以弱的引力相互作用 ,体系能量较低；体系能量较低；如果接近到这一距离以内如果接近到这一距离以内,斥力就会急剧增大斥力就会急剧增大,体系能量升高。体系能量升高。一些原子或基团的范德华半径一些原子或基团的范德华半径(pm) H C N O Cl CH3 120 150 150 140 180 200 乙烷的重叠式内能最高，最不稳定，而交叉式乙烷的重叠式内能最高，最不稳定，而交叉式内能最低，最为稳定。这种构象称为内能最低，最为稳定。这种构象称为优势构象优势构象。第33页/共59页丁烷的构象 CH3C

18、H3HHHHHHHHCH3CH3HHHHCH3CH3对位交叉式部分重叠式邻位交叉式IIIIII0。60120CH3HHHHH3CHHHHCH3H3CCH3HHHHH3C全重叠式邻位交叉式部分重叠式IVVVI。180240300丁烷有下列四种典型构象：常温下，丁烷主要是以对位交叉式存在。 第34页/共59页(二）二） 构象变化及能量图：构象变化及能量图：第35页/共59页丁烷的能量图如下：四种构象稳定性次序：四种构象稳定性次序：对位交叉 邻位交叉 部分重叠 全重叠第36页/共59页烷烃碳原子数目增加的时候构象也会更复杂，但是优势构象都类似丁烷的对位交叉式。因此长链烷烃在空间的排列，绝大多数是锯齿

19、形。而不是像我们为书写方便写成的直线形。例如己烷：CCHHCHHCCCHHHHHHHHHH第37页/共59页写出丙烷的写出丙烷的二种极限构象二种极限构象HCH3HHHHHH3CHHHH 丙烷有二种极限构象，一种是重叠式构象，另一丙烷有二种极限构象，一种是重叠式构象，另一种是交叉式构象。二种构象的能差种是交叉式构象。二种构象的能差13.3kJmol-1。交叉式重叠式第38页/共59页1,2-二溴乙烷的优势构象(对位交叉式构象约占84)HHHHBrBrHHHHOHHO乙二醇的优势构象分子内氢键主要为邻位交叉式构象取代乙烷衍生物的构象第39页/共59页(四) 烷烃的物理性质 (1) 沸点沸点沸点化合

20、物的蒸汽压等于外压(0.1Mpa)时的温度。 烷烃的b.p随分子量的而有规律地：第40页/共59页每增加一个CH2，b.p的升高值随分子量的增加而减小。例： CH4 b.p -162C C2H6 b.p -88C (沸差为74C) C14H30 b.p251C C15H32 b.p268C (沸差为17C) 原因： 分子间色散力(瞬间偶极间的吸引力)与分子中原子的大小和数目成正比，分子量，色散力，因而b.p。正构者b.p高。支链越多，沸点越低。 原因：支链多的烷烃体积松散，分子间距离大，色散力小。CCCCCCCCHCCHHCHCHCCHHCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH

21、HHbp.36289.5第41页/共59页(2) 熔点 分子动能能够克服晶格能时，晶体便可熔化。 烷烃的m.p亦随分子量的增加而有规律地增加： 总趋势是分子量，m.p。 但仔细观察:两条熔点曲线，偶碳数者m.p 高， 奇碳数者m.p低。第42页/共59页原因： 烷烃在结晶状态时，碳原子排列很有规律，碳链为锯齿形：含有偶数个碳的直链烷烃比奇数的直链烷烃对称性更高,分子间距离紧凑，分子间力大，晶格能高. 第43页/共59页 烷烃的熔点变化除与分子量有关，还与分子的形状有关。对于分子式相同的同分异构体： 对称性越高，晶格能越大，m.p越高； 对称性越差，晶格能越小，m.p越低。 CCCCCCCCHC

22、CHHCHCHCCHHCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHbp.36289.5mp-130-160-17第44页/共59页(3) 相对密度 随分子量，烷烃的相对密度，最后接近于 0.8(d0.8) 原因:分子量，分子间力，分子间相对距离，最后趋于一极限。(4) 溶解度 不溶于水，易溶于有机溶剂如CCl4、(C2H5)2O、C2H5OH等。 原因：“相似相溶”，烷烃极性小。第45页/共59页(五) 烷烃的化学性质 烷烃中的C-C、C-H都是键 ，极性小，键能大，因而烷烃的化学性质稳定。Chemical Properties室温下，烷烃不与强酸、强碱、强还原剂、强氧化剂起反

23、应或反应很慢。 但高温、高压、光照或有催化剂存在时，烷烃可发生一些化学反应。这些反应在石油化工占有重要的地位。 第46页/共59页甲烷的卤代反应在漫射光、热或某些催化剂作用下，氢被氯取代：CHCl3 + Cl2CCl4 + HClhCH3Cl + Cl2CH2Cl2 + HClhCH2Cl2 + Cl2CHCl3 + HClh控制甲烷与氯气的体积比或控制反应时间，可控制产物的氯代程度。 CH4 + Cl2CH3 Cl+ HCl漫射光卤代反应第47页/共59页链引发链引发链增长链增长链终止链终止 H= 4KJ/mol Ea=16.7 KJ/mol H= -108 KJ/mol Ea=8. 3 K

24、J/molCl2 2ClhvCl + Cl Cl2CH3 + CH3 H3CCH3Cl + CH3 H3CClCl2 CH3Cl + ClCH3 +CH4 + Cl CH3 + HCl 根据反应事实，对反应做出的详细描述和理论解释叫做反应机理。卤代反应的机理 H= 243KJ/mol第48页/共59页甲烷氯代反应的实验事实： 加热或光照下进行，一经开始便可自动进行； 产物中有少量乙烷； 少量氧的存在会推迟反应的进行。 以上实验事实，说明该反应是一自由基反应! 当CH3Cl达到一定浓度时，Cl可与之反应，生成CH2Cl2，进而有CHCl3、CCl4生成，所以产物是混合物，只有在大量甲烷存在时才能

25、得到一氯甲烷为主的产物。第49页/共59页卤化反应的取向与自由基的稳定 丙烷的氯代反应如下：丙烷中，伯氢 仲氢 = 6 2 ，那么正丙基氯应为异丙基氯的三倍，其实不然! 显然仲氢比伯氢活泼。 CH3CH2CH3 + Cl2 正丙基氯43%异丙基氯57%h（ ）（ ）CH3CH2CH2Cl + CH3CHClCH3 + HCl 设伯氢的活泼性是1，仲氢的活泼性x，则有： x 5762434574326x即仲氢的氯代反应活性是伯氢的4倍。 第50页/共59页CH3-CH-CH3 + Cl2CH3CH3-CH-CH2Cl + CH3-C-CH3Clh64% 36%CH3CH336649xx 3696

26、4=5.06即叔氢原子的氯代反应活泼性是伯氢原子的5倍。 异丁烷的氯代反应如下：异丁烷中，伯氢 叔氢 = 9 1 ，显然叔氢比伯氢活泼。 第51页/共59页所以，烷烃中氢原子的活泼性顺序是：所以，烷烃中氢原子的活泼性顺序是：叔氢仲氢伯氢！叔氢仲氢伯氢！ 伯、仲、叔氢的活性不同，与C-H键的解离能有关。键的解离能越小，其均裂时吸收的能量越少，因此也就容易被取代。有关键的解离能如下： 上述解离能数据说明：形成自由基所需能量：CH3123自由基 自由基的稳定性顺序：321 CH3第52页/共59页自由基的相对稳定性：自由基的相对稳定性：CCH3CH2CH3CHCH3CH3CH3CH3CH3形成自由基步骤的活化能：形成自由基步骤