烷烃的同系列和异构

1、第二章烷 烃(Alkanes)2一一. . 烷烃的同系列和异构烷烃的同系列和异构二二. . 烷烃的命名烷烃的命名三三. . 烷烃的构象烷烃的构象四四. . 烷烃的物理性质烷烃的物理性质五五. . 烷烃的反应烷烃的反应六六. . 烷烃的制备烷烃的制备第二章第二章烷烷 烃烃 (Alkanes)3概述：概述：烃是指只含有碳和氢两种元素的化合物。烃是指只含有碳和氢两种元素的化合物。烷烃指具有通式为烷烃指具有通式为CnH2n+2的碳氢化合物。的碳氢化合物。烷烃是一类饱和烃，分子中除碳碳键外，其他键被氢烷烃是一类饱和烃，分子中除碳碳键外，其他键被氢饱和。即碳原子结合氢原子的数目已达到饱和程度。饱和。即碳原

2、子结合氢原子的数目已达到饱和程度。主要来源：天然气和石油。主要来源：天然气和石油。用途：可作为燃料，也是现代化学工业的原料。用途：可作为燃料，也是现代化学工业的原料。分类：分类：环状烃环状烃链状烃链状烃4一一. 烷烃的同系列和异构烷烃的同系列和异构 (Homologous series and isomerism of alkanes) 1. 同系列同系列CnH2n+2 n为碳原子个数为碳原子个数n分子式分子式构造式构造式命名命名乙烷乙烷C2H6CH3CH32甲烷甲烷CH41CH4C3H8CH3CH2CH33丙烷丙烷正丁烷、异丁烷正丁烷、异丁烷C4H1042正戊烷、异戊烷、新戊烷正戊烷、异戊烷

3、、新戊烷C5H1253655CnH2n+2 n为碳原子个数为碳原子个数n分子式分子式构造式构造式命名命名107515434720366319935系差：系差：CH2同系列：凡具有一个通式，结构相似，化学性质相似，物同系列：凡具有一个通式，结构相似，化学性质相似，物 理性质随着碳原子数增加而有规律性的变化的化理性质随着碳原子数增加而有规律性的变化的化 合物系列。合物系列。6同系物：同系列中的各个化合物彼此互称同系物。同系物：同系列中的各个化合物彼此互称同系物。构造异构体：分子式相同，分子中原子互相连接的方式和构造异构体：分子式相同，分子中原子互相连接的方式和 次序不同的异构体。次序不同的异构体。

4、构造：指分子中原子互相连接的方式和次序。构造：指分子中原子互相连接的方式和次序。构型异构体构型异构体构型构型构象构象构象异构体构象异构体72. 碳原子和氢原子的类型碳原子和氢原子的类型叔碳（叔碳（3）：与一个氢原子相连的碳。）：与一个氢原子相连的碳。仲碳（仲碳（2）：与两个氢原子相连的碳。）：与两个氢原子相连的碳。伯碳（伯碳（1）：与三个氢原子相连的碳。）：与三个氢原子相连的碳。季碳：与季碳：与四个碳原子四个碳原子相连的碳。相连的碳。叔氢：与叔碳相连的氢原子。叔氢：与叔碳相连的氢原子。仲氢：与仲碳相连的氢原子。仲氢：与仲碳相连的氢原子。伯氢：与伯碳相连的氢原子。伯氢：与伯碳相连的氢原子。8CH

5、3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3C CH3CH3CH3季碳季碳伯碳伯碳仲碳仲碳叔碳叔碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳仲碳9二二. 烷烃的命名烷烃的命名 (Nomenclature of Alkanes) 1. 普通命名（习惯命名法）普通命名（习惯命名法）以以烷烷作为母体，十个碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、作为母体，十个碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，十个碳原子以上用数字表示。己、庚、辛、壬、癸表示，十个碳原子以上用数字表示。正表示直链：正表示直链：异表示有下列结构的支链：异表示有下列结构的支链：新表示分子中有季碳原子：新表示分

6、子中有季碳原子：CH3CHCH3CH2CH3CH2CH2CH2CH3C CH2CH3CH310CH3C CH3CH3CH3新戊烷新戊烷CH3CH2CH2CH2CH2CH3正己烷正己烷例：例：CH3CHCH2CH2CH3CH3异己烷CH3CCH2CH3CH3CH3新己烷11CH3CHCHCH3CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CH32. 系统命名法（系统命名法（IUPAC）IUPAC：International union of pure and applied chemistryCCS：Chinese chemical society上述结构无法用普通命名（习惯命名法）法命名上述结构无法

7、用普通命名（习惯命名法）法命名1). 直链烷烃直链烷烃以以烷烷作为母体，十个碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、作为母体，十个碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，十个碳原子以上用数字表示。己、庚、辛、壬、癸表示，十个碳原子以上用数字表示。12CH3(CH2)6CH3CH3(CH2)9CH3辛烷辛烷十一烷十一烷2). 支链烷烃支链烷烃. 烷基的命名烷基的命名烷基：烷烃分子中取掉一个氢剩下的部分。烷基：烷烃分子中取掉一个氢剩下的部分。甲基甲基CH3CH3CH2乙基乙基CH3CH2CH2丙基丙基Me（Methyl）Et（Ethyl）n-Pr（Propyl）13异丙基异丙基丁基丁基异丁

8、基异丁基仲丁基仲丁基叔丁基叔丁基CH3CHCH3CH3CH2CH2CH2CH3CHCH2CH3CH3CH2CHCH3CH3CCH3CH3i-Pr （isopropyl）n-Bu （Butyl）i-Bu （isobutyl）s-Bu （sec-butyl ）t-Bu （tert-butyl ）14CH3CHCH2CH2CH3异戊基异戊基（isopentyl）CH3CH2CH2CHCH3CH3CH2CCH3CH3CH3CCH3CH3CH2叔戊基叔戊基 （tert-pentyl ）新戊基新戊基 （Neopentyl）仲戊基仲戊基 （sec-pentyl）15. 支链烷烃的命名支链烷烃的命名规则：规则

9、：a. 选主链：选最长的、取代基最多的碳链作主链。选主链：选最长的、取代基最多的碳链作主链。CH3CH2CHCH2CH3CHCH3CH3b. 编号：从离取代基最近的一端编号，并满足最编号：从离取代基最近的一端编号，并满足最 低系列原则。低系列原则。CH3CCH3CH3CH CH3CH32,2,3-2,3,3-16c. 若主链上有几种取代基时，应按若主链上有几种取代基时，应按“次序规则次序规则”，较优基团，较优基团后后 列出。列出。甲基甲基 乙基乙基 丙基丙基 丁基丁基异丁基异丁基戊基戊基异丙基异丙基新戊基新戊基仲丁基仲丁基 叔丁基叔丁基异戊基异戊基列在后面的是较优基团列在后面的是较优基团H3C

10、 CCC CH3HCH2CH3CH3CH2CH3CH3CH2CH33,3,4,5-四甲基四甲基-4-乙基庚烷乙基庚烷3,4,5,5-四甲基四甲基-4-乙基庚烷乙基庚烷17d. 写法写法位次位次取代基位置取代基位置用阿拉伯数字，数字间用逗号隔开用阿拉伯数字，数字间用逗号隔开（半字线）（半字线）取代基名称取代基名称相同的取代基合并起来，用一、二、三相同的取代基合并起来，用一、二、三 表示表示母体母体CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH3123452,2,4 -三甲基戊烷三甲基戊烷例：例：2,5-二甲基二甲基-4-异丙基庚烷异丙基庚烷18CH3CH2CHCH3CHCH2CH2CH3CH CH C

11、H3CH3CH312345672,3,5-三甲基三甲基-4-丙基庚烷丙基庚烷CH3CHCH2CCH2CH2CH2CH3CH3C(CH3)3CHCH2CH3CH32-甲基甲基-4-仲丁基仲丁基-4-叔丁基辛烷叔丁基辛烷19CH3CH2CHCH2CH2CCH2CH3CHCH3CH3CH3CH32,6,6-三甲基三甲基 - 3 -乙基辛烷乙基辛烷 12345678CH3CHCH2CH2CH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH3CH32,7,8-三甲基癸烷三甲基癸烷20三三. 烷烃的构象烷烃的构象 (Conformation of Alkanes) 概述：概述：a. 构象：指分子中原子或原子团由于围

12、绕单键的旋转而构象：指分子中原子或原子团由于围绕单键的旋转而 产生的分子中原子在空间的不同排列。产生的分子中原子在空间的不同排列。b. 构象异构体：分子组成相同，构造式相同，因构象不构象异构体：分子组成相同，构造式相同，因构象不 同而产生的异构体。同而产生的异构体。 c. 构象异构体表示方法：透视式（伞形式，锯架式），构象异构体表示方法：透视式（伞形式，锯架式）， 纽曼投影式纽曼投影式21以乙烷的重叠式构象说明：以乙烷的重叠式构象说明：HHHHHHHHHHHH伞形式伞形式锯架式锯架式透视式：透视式：22纽曼投影式：纽曼投影式：HHHHHHd. 注意：构象异构体的互相转换不需发生共价键的断裂。注

13、意：构象异构体的互相转换不需发生共价键的断裂。 分子的构象异构体有无数个，无法画出，采用分子的构象异构体有无数个，无法画出，采用 抓两头，选中间（选内能最高及最低构象），抓两头，选中间（选内能最高及最低构象）， 中间选几个典型。中间选几个典型。 231. 乙烷构象乙烷构象扭转角：扭转角：ABCDC CHHHHHH121224HHHHHH.=60HHHHHH.=0HHHHHH.=120HHHHHH.=180HHHHHH.=240.=360HHHHHHHHHHHH.=30025从乙烷构象可看出：从乙烷构象可看出：. 扭转角扭转角由由0逐渐变到逐渐变到360 可得到无数个构象，它可得到无数个构象，它

14、 们之间差别在于原子在空间的排列不同。们之间差别在于原子在空间的排列不同。 . 扭转角扭转角= 0120 240 360为重叠式为重叠式=60180 300 为交叉式为交叉式重叠式、交叉式构象为乙烷的两个典型构象，其它构重叠式、交叉式构象为乙烷的两个典型构象，其它构象处于这两个构象之间。象处于这两个构象之间。. 重叠式中两个碳原子上的重叠式中两个碳原子上的CH键相距最近，能量较高，键相距最近，能量较高， 不稳定。交叉式中两个碳原子上的不稳定。交叉式中两个碳原子上的CH键相距最远，键相距最远， 能量较低，稳定。能量较低，稳定。 26. 能量曲线图能量曲线图. 乙烷有无数个构象，乙烷最稳定的构象是

15、交叉式。乙烷有无数个构象，乙烷最稳定的构象是交叉式。06012018024030036012kj/mol272. 丁烷构象丁烷构象CH3CH2CH2CH31234HHCH3CH3HH.=0HHCH3CH3HH.=60HHCH3HCH3H.=120HHCH3HCH3H.=180HHCH3HHH3C.=240HHCH3HHH3C.=300HHCH3CH3HH.=36028从丁烷构象可看出：从丁烷构象可看出：. 扭转角扭转角由由0逐渐变到逐渐变到360 可得到无数个构象，其中可得到无数个构象，其中 有四有四 种典型构象。种典型构象。= 60300 为顺交叉式。为顺交叉式。 C2上上CH3与与C3上上

16、CH3离的相对离的相对 较近，斥力相对较大，稳定性不如较近，斥力相对较大，稳定性不如。= 120 240 为部分重叠式。为部分重叠式。C2上上CH3与与C3上上CH3离的较离的较 近，斥力也较大，较不稳定。近，斥力也较大，较不稳定。. 扭转角扭转角= 180 为反交叉式。为反交叉式。C2上上CH3与与C3上上CH3离的最离的最 远，斥力最小，能量最低，最稳定。远，斥力最小，能量最低，最稳定。= 0为全重叠式。为全重叠式。 C2上上CH3与与C3上上CH3离的最近，斥力离的最近，斥力最大，能量最高，最不稳定。最大，能量最高，最不稳定。29. 能量曲线图06012018024030036015.9

17、kj/mol3.7kj/mol. 丁烷有无数个构象，最稳定的构象是反交叉式。302. 高级烷烃的构象高级烷烃的构象锯齿状排列，其中锯齿状排列，其中C-H都处于交叉式，碳链看起来向锯齿。都处于交叉式，碳链看起来向锯齿。最稳定的构象是：整个碳链是锯齿状的。最稳定的构象是：整个碳链是锯齿状的。313233四四. 烷烃的物理性质烷烃的物理性质 (Physical Properties of Alkanes) （自学）（自学）五五. 烷烃的反应烷烃的反应 (Chemical Reactions of Alkanes) 1. 卤化反应卤化反应概述：概述：烷烃和卤素（烷烃和卤素（Cl2、Br2）在暗处不发生

18、反应，但在光照）在暗处不发生反应，但在光照时反应猛烈甚至引起爆炸。时反应猛烈甚至引起爆炸。卤化反应：烷烃分子中的氢原子被卤素取代的反应。卤化反应：烷烃分子中的氢原子被卤素取代的反应。例：例：CH4+Cl2CH3Clh+HClCH2Cl2+Cl2h+HClCH3Cl34CHCl3CH2Cl2+Cl2h+HClCCl4CHCl3+Cl2h+HCl注意：得到混合物，控制条件，可使某一种产物占主要。注意：得到混合物，控制条件，可使某一种产物占主要。合成上无价值，重要性在于机理的研究。合成上无价值，重要性在于机理的研究。1). 氯化反应的机理氯化反应的机理反应机理：反应经历的过程。是综合实验事实作出的理

19、反应机理：反应经历的过程。是综合实验事实作出的理 论假设。公认的机理，能够解释实验事实。论假设。公认的机理，能够解释实验事实。ClCl+hor ClCl链引发链引发35CH3+Cl2CH3Cl + ClCH2ClCH3Cl + Cl+HClCH2Cl+Cl2CH2Cl2+ Cl+ClClCl2+CH3CH3CH3CH3CH3Cl+ClCH3+HClCl+ CH4CH3链增长链增长链终止链终止36. 具有链引发、链增长、链终止的反应在化学上叫自由具有链引发、链增长、链终止的反应在化学上叫自由 基反应（自由基链反应，连锁反应）。基反应（自由基链反应，连锁反应）。. 决定反应速度的步骤是决定反应速度

20、的步骤是+HClCl+ CH4CH3链增长反应中的链增长反应中的 夺氢过程夺氢过程. 不同卤素的反应活性不同卤素的反应活性氟氯溴碘氟氯溴碘. 各种氢的相对反应活性各种氢的相对反应活性结论：叔氢仲氢伯氢结论：叔氢仲氢伯氢37CH3CH2CH3+Cl2hCH3CH2CH2Cl43%+CH3CHCH3Cl57%6个伯氢所得个伯氢所得2个仲氢所得个仲氢所得仲氢仲氢 / 伯氢伯氢=57/243/6=41仲氢的反应活性是伯氢的仲氢的反应活性是伯氢的4倍。倍。CH3CCH3CH3H+Cl2hCH3CCH3CH3Cl36%+CH3CCH2ClCH3H64%叔氢叔氢 / 伯氢伯氢=64/936/1=51叔氢的反

21、应活性是伯氢的叔氢的反应活性是伯氢的5倍。倍。38解释：三种氢的键裂解能为：解释：三种氢的键裂解能为：1C-H 410.3Kj / mol2C-H 397.7Kj / mol3C-H 389.4Kj / mol键裂解能越小，键越弱，越易均裂。键裂解能越小，键越弱，越易均裂。. 选择性（卤素对取代反应的选择性）选择性（卤素对取代反应的选择性）由于有机反应副反应多，若反应的选择性大，得到几种可由于有机反应副反应多，若反应的选择性大，得到几种可能产物所占比例差别大。能产物所占比例差别大。若反应的选择性小，得到几种可能产物所占比例差别小。若反应的选择性小，得到几种可能产物所占比例差别小。39CH3CH

22、2CH3CH3CH2CH2XCH3CHCH3XhX2+Cl243%57%Br23%97%在氯化反应中：在氯化反应中： 仲氢仲氢 / 伯氢伯氢=41在溴化反应中：在溴化反应中： 仲氢仲氢 / 伯氢伯氢=971在溴化反应中，仲氢比伯氢活性大的多。在溴化反应中，仲氢比伯氢活性大的多。因此溴化具有很高的选择性，在合成上有应用价值。因此溴化具有很高的选择性，在合成上有应用价值。402). 烷基自由基的稳定性烷基自由基的稳定性在自由基链反应中，决定速度步骤中的中间体是烷基自由在自由基链反应中，决定速度步骤中的中间体是烷基自由基，自由基越稳定，反应越易进行。基，自由基越稳定，反应越易进行。CH3CCH3CH

23、3HBr2+CH3CCH3CH3Brh99.5%例：例：结论：结论：(CH3)3C(CH3)2CHCH3CH2CH3解释：解释：. 键裂解能键裂解能H CH3+ HCH3439.6Kj / mol41键裂解能越小，键越弱，越易均裂，自由基越易形成，键裂解能越小，键越弱，越易均裂，自由基越易形成，即自由基稳定。即自由基稳定。CH3CHCH3H(CH3)2CH+ HCH3CCH3CH3H(CH3)3C+ HCH3CH2HCH3CH2+ H410.3Kj / mol397.7Kj / mol389.4Kj / mol42. 超共轭效应超共轭效应定义：烷基上的碳原子与体积极小的氢原子结合，定义：烷基上

24、的碳原子与体积极小的氢原子结合， 对电子云屏蔽作用很小，所以对电子云屏蔽作用很小，所以C-H上的上的电子电子 比较容易与邻近的比较容易与邻近的电子（或电子（或P轨道）共轭，轨道）共轭， 使电子重新分配，基团稳定。这种使电子重新分配，基团稳定。这种键与键与 键（或键（或P轨道）的共轭称为轨道）的共轭称为超共轭效应超共轭效应， 键与键与键的共轭叫键的共轭叫- 超共轭效应超共轭效应， 键与键与 P轨道的共轭叫轨道的共轭叫- p 超共轭效应超共轭效应。 43CHHH.sp2CCHHHHH.sp2sp3有有3个个C-H 电子同电子同P轨道交盖轨道交盖44有有9个个C-H 键键电子同电子同P轨道交盖轨道交

25、盖CH3CH3CCH3接近接近sp2.CH3CH3CH接近接近sp2有有6个个C-H 键键电子同电子同P轨道交盖轨道交盖453). 甲烷氯化反应的能线图甲烷氯化反应的能线图在甲烷氯化反应中，决定反应速度的步骤是在甲烷氯化反应中，决定反应速度的步骤是链增长反链增长反应应中的第一步：中的第一步：夺氢过程夺氢过程CHHHH+ ClCHHHHClCHHH+HCl过渡态过渡态46+CH4ClCH3H ClHClCH3+HEact反应坐标反应坐标 E kj / mol吸热反应吸热反应链增长反应链增长反应中的第一步中的第一步链增长反应链增长反应中的第二步中的第二步放热反应（放出大量的热）放热反应（放出大量的

26、热）Cl2CH3+HCH3Cl ClE1act+ ClCH3Cl反应坐标反应坐标 E kj / mol47过渡态：在能线图的峰顶，无法证实。过渡态：在能线图的峰顶，无法证实。中间体：在能线图的峰谷，实验方法可证实。中间体：在能线图的峰谷，实验方法可证实。活化能：过渡态与初始态之间的能量差。活化能：过渡态与初始态之间的能量差。反应热：生成物与反应物之间的能量差。正值为吸热，负反应热：生成物与反应物之间的能量差。正值为吸热，负 值为放热。值为放热。2. 氧化反应氧化反应CnH2n+2+ O2CO2H2O+热量热量合成上无意义，但能作燃料。合成上无意义，但能作燃料。当不完全燃烧时，生成碳黑，在橡胶应

27、用中广泛。当不完全燃烧时，生成碳黑，在橡胶应用中广泛。CnH2n+2+ O2MnO2110RCOOH483. 热解反应热解反应CH3CH2CH2CH3热解CH4+CH3CH3CH2CH2CH2CHCH3CH2CHCH2CH3H2+热解反应：化合物在热作用下的分解。热解反应：化合物在热作用下的分解。煤油：煤油：C11-C16烷烃烷烃柴油：柴油：C15-C18烷烃烷烃汽油：汽油：C5-C12烷烃烷烃CH2CH2n催化剂C5-C12烷烃烷烃汽油汽油494. 硝化反应硝化反应RH+ HNO3400-450RNO2+ H2O5. 磺化反应磺化反应CH3CH3+H2SO4CH3CH2SO3H400+ H2

28、O注意：会用生成热（注意：会用生成热（Hf）计算反应的焓变。键裂解能计算反应的焓变。键裂解能 （DH）计算反应的焓变。计算反应的焓变。502. 武慈武慈 ( Wurtz )反应反应2RBr+NaR R+NaBr六六. 烷烃的制备烷烃的制备 (Preparations of Alkanes) 1. 格利雅试剂格利雅试剂（Grignard）水解水解RMgX+ H2ORHMg(OH)X+用于制备特殊烷烃。用于制备特殊烷烃。RX+Mg无水乙醚RMgX格利雅试剂格利雅试剂51 格林雅格林雅（Victor Grignard, 18711935, 法国化学家）法国化学家） 格林雅试剂是有机化学工作所熟知的最有用和最多功能的试剂之格林雅试剂是有机化学工作所熟知的最有用和最多功能的试剂之一，它是由法国化学家格林雅发现的。一，它是由法国化学家格林雅发现的。 格林雅格林雅1871年生于法国塞堡年生于法国塞堡 (Cherbourg France)。在里昂。在里昂(Lyons)他他跟跟 L. Bouceault学习一年后，在巴比埃学习一年后，在巴比埃 (P. A. Barbier)指导下攻读博士学指导下