第二章-烷烃-(3)要点

1、第二章第二章 饱和烃（烷烃）饱和烃（烷烃）烃开链烃环烃 饱和烃（烷烃） 不饱和烃（烯、炔烃）不饱和环烃（环烯烃） 饱和环烃（环烷烃）CH3CH3CH2CH2CHCH本章要求: 同分异构; 命名; 构象; 卤代反应的自由基机理烃（碳氢化合物烃（碳氢化合物, hydrocarbons）开链烃（脂肪烃）开链烃（脂肪烃） 环烃环烃饱和烃饱和烃 （C, C单键）不饱和烃（单键）不饱和烃（ C, C双键，三键）双键，三键）烷烃（烷：饱和，发音同烷烃（烷：饱和，发音同“完完” ）：饱和脂肪烃）：饱和脂肪烃CHHHHCH4甲烷CCHHHHHHC2H6乙烷CCHHHCHHC3H8丙烷HHHCCHHHCHHC4H

2、10丁烷CHHHHH烷烃的通式：烷烃的通式：CnH2n+2 （CH4, C2H6, C3H8, C4H10, ） 同系列：有相同通式、结构上相差一定的同系列：有相同通式、结构上相差一定的“原子团原子团” ” 的一系的一系列列 化合物。（如：烷烃相邻两个化合物相差化合物。（如：烷烃相邻两个化合物相差CH2。）。）同系物：同系列中的化合物为同系物。同系物：同系列中的化合物为同系物。同系列和同系物（同系列和同系物（Homologs）：）：一一. 同系列和同分异构同系列和同分异构C4H10（2个个同同分分异异构构体体）H3CCH2CH2CH3H3CCHCH3CH3C5H12（3个个同同分分异异构构体体

3、）H3CCH2CH2CH2CH3H3CCHCH2CH3CH3H3CCCH3CH3CH3C6H145C7H16C10H22C20H4297536,6319同同分分异异构构体体数数目目同分异构现象和同分异构体（碳架异构体）同分异构现象和同分异构体（碳架异构体）四碳以上的烷烃出现同分异构现象四碳以上的烷烃出现同分异构现象有机化合物中的四种不同类型碳原子有机化合物中的四种不同类型碳原子H3C CH2CH2CH3（含含两两种种类类型型碳碳原原子子和和氢氢原原子子）1o C （伯伯碳碳, ,一一级级碳碳）2o C （仲仲碳碳，二二级级碳碳）(secondary carbon)(primary carbon

4、)1o H （伯伯氢氢, ,一一级级氢氢）2o H （仲仲氢氢，二二级级氢氢）H3CCHCH3CH3（含含两两种种类类型型碳碳原原子子和和氢氢原原子子）1o C 和和 1o H3o C （叔叔碳碳，三三级级碳碳）(tertiary carbon)3o H （叔叔氢氢，三三级级氢氢）H3CCH2CH2CH2CH3H3CCHCH2CH3CH31o C 和和 1o H2o C 和和 2o H1o C 和和 1o H1o C 和和 1o H2o C 和和 2o H3o C 和和 3o HH3CCCH3CH3CH34o C （季季碳碳，四四级级碳碳）(quaternary carbon)H3C CH2C

5、H2CH21o 自由基（伯自由基）H3CCCH3CH33o 自由基（叔自由基）H3C CH2CHCH32o 自由基（仲自由基）H3C CH2CH2CH21o负碳离子（伯负碳离子）H3CCCH3CH33o 正碳离子（叔正碳离子）扩展扩展二二. 烷烃的命名烷烃的命名 普通命名法普通命名法 IUPAC命名法（系统命名法）（命名法（系统命名法）（IUPAC: 国际纯粹与应用化学国际纯粹与应用化学 联合会，联合会，International Union of Pure and Applied Chemistry）1. 普通命名法普通命名法 方法方法: 表示异构的表示异构的词头词头 + 碳原子数目碳原子数

6、目 + 烷烷 英文命名用英文命名用词尾词尾-ane表示烷烃表示烷烃 碳原子数为碳原子数为110用天干（用天干（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、 癸癸）表示，）表示，10以上是用大写数字（如：以上是用大写数字（如：十一十一）表示）表示 简单化合物同分异构体用词头简单化合物同分异构体用词头“正正”、“异异”和和“新新”等区分等区分, 相应的英文词头为相应的英文词头为 n- (normal)、iso和和neoCH4CH3CH3CH3CH2CH3CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3中中文文名名英英文文名名甲甲烷烷乙乙烷烷丙丙烷烷正正丁丁烷烷异异丁丁烷烷

7、methaneethanepropanen-butaneisobutaneCH3(CH2)3CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3正正戊戊烷烷异异戊戊烷烷新新戊戊烷烷n-pentaneisopentaneneopentaneCH3(CH2)4CH3CH3CHCH2CH2CH3CH3CH3CCH2CH3CH3CH3正正己己烷烷异异己己烷烷新新己己烷烷n-hexaneisohexaneneohexaneCH3(CH2)5CH3正正庚庚烷烷n-heptaneCH3(CH2)6CH3CH3(CH2)7CH3CH3(CH2)8CH3CH3(CH2)9CH3CH3(CH2)10CH3

8、CH3(CH2)11CH3CH3(CH2)18CH3正正辛烷烷正正壬烷烷正正癸烷烷正正十十一一烷烷正正十十二二烷烷正正十十三三烷烷正正二二十十烷烷n-octanen-nonanen-decanen-undecanen-dodecanen-tridecanen-eicosane2. IUPAC命名法（系统命名法命名法（系统命名法）方法：选定一条最长链作为为主链（以普通命名法命名），方法：选定一条最长链作为为主链（以普通命名法命名）， 其它支链作为主链上的取代基。其它支链作为主链上的取代基。CH3CHCH3CH3异丁烷2-甲基丙烷如：如： 烷基取代基：烷烃去掉一个氢原子后留下的原子团烷基取代基：烷

9、烃去掉一个氢原子后留下的原子团RHR烷烷烃烃烷烷基基 一些常见的烷基一些常见的烷基R（烷烷基基）CH3CH3CH2CH3CH2CH2中中文文名名英英文文名名甲甲基基乙乙基基（正正）丙丙基基methylethyln-propylCH3CHCH3异异丙丙基基缩缩写写MeEtn-Prisopropyli-PrCH3CH2CH2CH2CH3CHCH2CH3（正正）丁丁基基异异丁丁基基n-butylisobutylCH3CCH3CH3叔叔丁丁基基tert-butyln-Bui-But-Bu(tertiary)CH3CH2CH仲仲丁丁基基sec-butyls-BuCH3(secodary)R（烷烷基基）中

10、中文文名名英英文文名名缩缩写写CH3(CH2)3CH2CH3CHCH2CH2CH3（正正）戊戊烷烷异异戊戊基基n-pentyln-amylisopentylCH3CH2CCH3CH3叔叔戊戊基基R（烷烷基基）中中文文名名英英文文名名tert-pentylCH3CCH2CH3CH3新新戊戊基基neopentyl IUPAC命名法（方法、规则及书写）命名法（方法、规则及书写）(a) 选最长链为主链、取代基编号数最小，多取代基时采取选最长链为主链、取代基编号数最小，多取代基时采取“最低系列最低系列”的编号方法的编号方法CH3CH2CH2CHCH2CH3CH2CH2CH2CH3123456781234

11、56784-乙基辛烷 (4-ethyloctane)不不正正确确命命名名: : 4- -乙基- -辛烷(b) 选取代基多的链为主链选取代基多的链为主链CH3CH2CH2CHCHCH3CH2CH31234CH356122- -甲基- -3- -乙基己烷不不正正确确命命名名: : 3- -异丙基己烷3- -ethyl- -2- -methylhexane注意：排列顺序（中文按基团优先次序，英文以字母顺序排列）注意：排列顺序（中文按基团优先次序，英文以字母顺序排列）5(d) 相同取代基合并用大写数字表示相同取代基合并用大写数字表示4- -丙丙基- -8- -异异丙丙基十十一一烷4- -isoprop

12、yl- -8- -propylundecane(c) 两端基团标号相同，取优先基团为最大两端基团标号相同，取优先基团为最大（基团优先顺序后面讲）（基团优先顺序后面讲）CH3CH2CHCH2CHCHCH2CH3CH2CH3CH2CH3CH2CH33, 4, 6- -三三乙乙基基辛辛烷烷3, 4, 6- -triethyloctane注：英文表示基团数目用词头注：英文表示基团数目用词头 di, tri, tetra, penta, hexa表示表示(e) 含支链的取代基的命名含支链的取代基的命名12345678 2，7- -二甲基- -4- -(2- -丁基)辛烷2，7- -二甲基- -4- -(

13、1- -甲基丙基)辛烷 2，7- -二甲基- -4- -仲仲丁基辛烷23仲仲丁基2- -丁基1- -甲基丙基CH3CH CH CHCH3CH3CH2CH2CH CH3CH2CHCH3CHCH3CH3CH3123456789102,3,4,8,9-五甲基-7-乙基癸烷CH3CH2CH CHCH3CH2CH2CH2CH2CH2CHCH3CHCH3456789102,8-二甲基-7-异丙基-6-(1,2-二甲基丙基)癸烷CH2CH3CH3123CH3CH3CH3CH2CHCH2CH2CH2CH3CH2CH2CH3CH245673-甲基-5-乙基-4-丙基庚烷123CH3CH3CH3CH2CHCH2C

14、H2CH CH3CH3CH2CH45672,5-二甲基-4-异丁基庚烷123CH3CH3CH33. 基团的优先顺序（基团的优先顺序（Cohn-Ingold-Prelog定序规则）定序规则）（1）原子序数大者优先，同位素质量大者优先）原子序数大者优先，同位素质量大者优先 如：如： I Br Cl S P F O N C D H（2）基团的第一个原子相同时，比较与其相连的下一个原子）基团的第一个原子相同时，比较与其相连的下一个原子 如：如：- -CH2CH3 - -CH3 - -CH2Cl - -CH2F - -CH2OCH3 - -CH2OH - -CH(CH3)2 - -CH2CH(CH3)2

15、（3）对不饱和基团，可认为与同一原子连接）对不饱和基团，可认为与同一原子连接 2 或或 3 次次如：如：CH CH2CH CH2CCCH OCH OOCCNCNNNCC叔丁基叔丁基 仲丁基仲丁基 异丙基异丙基 异丁基异丁基 丁基丁基 丙基丙基 乙基乙基 甲基甲基例例: 比较以下基团的优先顺序比较以下基团的优先顺序CHCH2CHCH2CC比比较较：CHCH2CH2CH2CH3与与CHCH2CH3H比比较较：与与CCH3CH3CH3CCCCH3CH3CH31.2.三三. 烷烃的结构烷烃的结构CHHHHHCHHH甲烷的结构式正四面体结构Kekule模型模型Stuart模型模型HCHHHHCHHHHC

16、HHH伞形式伞形式s + px + py + pz4 sp3109.5o杂杂化化CHHHHCHHHH碳原子外层电子组态：碳原子外层电子组态： (2s)2, (2px)1, (2py)1, (2pz)0成共价键时：成共价键时：(2s)1, (2px)1, (2py)1, (2pz)1跃迁跃迁HHHHHHsp3sp3+HHHHHH键键乙烷分子中原子轨道重叠示意图乙烷分子中原子轨道重叠示意图CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC丙烷、丁烷、戊烷的碳架结构丁烷的丁烷的Stuart模型模型丁烷的丁烷的Kekule模型模型四四. 乙烷和丁烷的构象乙烷和丁烷的构象 CC单键的可旋性单键的可旋性

17、 构象异构产生的原因构象异构产生的原因 1. 乙烷的构象乙烷的构象CHHCHHHH12HHHHHH12HHHHHH12伞伞形形式式锯锯架架式式Newman投投影影式式 描述立体结构的几种方式描述立体结构的几种方式 CC单键旋转产生的立体异构体单键旋转产生的立体异构体构象异构体构象异构体HHHHHH60oC1旋转HHHHHH-250oC): (a)单单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。象式上。(b)一群乙烷分子：某一时刻，一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。绝大多数分子在稳定的构象式上。2. 丁烷的构象丁烷的构象CH2H3C12CH3HHH

18、CH3HC2旋转交交叉叉式式（anti）（对对位位交交叉叉式式）部部分分重重叠叠式式甲甲基基间间距距离离最最远远最最稳稳定定CH2CH334123460oCH3HHHHH3CCH3HHHHH3C60oCH3HHCH3HH60o60oCH3HHCH3HH全全重重叠叠式式邻邻位位交交叉叉式式（gauche）邻邻位位交交叉叉式式（gauche）甲甲基基间间距距离离最最近近最最不不稳稳定定较较稳稳定定较较不不稳稳定定 丁烷构象转换与势能关系图丁烷构象转换与势能关系图060120degrees of rotation36030024018014321143potential energy (Kcal/m

19、ol)CH3HHHCH3HCH3HHHCH3HCH3HHHHH3CCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHCH3HHHHH3CCH3HHHCH3H五. 烷烃的物理性质状态：常温下C1-C4为气体，C5-C17为液体，C18为固体。熔沸点：熔点、沸点随分子量增大而升高。 同分异构体中，分支程度越高的沸点越低。密度：随分子量增加而升高，但都小于1。溶解度：不溶于水及其它极性强的溶剂， 易溶于弱极性和非极性有机溶剂。六六. 烷烃的化学性质烷烃的化学性质1. 烷烃的结构分析：烷烃的结构分析：RHC-C键和键和C-H键强度很大。键强度很大。 C为为sp3 杂化，已饱和，不能加成。杂化，已饱和，不能加成。

20、 CH键为低极性共价键，键为低极性共价键，H酸性小，不易被置换。酸性小，不易被置换。 结论结论: 一般情况下一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱烷烃化学性质不活泼、耐酸碱，实验中，实验中 常用作低极性溶剂常用作低极性溶剂2. 烷烃的氯代反应烷烃的氯代反应CH4+ Cl2hv orCH3Cl +HClCH3Cl + Cl2hv orCH2Cl2+HClCH2Cl2+ Cl2hv orCHCl3+HClCHCl3+ Cl2hv orCCl4+ HCl实验现象实验现象: (1)反应需光照或加热。反应需光照或加热。 (2)反应有引发过程，吸收一个光子可产生几千个氯甲烷。反应有引发过程，吸收一个光子可产

21、生几千个氯甲烷。 (3)产物除上述四种甲烷的氯代物外，还有乙烷、乙烷的氯代物，甚产物除上述四种甲烷的氯代物外，还有乙烷、乙烷的氯代物，甚 至还有碳原子数更多的烷烃以及它们的氯代产物。至还有碳原子数更多的烷烃以及它们的氯代产物。烷烃卤代的反应机理（反应机制，反应历程）烷烃卤代的反应机理（反应机制，反应历程）（Reaction Machanism） 什么是反应机理什么是反应机理：对反应的详细的一步一步的描述（解释诸如反应：对反应的详细的一步一步的描述（解释诸如反应 是如何开始的？经过了什么中间体？反应条件起什么作是如何开始的？经过了什么中间体？反应条件起什么作 用？决速步骤是哪一步？副产物是如何生

22、成的？等问题）用？决速步骤是哪一步？副产物是如何生成的？等问题） 研究反应机理的意义研究反应机理的意义：了解影响反应的各种因素，最大限度地提：了解影响反应的各种因素，最大限度地提 高反应的产率。发现反应的一些规律，指导研究的深入，高反应的产率。发现反应的一些规律，指导研究的深入， 发现新的研究课题发现新的研究课题 反应机理的不断完善反应机理的不断完善：反应机理尚有一定的不确定性，常因新的实：反应机理尚有一定的不确定性，常因新的实 验现象的出现而修改。验现象的出现而修改。Cl2CH4ClCl ClClCl2CH4hv orCH4Cl2CH4ClCl+DH( (建建离离解解能能) )242.4 k

23、J/molCH3HHCH3+434.7 kJ/molClCH3H+ClH+CH3有有效效碰碰撞撞, ,产产生生新新的的自自由由基基ClCl ClCl+回回到到起起始始物物 Cl+ Cl+ClCl净净结结果果= =0 0易易发发生生反反应应体体系系Cl2不不易易发发生生甲烷的氯代反应过程分析甲烷的氯代反应过程分析接下页接下页CH3ClHClCH3CH4Cl2ClHClCH4ClCl接接上上页页CH3ClCl+CH3Cl+Cl有有效效碰碰撞撞, ,产产生生新新的的产产物物, ,Cl 可可进进一一步步参参与与反反应应ClCH3+CH3Cl自自由由基基消消失失，反反应应不不能能进进行行下下去去CH3C

24、H4+CH3CH4+净净结结果果= =0 0重重复复前前面面反反应应ClCH3H+ClH+CH3接接下下页页Cl2n CH3Cln HClCH3ClCH3CH3(少少)接接上上页页ClCl+ClClClCH3+CH3ClCH3CH3+CH3CH3ClCH3自自由由基基完完全全消消失失，反反应应终终止止n CH3Cln HCl甲烷的氯代机理（自由基型链反应，甲烷的氯代机理（自由基型链反应，chain reaction）ClClhv or2 Cl(1)(2)ClCH3H+ClH+CH3(3)CH3ClCl+CH3Cl+Cl(6)第第(2), (3)步步重重复复进进行行ClCl+ClClClCH3+

25、CH3ClCH3CH3+CH3CH3(7)(8)链链引引发发链链转转移移（链链传传递递, ,链链增增长长）链链终终止止chain initiationchain propagationchain termination(4)ClCH2ClH+ClH+CH2Cl(5)CH2ClClCl+CH2Cl2+Cl第第(4), (5)步步重重复复进进行行CH2Cl+CH2ClCH2ClCH2Cl(9)甲烷氯代过程中的能量变化甲烷氯代过程中的能量变化机理的决速步骤的分析机理的决速步骤的分析(2)ClCH3H+ClH+CH3(3)CH3ClCl+CH3Cl+Cl434.7kJ/mol430.5kJ/mol (

26、 (反反应应热热) )+ 4.2kJ/molEa( (活活化化能能) )+ 16.7kJ/mol242.4kJ/mol351.1kJ/mol- 108.7kJ/mol+8.3kJ/mol 甲烷氯代机理第甲烷氯代机理第(2), (3)步的反应热（步的反应热（）和活化能（）和活化能（Ea）问题问题: 为什么反应需提供额外的能量才能进行为什么反应需提供额外的能量才能进行? 步骤步骤 (2) 为吸热为吸热, 活化能大活化能大, 为反应的慢步骤为反应的慢步骤(决速步骤决速步骤) 反应的过渡态和过渡态理论反应的过渡态和过渡态理论过渡态理论：过渡态理论： 在化学反应中，反应物相互接近，总是先达到在化学反应中

27、，反应物相互接近，总是先达到一势能最高点（活化能）（相应结构称为过渡态），然后再一势能最高点（活化能）（相应结构称为过渡态），然后再转变为产物。转变为产物。ClCH3H+ClH+CH3ClCH3H 过过渡渡态态Transition State例：机理步骤例：机理步骤(2)过渡态过渡态： （推测的）势能最高处的原子排列，寿命推测的）势能最高处的原子排列，寿命= 0，无法测得。，无法测得。对比：中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中对比：中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中 间体活泼，可通过实验方法观察到。间体活泼，可通过实验方法观察到。甲烷氯代的势能变化图甲烷氯代的

28、势能变化图Cl H + CH3反反应应进进程程势势能能 kJ/molClCH4+ClCH3H ClCH3Cl CH3Cl + ClEa 1Ea 2 Cl2 氯氯代代反反应应的的选选择择性性CH3CH2CH32 Cl2hv , 25oCCH3CH2CH2ClCH3CHCH3+Cl45%55%选择性：2o H : 1o H = 3.7 : 1CH3CHCH32 Cl2hv , 25oCCH3CHCH2ClCH3CCH3+Cl64%36%CH3CH3CH3选择性：3o H : 1o H = 5 : 1氯氯代代选择性：3o H : 2o H : 1o H = 5.0 : 3.7 : 1卤代反应的选择性

29、只与氢原子的类卤代反应的选择性只与氢原子的类型有关型有关, 与烷烃的类型关系不大与烷烃的类型关系不大问题：为什么速度快而产问题：为什么速度快而产物的比例却低？物的比例却低？CCH3CH3CH3CHCH3CH3CH2CH3CH31o自由基(叔自由基)2o自由基(仲自由基)1o自由基(伯自由基)甲基自由基自由基的稳定性自由基的稳定性烷烃卤代反应速率烷烃卤代反应速率F Cl Br I溴代选择性溴代选择性：3o H : 2o H : 1o H = 1600 : 82 : 13o2. 烷烃的氧化和燃烧烷烃的氧化和燃烧有机物有机物氧化还原反应氧化还原反应的概念：的概念：在有机分子中加入氧或去掉氢叫做氧化；加氢或去氧叫还原。在有机分子中加入氧或去掉氢叫做氧化；加氢或去氧叫还原。有机分子中的碳与电负