有机化学c2 饱和烃课件

1、第二章 饱和烃（烷烃)Alkanes【学习要求】能正确书写烷烃的构造异构体，掌握烷烃的命名原则。能用原子轨道杂化理论解释烷烃中碳原子的构型。 掌握键的形成、结构特点及特性 。掌握构象式（纽曼式和透视式）的写法。掌握烷烃的物理性质（沸点，熔点，溶解度，比重等）存在的规律性的变化。掌握烷烃的氧化，裂化，取代反应。掌握烷烃的卤代反应、自由基反应的条件、历程及自由基的稳定性。1 几个基本概念烃(Hydocarbons)饱和烃(Saturated hydrocarbons)链烷烃的通式(General formula) CnH2n+2同系列(Homologous series)同系物(Homologs)

2、1.1 烃：只由碳氢两种元素组成的有机物；也叫碳氢化合物。开链烃：碳原子相连成链状的烃，叫脂肪烃。饱和脂肪烃叫烷烃。一、同系列：具有同一个通式，结构和化学性质相似在组成上相差一个或几个CH2的一系列化合物。 同系差：同系列组成上的差异CH2。 同系物：同系列中的化合物彼此互为同系物。 最简单的烷烃是甲烷，依次为乙烷、丙烷 、丁烷、戊烷等，它们组成了烷烃的同系列1.2 同系列和同分异构 二、 烷烃的同分异构现象同分异构体：具有相同分子式的不同化合物。构造异构体：具有相同分子式，分子中原子或基团因连接顺序不同而产生的异构体。 碳架异构：由碳架不同引起的异构，称碳架异构。(属构造异构)开链烷烃的构造

3、异构只有碳架异构正戊烷 异戊烷 新戊烷三、 伯、仲、叔、季碳原子在烃分子中仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子（或一级碳原子，用1表示）在烃分之中仅与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2表示）在烃分之中仅与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（或三级碳原子，用3表示）在烃分之中仅与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4表示）例如： CH3 C CH2 CH CH3CH3CH31234CH31 与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子的反应性能有一定的差别。 碳原子和氢原子的分类（重点)2 链烷烃的命名1.习惯命名法（普通命名法）2.系统命名法

4、3. 衍生物命名法4. 俗名 二、系统命名法（IUPAC）(International Union of Pure and Applied Chemistry)国际纯粹和应用化学联合会直链烷烃系统命名与普通命名法相同，只是把“正”字取消带有支链的烷烃则按以下命名规则命名1、基团 (-yl) 的概念：烷烃分子中除去一个氢原子后余下的部分，以R-表示(1)某基：甲基(methyl) CH3- ；乙基(ethyl) CH3CH2- ；丙基 CH3CH2CH2- (2)异某基：异丙基 (CH3)2CH- ； 异丁基 (CH3)2CHCH2- (3)仲某基：仲丁基 CH3CH2CH(CH3)-(4)叔某

5、基：叔丁基 (CH3)3C-2、命名规则：（重点） “三步曲” (1)选主链：最长碳链。等长时, 取代基最多。(2)编号：a:从离支链最近的一端开始编号；b: “位置和最小”（以前） _“最低系列”规则（现在）(3)写出名称：a:支链烷基名称和位置写在前； b: 小基团在前，大基团在后（次序规则）； c:相同基团合并，以汉字二、三、四等标明数目。注意： (1).数字与汉字间用“”隔开，数字间用“，”分开； (2). “某基”和“某烷”之间不能用“”隔开; (3).汉字二、三、四等不能用阿拉伯数字2,3,4等替换次序规则的主要内容原子序数大的次序大，原子序数小的次序小，同位素中质量高的次序大 。

6、次序大的 为“较优”基团后命名。 I Br Cl S P F O N C D H 如果原子团的第一个原子相同，则比较与它相连的其它原子（第二个原子）的原子序数大小 ，其它依次类推 。含有双键或叁键的原子团，可以认为连有二个或三个相同的原子 。所以乙基和甲基相比，乙基为“较优”基团，因此乙基应排在甲基之后命名, “”表示优先于。4-甲基-3-乙基庚烷 （ ）3-乙基-4-甲基庚烷（）三、衍生物命名法 该法是按照化合物由简到繁的原则，规定每类化合物以最简单的一个化合物为母体，而将其余部分作为取代基来命名的。 四、有机化合物的俗名和简称： 所谓俗名(trivial name)就是化学工作者根据化合物

7、的来源、制法、性质或采用人名等加以命名的。仅举几例： CH4 甲烷，沼气石油醚（的烷烃混合物）液体石蜡（的烷烃混合物）凡士林（的烷烃混合物）一、碳原子的sp3杂化：1个s轨道和3个p轨道杂化后，形成4个完全相等的轨道，这种轨道称为sp3杂化轨道。 a 杂化轨道有更强的方向性；b 四个SP3杂化轨道完全等值；c 四个键尽可能远离；d 每两个杂化轨道之间的夹角都是109283. 烷烃的结构三、键：成键电子云沿键轴方向呈圆柱形对称重叠而形成的键叫做键。键的特点:(1)电子云沿键轴呈圆柱形对称分布。 (2)可自由旋转而不影响电子云重叠的程度。 (3)结合的较牢固。 因 C-H键, 键能 415.3KJ

8、/mol C-C键, 键能 345.6KJ/mol碳原子都是SP3杂化，C-C 键为SP3- SP3 键C-H 键为SP3- S 键 烷烃分子中： C-C -键可绕键轴自由旋转乙烷分子中原子轨道重叠示意图C-H -键这是C原子能形成碳链和碳环的化学键的基础。碳-碳单键的键长是0.154nm,键能为345.6kJ/mol。五、烷烃分子的模型和表示方法 键线表示法： 楔形式 ：己烷 2-甲基戊烷 乙烷 （3)模型：Kekkule(凯库勒)模型：球和棍棒，表示原子和键； stuart（斯陶特)模型：原子半径和键长的比例；实线-键在纸平面上; 楔线-键在纸平面前; 虚线-键在纸平面后。乙烷的凯库勒模型

9、 斯陶特模型4. 烷烃的构象(Conformation)（重点）构象：构造一定的分子，通过单键的旋转而引起的分子中各原子在空间的不同排布称为构象。构象异构体(Conformers)：由单键旋转而产生的异构体。属于立体异构。单键旋转会产生无数个构象，它们互为构象异构体。室温下，异构体不能分离。一、乙烷的构象：构象：围绕单键旋转所产生分子中的原子或基团在空间的不同排列。1、透视式：2、纽曼投影式：交叉式重叠式画一个圆圈表示离眼睛较远的碳原子，圆圈上三等份圆周的短线表示这个碳原子上的三根键；圆心表示离眼睛较近的碳原子，由圆心到圆周三等份的延长线表示这个碳上的 三根键。 从C-C单键的延线上观察：纽曼

10、投影式规则（重点） 3、构象的表示方法：纽曼式（Newman）楔形式锯架式 球棒模型 4、构象的稳定性分析乙烷两个极端构象 排斥力最大 排斥力最小 内能高 内能低 非键连相互作用力：不直接相连的原子间的作用力。 构象的稳定性与内能有关。内能低,稳定；内能高,不稳定。 内能最低的构象称优势构象。其它构象的内能介于这两者之间。乙烷不同构象的能量曲线图能量最低的构象最稳定，最稳定的构象称为优势构象。扭张力扭转能优势构象丁烷的构象二 .丁烷不同构象的能量曲线图稳定性：对位交叉 邻位交叉 部分重叠 全重叠 优势构象全重叠式邻位交叉式部分重叠式对位交叉式热力学能/kJmol-118.83.715.90室温

11、下含量/%018072绕C-2和C-3之间的键旋转，形成的四种典型构象。戊烷锯齿形（最稳定）药效构象：药物受体一般只于药物多种构象中的一种结合，这种构象称为药效构象。受体(receptor)：对特定的生物活性物质具有识别能力，并可选择结合的生物大分子。多巴胺（抗震颤麻痹药物）1状态：室温下，碳原子数：14 气态；517 液态；18以上 固态。C原子数越多，沸点越高。同C原子的烃，支链越多，沸点越低 b.p ：正戊烷（ 360C ）异戊烷（ 280C ）新戊烷（9.50C）2 熔点：分子量越大，熔点越高。对称性越好，熔点越高。 m.p ：正戊烷（-129.70C ）异戊烷（ -1600C ）新戊

12、烷（-170C）3溶解性：易溶解于氯仿、乙醚、四氯化碳、苯的弱极性和非极性溶剂，不溶于水和其他极性溶剂。4密度：随分子量增大而增高，但都小于1。 5. 烷烃的物理性质6. 烷烃的化学性质（重点） 结构是决定性质的内在因素；同系物结构相似，因而化学性质也基本相似。相对于其他有机物来说，烷烃未含官能团而具有较大的化学稳定性。一般情况下，烷烃和大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂金属钠等都不发生反应。 烷烃分子中只有碳碳，碳氢 -键，非极性键，键能大：C-C 347.3 kJ/mol ，C-H 414 kJ/mol。故十分稳定。不易发生异裂，一般发生均裂（如高温、高压、光照、催化剂条件下）。一、氯代：在

13、日光(或紫外光)照射下，或高温下，烷烃分子中的氢原子能逐步被氯取代，得到不同的产物。如甲烷的氯代： CH4 + Cl2 CH3Cl (一氯甲烷) + HCl ； CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 (二氯甲烷) + HCl ； CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 (三氯甲烷) + HCl ； CHCl3 + Cl2 CCl4 (四氯化碳) + HCl 。 反应有时很剧烈，控制不好会爆炸。 CH4 + 2 Cl2 C + 4 HCl 甲烷过量(10:1)时，主要得到一氯甲烷；甲烷与氯气体积比0.26:1时，主要得到四氯化碳。反应历程：化学反应所经历的途径或过程，又称为反应机理。反应历程是根据

14、大量的实验事实作出来的理论推导，实验事实越丰富，可靠的程度就越大。到目前为止，有些已被公认确定下来，有些尚欠成熟，有待于理论化学工作者的进一步努力。1、甲烷的氯代历程 实验事实： CH4、Cl2混合物在黑暗中长期保存，不反应。 CH4经光照后与Cl2混合，也不反应。 Cl2经光照后，迅速在黑暗中与CH4混合，反应立即发生。 Cl2经光照后，过一段时间后在黑暗中与CH4混合，反应不能发生。 实验事实告诉我们：烷烃的卤代反应是从Cl2的光照开始的。 且Cl2生成的活性质点寿命较短 实验证明，甲烷的氯代反应为自由基历程. CH3 + . CH3 CH3-CH3 一个自由基能使链增长反应重复5,000

15、次，一个光量子可以引发两个自由基，故可使链增长反应重复10,000次。 凡是自由基反应，都是经过链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的。从上可以看出，一旦有自由基生成，反应就能连续的进行下去，这样周而复始，反复不断的进行反应，故又称为链锁反应。2、自由基的结构与能量变化： Cl的单电子在 3p 轨道； CH3的单电子在哪一个轨道中，取决于甲基自由基的结构。 3 、甲烷氯代的反应势能变化图活化能越高，反应越难进行，反应速率越慢。生成甲基自由基的一步是速率决定步骤。X F Cl Br I Ea(kJ/mol) 4 17 75 141 卤素的相对活性：4、甲烷的卤化30%22%33%15%1、

16、几种氢的相对反应活性二、其它烷烃的卤代反应氢被取代生成一氯代物的反应活性, 比例关系：30H20H 10H = 4.4 3.3 1氢被取代生成一溴代物的反应活性, 比例关系： 30H20H 10H = 19000 220 1氢原子的相对活性为：3020 10 CH42、氢原子的相对反应活性 (重点）氢的相对活性 = 产物的数量被取代的等价氢的个数。自由基的相对稳定性：33、自由基的相对稳定性（重点） 各类CH键的解离能： H原子的反应活性次序为：3H 2H 1H 显然，自由基形成的难易应为： 容易形成的自由基，一定是稳定的自由基。自由基的稳定性顺序为： 4、自由基稳定性的理论解释 ，p-超共轭效应，p-超共轭效应的大小与参与共轭的CH键数目有关。5、卤素的反应活性和对氢的选择性卤素的反应活性： Cl2 Br2卤素的选择性: Br2 Cl2三、氧化和燃烧四、热裂反应在高温及没有氧气的条件下使烷烃分子中的C-C键和C-H键发生断裂的反应称为热裂反应。例如：热裂化反应根据生产目的的不同可采用不同的裂化工艺。1.深度裂化（裂解） 1)目的： 主要是得到基本化工原料（乙烯，丙烯，丁二烯，乙炔） 2)裂化温度 800-1100五、烷烃的来源及主要用途六、烷烃的制备一、