第二章烷烃和环烷烃.ppt

1、第二章 烷烃和环烷烃,本章重点内容,一 烷烃和环烷烃的通式和 构造异构 二 烷烃和环烷烃的命名 三 烷烃的结构和构象 四 烷烃的物理性质 五 烷烃的化学性质,第一节,烷烃和环烷烃的 通式和构造异构,什么是烃？,碳氢烃 tanqingting,2.1.1 烷烃定义,烷烃 由碳和氢两种元素组成的饱和、开链的有机化合物 饱和分子中的碳原子彼此之间都以CC单键(键) 相连。 在烷烃分子中，只含有CC键和CH键,典型烷烃,甲烷 CH4 乙烷 C2H6,丙烷 C3H8 正丁烷 C4H10,烷烃的通式：,CnH2n+2 n碳原子个数,环烷烃 由碳和氢两种元素组成的饱和的有机化合物，且碳骨架为环状。,2.1.

2、1 环烷烃定义,典型环烷烃,环丙烷 C3H6 环丁烷 C4H8,环戊烷 C5H10 环己烷 C6H12,环烷烃的通式：,CnH2n n碳原子个数,同系列，同系物，系差：,同系列 具有同一通式，组成上相差CH2及其整数倍的一系列化合物 同系物 同系列中的各个化合物互称同系物 系差 CH2,甲烷、乙烷、丙烷和环丙烷各自只有一种结构 丁烷（C4H10）有几种结构？,2.1.2 烷烃和环烷烃的构造异构,丁烷的构造异构（2种）,同分异构体和构造异构,同分异构体 分子式相同，原子的排列方式不同的化合物 构造异构体 分子式相同,分子构造不同的化合物 关系：构造异构是由于碳骨架不同引起的，属于同分异构,烷烃构

3、造异构体的数目,环烷烃的构造异构（C5H10）,环戊烷,1,1-二甲基环丙烷,乙基环丙烷,甲基环丁烷,1,2-二甲基环丙烷,第二节,烷烃和环烷烃的 命名,命名的目的,有机化合物种类数不胜数，纷繁复杂，必须有较为系统的命名方法，给每一个分子以清晰的名称，才能加以区分。 命名不仅要反映出化合物类别，还要反映出化合物的实际结构； 要求：已知分子结构能写出正确命名；已知名称能够正确写出化合物结构。,2.2.1 伯仲叔季碳原子和伯仲叔氢原子,伯、仲、叔、季碳原子,1 2 3 4,伯碳,仲碳,叔碳,季碳,伯碳1碳 仲碳2碳 叔碳3碳 季碳4碳,伯、仲、叔氢原子,伯H,叔H,仲H,不同氢原子反应活性有差异决

4、定主要产物,2.2.3 烷烃的命名,A：普通命名法 B：衍生物命名法 C：系统命名法,A: 普通命名法,碳原子数分别用“天干”甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和十一、十二等数目字表示。 用 “正”、“异”、“新”分别表示直链、一端具有异丙基或叔丁基的构造异构体。,A: 普通命名法,正戊烷：,新戊烷：专指五或六个碳烷烃的异构体中含有季碳原子,异戊烷：仅在碳链一末端有两个甲基而无其他支链的结构,B：衍生物命名法,以甲烷为母体，把其他的烷烃看作甲烷的烷基衍生物；命名时选择连接烷基最多的碳作为母体甲烷碳。,甲烷碳所连基团：两个甲基和一个乙基,命名：二甲基乙基甲烷,遇到复杂分子怎么办？,对于复杂分

5、子，普通命名法和衍生物命名法都无法使用。,C: 系统命名法,国际纯化学与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry）于1979年公布的命名原则，简称IUPAC命名原则，是化学领域通用命名法重点掌握。,系统命名法口诀,定主链，数基团 编号依次小 之间连短线 同基合并逗号断 写在母体前,B: 系统命名法,直链烷烃命名时不用加正字，根据碳原子个数叫某烷。 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 系统命名：己烷,1 定主链,原则一 选择主链 （1）带支链的烷烃选含碳原子数最多的碳链作为主链, 按主链的碳原子数称为某烷, 以此作为母体

6、。其他的支链作为取代基命名。,1 最长碳链做主链,例：,取代基定义 有机分子中去掉一个氢原子后剩余 部分，称为取代基。 各种取代基通常用符号“R”表示。,烷基和环烷基,烷基和环烷基 从（环）烷烃分子中去掉一个氢原子剩余的结构部分，称为相应的（环）烷基。,乙基 环丙基,一些烷基的名称与表示(1),一些烷基的名称与表示(2),取代基名称中“异”和“新”的含义,异：仅在分子中的一个末端有 异丙基结构而无其他支链。,异丙基,异丁基,异己烷,取代基名称中“异”和“新”的含义,新：专指分子中具有叔丁基 结构的五、六个碳的烷烃。,新戊基,新己烷,叔丁基,2 等长取代最多算,（2）最长碳链不止一条时怎么办？

7、选择取代基数目最多的最长碳链作为主链。,2 等长取代最多算,例：,蓝色：3个取代基,绿色：2个取代基,红色：4个取代基,选择红色碳链为主链才是正确的，所含取代基最多,3 编号依次最小,原则二 给取代基编号 （1）从主链距离取代基（支 链）最近的一端开始，用阿 拉伯数字编号。 目的：使取代基编号依次最小,3 编号依次最小,例：取代庚烷,从右编号，4位最早出现取代基 从左编号，2位最早出现取代基,3 编号依次最小,（2）给主链编号有多种可能时，遵循“取代基编号依次最小”原则。 依次最小：先比较第一个出现的取代基编号，取最小的为正确主链编号；若第一个取代基编号相同，则比较第二个出现的取代基编号，仍取

8、最小的为正确主链编号；若仍相同，则继续比较，直到出现取代基编号不同时为止。,3 编号依次最小,例：取代己烷,（2，4，5）,（2，3，5）,6 5 4 3 2 1,正确,错误,B: 系统命名法,原则三 命名 （1）基本写法,取代基 名称,取代基编号 （阿拉伯数字）,主链名称,B: 系统命名法,例：异戊烷,1 2 3 4,系统命名：,2,甲基,丁烷,4 从小到大连短线,（2） 主链上有多个取代基时，各取代基名称之间也用短线“”相连。,例：,1 2 3 4 5 6 7,庚烷,常见烷基优先次序,“次序规则”规定：不同烷基具有不同的优先次序 主链上有多个取代基时，优先级高的基团一般靠后写出。,4 从小

9、到大连短线,例1：正常情况,乙基优先级高于甲基，靠后列出,4 从小到大连短线,例2：交换顺序,1 2 3 4 5 6 7,系统命名： 4 甲基 3 乙基庚烷 乙基靠后列出,4 从小到大连短线,例3：交换顺序,系统命名：5丙基4异丙基壬烷,5 同基合并逗号断，写在主链前,（3）主链上有多个相同取代基时，将其合并，逐个标明其编号，用逗号分开。用大写的二、三、四等表示相同取代基的总数，标在取代基名称之前。,5 同基合并逗号断，写在主链前,例1：2个甲基合并,系统命名：3,7二甲基4乙基壬烷,5、6 相同基团逗号断 序小基大放在前,例2：,1 2 3 4 5 6 7,系统命名：2,3,6三甲基4丙基

10、庚烷,较复杂取代基的命名,较复杂取代基：取代基上仍有支链或含有环烷基 例：,1,2,3,较复杂取代基的命名,原则1：取代基中既有碳链又有环烷基，且环烷基处在取代基链的末端时，从环烷基一端开始向基的方向（箭头所指方向）命名。,命名： 环己基乙基,较复杂取代基的命名,原则2：取代基带有侧链或非末端环烷基时，选取代基的最长碳链作主链，以连接主链的碳原子编号为1，给取代基的主链编号，取代基上的基团作为二级取代基命名，外面加括号写在取代基名称之前。,2,主碳链,1 2 3 4 5,1 2 3 4,（3 - 乙基）戊基,（1- 环丙基）丁基,B: 系统命名法,例1：,1 2 3 4 5 6 7 8 9,1

11、 2 3,系统命名： 3-甲基-5-(2-甲基）丙基壬烷,B: 系统命名法,例2：,1 2 3 4 5 6 7 8 9,系统命名： 3-甲基-5-(1,1-二甲基）丙基壬烷,1 2 3,第三节,烷烃的 结构和构象,2.3.1 键的形成及其特性,碳原子在基态时的电子构型,sp3杂化轨道形成过程示意图,杂化,基态,激发态,sp3 杂化态,2.3.1 键的形成及其特性,碳原子的一个sp3杂化轨道图,sp3杂化轨道中 s轨道成分：1/4； p轨道成分：3/4,纺锤型,经过sp3杂化的碳原子具有四个完全相同的sp3杂化轨道,2.3.1 键的形成及其特性,碳原子的四个sp3杂化轨道,几何构型：正四面体,每

12、一个sp3杂化轨道都与其他原子的成键轨道形成饱和共价键单键（键）,2.3.1 键的形成及其特性,甲烷分子键的形成示意,4个CH 键,一个碳原子的四个sp3轨道和四个氢原子的1s轨道分别共用一对电子,2.3.1 键的形成及其特性,键定义 原子轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称的轨道称为 轨道， 轨道上的电子称为电子，由轨道构成的共价键称为键。,甲烷分子的两种模型,1 球棍模型 2 比例模型,2.3.1 键的形成及其特性,乙烷分子中键的形成,1个C键,6个CH键,sp3 sp3 键,sp3 1s 键,乙烷分子的两种模型,1 球棍模型 2 比例模型,正丁烷分子的两种模型,2 比例模型,1 球

13、棍模型,长链烷烃分子形状,正十五烷,曲折形,例：,键的特性,存在于任何含共价键的有机分子中，能够单独存在； 沿成键轨道方向直线相互交盖，交盖程度大，呈圆柱形对称； 沿键轴可自由旋转； 键能大，不易断裂。,2.3.2 烷烃的构象,构象定义 由于围绕单键（键）旋转而产生的分子中的原子或基团在空间的不同排列形式。 烷烃极限构象有两种 交叉式（反叠式） 重叠式（顺叠式） 产生原因 单键可以旋转,乙烷分子构象表示法,纽 曼 投 影 式,透 视 式,纽曼(Newman)投影式画法,CC 键垂 直屏幕,乙烷不同构象能量曲线图,交叉式与重叠式是乙烷分子 的极限构象,交叉式比重 叠式稳定,乙烷不同构象能量差原因

14、,重叠式 CH 键两两相对，电子对距离最近，相互排斥力（扭转张力）最大，能量最高，最不稳定 交叉式 CH 键两两交错，电子对距离最远，相互斥力最小，能量最低最稳定,正丁烷分子构象表示法,由C2C3 键旋转产生构象 固定C2原子(前)，反时针旋转C3原子(后)，得以下 4 种极限构象：,稳定性大小排序？,稳定性： 对位交叉邻位交叉部分重叠全重叠,正丁烷不同构象能量差原因,两种交叉式构象均无电子对扭转张力，比两种重叠式稳定； 邻位交叉两甲基距离较近，较为拥挤，排斥力大，不如对位交叉稳定； 全重叠式两甲基距离最近，排斥力 最大，电子对斥力也最大，最不稳定。,优势构象,定义 在一个分子所有构象中，能量

15、最低最稳定的构象 特点 出现概率最大，在分子各种构象中处主导地位 乙烷优势构象交叉式 正丁烷优势构象对位交叉,第四节,烷烃的 物理性质,物理性质及常数,有机物的物理性质 熔点(m.p) 、沸点(b.p) 、相对密度(d)、折射率(n)和溶解度(s)等 物理常数 单一、纯净的有机化合物在一定条件下，其物理常数为一固定值。,2.4.1 沸点,烷烃沸点：在有机物中较低，直链烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高。 原因 沸点与分子间的作用力范德华力相关。相对分子质量大的分子，其表面积增大，分子间力色散力增大，其沸点随之升高。,2.4.1 沸点,C原子数相同，支链越多沸点越低,沸点/ 36.1 27.

16、9 9.5,例：戊烷异构体,原因：van der Waals力近距离起作用,2.4.2 熔点,直链烷烃的熔点随分子质量的增加而增加。 含偶数碳烷烃的熔点通常比含奇数碳烷烃的熔点升高较多。,影响熔点的因素,分子间作用力的大小 晶格排列对称性 偶数碳烷烃比奇数碳烷烃对称性大，晶格排列紧密，熔点较高,同分异构体烷烃熔点,例：戊烷异构体,支链，m.p(不利于晶格的紧密排列)。 对称性，m.p；高度对称的异构体m.p 直链异构体。,2.4.3 相对密度及溶解度,相对密度 烷烃相对密度小于1，随分子量的增加逐渐增大。 溶解度 烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂,物理常数用途,物理常数,不同化合物 的分离,已知化

17、合物 的鉴定,测定,利 用,第五节,烷烃的 化学性质,烷烃化学性质特点,烷烃分子中的CC, CH键能 较大，极性小，化学性质比较 稳定。 一般在常温下烷烃与强酸、强碱、氧化剂、还原剂都不反应。,烷烃的重要反应,1. 自由基取代反应 2. 氧化反应 3. 热裂解反应,2.5.1 自由基取代反应,定义 饱和烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应称为取代反应。以自由基形式取代分子中氢原子的反应，称为自由基取代反应。 烷烃主要与卤素发生取代反应卤代反应,2.5.1.1 烷烃卤代反应,定义 在光、高温或催化剂作用下，烷烃可与卤素分子反应，生成卤代烷和卤化氢。 反应通式,烷烃 卤素 卤代烷 卤化氢,

18、2.5.1.1 卤代反应,例：,主要产物(55%),次要产物(45%),一氯甲烷,写反应式注意事项,1 反应物及产物均用分子式表示，禁用汉字； 2 所有反应物都应写出，不得遗漏； 3 主要产物通常为一种，写出主要产物即可；如果不止一种，则全部写出； 4 箭头上或下方详细注明反应条件：如光照、加热、回流、反应所需试剂或溶剂、反应温度等。,2.5.1.2 卤代反应机理,反应机理定义 化学反应所经历的途径或历程 烷烃卤代 自由基反应历程（又叫链式反应），它包括链引发、链增长、链终止三阶段。,一：链引发,第一阶段 氯分子的解离,光或热的作用下氯分子发生均裂，分解为2个氯原子。每个氯原子各带有一个未成对

19、的单个电子，称为氯自由基。,均裂,氯自由基,一：链引发,问题1：光照时甲烷分子和氯分子同时存在，为什么产生自由基的是氯分子而不是甲烷分子？ 断键需要吸热 Cl-Cl 键能：243 kJ/mol C-H 平均键能：415 kJ/mol 氯分子键能小，光照或高温下断键时需要的能量少，先产生自由基。,二：链增长,第二阶段 氯自由基与甲烷反应,1，2循环进行，不断生成产物,甲基自由基,一氯甲烷（产物）,氯自由基,1,2,均裂,均裂,二：链增长,问题2：自由基带正电荷、负电荷还是中性的？ 自由基是共价键发生均裂而生成的，氯自由基就是氯原子，氯自由基是中性的；同理，甲基自由基也是中性的，不带正或负电荷，自

20、由基是中性的。,三：链终止,第三阶段 自由基之间也会碰撞,自由基之间彼此碰撞结合被消耗，使反应停止。,A,B,C,自由基取代反应,问题3：在整个反应历程中，有没有哪一步最为关键，对反应速率有决定性的影响？ 断裂共价键吸热，键能最高的一步反应最慢，是影响整个反应的关键步骤 甲烷碳氢键断裂的键能最高，链增长的第一步是关键步骤。,自由基取代反应,问题4：产物除CH3Cl外，还会有少量CH2Cl2，它是怎么产生的？ 氯自由基也可与产物发生同样的自由基取代历程，产生二氯甲烷。,同理可生成CHCl3(氯仿)，CCl4(四氯化碳),二氯甲烷,烷基自由基特点,1 具有较高的能量，很不稳定； 2 自由基反应是有

21、机反应类型之一，自由基寿命极其短暂，一经产生便迅速转变成为产物； 3 自由基反应发生的条件通常为光照或高温。,自由基反应的共同特点,三阶段的链式反应 1：链引发阶段，产生自由基； 2：链增长阶段，不断产生新的自由基，不断形成产物，该过程循环进行，是自由基反应的最重要阶段； 3：链终止阶段，自由基消失使反应终止。 链式：一旦引发成功，链增长阶段便反复进行，整个反应如同一条锁链，一环扣一环不断进行，快速生成较多产物。,甲烷氯代物的应用,甲烷氯化物包括一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷（也称氯仿）、四氯化碳四种产品的总称，简称CMS。是有机产品中仅次于氯乙烯的大宗氯系产品，为重要的化工原料和有机溶剂。 一

22、氯甲烷85%以上用于有机硅生产(基本上是自产自用)，作为商品销售的量很少；四氯化碳装置在发达国家按关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书(简称“蒙约”)要求已被关闭；三氯甲烷大部分用作生产HCFC-22和聚四氟乙烯的原料，作为HCFC- 22的原料逐年在增长；二氯甲烷主要用于脱漆剂、粘合剂溶剂、农药、气溶胶等的生产。 我国除四氯化碳外，其他甲烷氯化物产品市场近几年均处于高速生长期，目前已发展到一定规模。,2.5.1.3 卤代反应取向及自由基稳定性,例：丙烷的一氯代有两种产物,仲氢与伯氢 活性之比：,2.5.1.3 卤代反应取向及自由基稳定性,例：异丁烷的一氯代也有两种产物,叔氢与伯氢 活性之比为：

23、,主要,次要,氢原子活性顺序,不同氢原子活性： 叔氢仲氢伯氢甲烷氢 表明： 自由基取代反应中，若烷烃分子中有多种氢原子可被取代，则叔氢最容易被取代，其次是仲氢，再次是伯氢，而甲烷氢活性最低。,研究反应关键步骤,有机反应经历多个步骤时，重点研究关键步骤，它对整个反应的进程有决定性的影响，决定反应进行的方向及主要产物。 烷烃自由基取代反应的关键步骤：,断裂不同类型的碳氢共价键，所需能量不同键能不同。,影响氢原子活性的原因,不同类型CH键键能,甲烷氢,伯氢,仲氢,叔氢,乙基自由基,异丙基自由基,叔丁基自由基,不同烷基自由基能量示意图,自由基类型与氢原子的对应关系,一一对应：断裂哪种氢原子产生哪种自由

24、基,甲烷碳 甲基自由基 甲烷氢,氢原子活性顺序,不同氢原子被取代活性： 叔氢仲氢伯氢甲烷氢 不同自由基稳定性顺序： 叔仲伯甲基自由基 结论：哪种氢原子容易被取代，取决于反应中所生成自由基的稳定性，由稳定性高的自由基所生成的产物是主要产物。 ,烷基自由基稳定性顺序,氯气与丙烷反应产生两种自由基：,夺取伯氢,夺取仲氢,正丙基自由基（伯）,碳仲氢键能小,容易生成，更稳定，主要中间体，数量多,烷基自由基稳定性顺序,叔丁基自由基（叔）,伯自由基,稳定性：叔自由基伯自由基,同理：,自由基稳定性顺序,重要知识拓展 当碳自由基与碳碳双键或苯环相连时，双键或苯环与自由基可产生“共轭效应”，使自由基稳定性大大提高

25、。,与双键相连烯丙基型自由基,与苯环相连苄基型自由基,自由基稳定性顺序,重要知识拓展 而当碳自由基电子直接位于双键碳上或苯环碳上时，这样类型的自由基极其不稳定，很难生成。,处于双键碳乙烯自由基,处于苯环上苯自由基,自由基稳定性顺序,从键能反映出下列自由基稳定性,C-H键能/kJ/mol,稳定性：烯丙基型苄基型乙烯型/苯型,自由基稳定性顺序,自由基C-H键能（kJ/mol）,自由基稳定性顺序,结论 1. 键能越小的碳氢键发生均裂越容易，所对应的氢越活泼，越容易被取代，相应形成的自由基所具有能量越低越稳定。 2. 自由基稳定性决定了主要产物的类型稳定性好的自由基中间体处于主要地位其生成的产物为主要产物。,自由基稳定性顺序,例：写出下列反应的主要产物,500,叔型 伯型自由基,烯丙基型+叔型自由基,自由基取代反应实例,氟里昂(CF2Cl2)破坏臭氧层,链引发,氟里昂产生自由基消耗臭氧，破坏了臭氧与氧气的平衡。,2.5.1.4 卤素活性与反应选择性,甲烷卤代的反应热,卤素活性：F2Cl2Br2I2,2.5.1.4 卤素活性与反应选择性,氟代大量放热、反应过于剧烈； 碘代吸热，不利