有机化学烷烃和环烷烃..ppt

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1、第二章 烷烃和环烷烃,第一节 烷 烃,一 烷烃的结构,二 烷烃的命名,四 烷烃的化学性质,五 烷烃的卤代反应历程,第二节 环 烷 烃,一 环烷烃的分类,二 单环烷烃的命名,三 单环烷烃的结构,四 环烷烃的化学性质,三 烷烃的物理性质,【学习要求】,1.了解C原子和H原子的类型以及烷基。,4.掌握烷烃和环烷烃的化学性质及影响因素。,5.掌握构象异构和顺反异构产生的原因、特 点、命名及书写。,2.掌握普通命名法和系统命名法的基本原则，并能熟练命名烷烃和环烷烃。,3.了解同系物沸点、熔点变化规律。,第一节 烷 烃,烃：由C、H 两种元素组成的化合物 叫碳氢化合物，简称烃。根据碳架的形状及碳原子间连接

2、的方式分类如下：,烃,脂肪烃,脂环烃,芳香烃,不饱和脂肪烃（烯烃、炔烃、二烯烃）,饱和脂环烃（环烷烃）,不饱和脂环烃（环烯烃、环炔烃）,含苯芳烃（萘、蒽、菲）,非苯芳烃,饱和脂肪烃（烷烃）,烷 烃,定义：分子中只含 C、H 两种元素；,烃分子中碳原子之间以单键连接，碳原 子的其余化合价完全为氢原子所饱和。,通式：CnH2 n+2,同系列：具有同一个分子通式，在组成上相差一个或几 个CH2的一系列化合物。同系物：同系列中的化合物彼此互为同系物。,（一）烷烃的同分异构现象,一.烷烃的结构,分子式相同而结构不同的现象。,同分异构,构型,构造异构,构象（键的旋转产生）,立体异构,碳架异构,位置异构,官

3、能团异构,互变异构,顺反异构（键的不能旋转产生）,旋光异构（手性产生）,分子中原子和基团在空间的排布不同,原子的连接方式和顺序不同,与一个碳相连：一级碳原子，或伯碳（primary），用10C表示，一级碳上的氢称一级氢，用10H表示。与两个碳相连：二级碳原子，或仲碳（secondary），用20C表示，二级碳上的氢称二级氢或仲氢，用20H表示。与三个碳相连：三级碳原子，或叔碳（tertiary），用30C表示，三级碳上的氢称三级氢或叔氢，用30H表示。与四个碳相连：四级碳原子，或季碳（quaternary），用40C表示,（二）C原子和H原子的种类,碳原子的四种类型,1 C（伯碳，一级碳）,p

4、rimary carbon,2 C（仲碳，二级碳）,secondary carbon,tertiary carbon,3 C（叔碳，三级碳）,4 C（季碳，四级碳）,quaternary carbon,二种类型 2 C,二种类型 1 C,二种类型 1 C,分析下列化合物所含碳原子种类,碳原子种类的扩展,1自由基（伯自由基）,2自由基（仲自由基）,3自由基（叔自由基）,1碳负离子（伯碳负离子）,3碳正离子（叔碳正离子）,(三).构象(comformation)和构象异构体,CC单键是可以旋转的 单键的旋转使分子中的原子或基团在空间产生不同的排列（构象）不同的构象之间为构象异构关系（一类立体异构现

5、象）,构象(conformation)：,原因：由于键绕键轴“自由”转动，非键合原子或基团在空间产生不同的排列,由于单键旋转所形成的异构体称构象异构体,构象异构体的数量：无数,典型构象：根据能量的高低具有代表性的构象,A：构象异构体之间不可能完全分开,B：构象异构体之间的转换不需断键,构象异构体的特点：,描述立体结构的几种方式,伞形式,锯架式,Newman投影式,注意Newman投影式的写法,键电子云排斥，von der waals排斥力，内能较高（最不稳定）,乙烷的构象,交叉式构象,扭曲式构象,重叠式构象,staggeredconformer,skewedconformer,eclipsed

6、conformer,原子间距离最远内能较低（最稳定）优势构象,（有无数个）,乙烷构象转换与势能关系图,旋转中须克服能垒扭转张力 电子云排斥 相邻两H间的von der waals排斥力,一般情况下(T-250oC):单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。,丁烷的构象,对位交叉式（anti）（反交叉式）,部分重叠式,邻位交叉式（gauche）,全重叠式,邻位交叉式（gauche）,甲基间距离最远(最稳定),较不稳定,较稳定,甲基间距离最近（最不稳定）,丁烷构象转换与势能关系图,其它烷烃的构象,规律:大基团总是占据对位交叉,最稳定,最不稳定

7、,立体异构体：由原子或基团在空间的排列（或连接）方式不同所产生的异构体（包括构型异构体和构象异构体）,立体异构体、构型异构体与构象异构体,构型异构体,不可转换 理论上可分离,构象异构体,可通过单键旋转转换,一般无法分离,见分类,二.烷烃的命名,普通命名法 用于简单化合物的命名 IUPAC命名法（系统命名法）（IUPAC:国际纯粹与应用化学联合会，International Union of Pure and Applied Chemistry）,一些常见的烷基,（1）取代基中与主链直接相连的原子按原子序数由大到小排列，原子序数大的为优先基团。HDCNOFPSClBrI,次序规则,（2）若取代基

8、中与主链直接相连的第一个原子相同，则把与第一个原子直接相连的其他原子进行比较，若仍相同，则继续比较，直到有差别为止。,较优基团,与主链直接相连的第一个原子,与主链直接相连的其他原子,（3）含有双键和三键的基团，可以看作是用单键连有两个或三个相同的原子或基团。,较优基团,较优基团,比较下列基团的优先顺序,（1）根据分子中碳原子的总数称为#烷，碳原子数为1-10的用甲、乙、丙、丁、表示。10个以上的用中文数字表示。如：十二烷。（2）直链烷烃，名字前加“正”。链端第二个碳原子上有一个甲基而无其他支链的，名字前加“异”（CH3）2CH。链端第二个碳原子上有二个甲基而无其他支链的，名字前加“新”。（CH

9、3）3CCH,普通命名法,例：,中文名,英文名,甲烷,乙烷,丙烷,methane,ethane,碳原子数目+烷,碳原子数为110用天干（甲、乙、丙、壬、癸）表示,C1,C2,C3,propane,碳原子数为10以上时用中文数字表示。如：十二烷,异构词头用词头“正”、“异”和“新”等区分 相应的英文词头为 n-(normal)、iso和neo（注意不加“-”）,中文名,英文名,正丁烷,异丁烷,正戊烷,异戊烷,新戊烷,n-butane,isobutane,n-pentane,isopentane,neopentane,C4,C5,系统命名法(IUPAC)：,（1）选主链，碳链最长，支链最多。（2）

10、定基位，有多个排序时遵循“最低系列原则”(最先遇到位次较低的取代基为最低系列），有多个最低系列时，按“次序规则”使较优基团位次较大。(3)书写时，标明取代基的位次，名称，且按先简后繁。如：,例,最长链为主链取代基编号数最小,练习,2，6二甲基-3，6二乙基壬烷,写出 3甲基8乙基6氯十一烷的结构式,化合物性质的两个方面,物理性质 物态：气体？液体？固体？沸点（b.p.）熔点（m.p.）密度（比重）溶解度：水中溶解度？有机溶剂中？折光率,化学性质：有机化学反应（本课程的重点）,三 烷烃的物理性质,1 物态,常温、常压(0.1MPa),C5C16：液态,C1C4：气态,C17：固态,2 沸点（b.

11、p）,随分子质量的增加而增高，但高级烷烃沸点差较小，难以分离。在同分异构体中，分子中支链增多，分子间距增大，分子间作用力减少，沸点降低。,分子间作用力,b.p,M支链少,3 熔点(m.p)随分子质量的增加而增高，熔点高低与分子间作用力、分子在晶格中的排列有关。分子对称性高，排列比较整齐，分子间作用力大，熔点高。偶数碳原子的烷烃比含奇数碳原子的烷烃熔点升高值大，两者形成两条熔点曲线。对同分异构体，分子的对称性越高，分子排列越紧密有序，熔点越高。,M，m.p,烷烃 正戊烷 2-甲基丁烷 2，2-二甲基丙烷 熔点：-129.72-159.9-17 沸点：36.1 25 9,如：,结论：高度对称支链异

12、构体m.p 直链异构体不对称的支链异构体。,练习：,1.比较下列各组化合物的沸点高低。并说明理由。,(1)正丁烷和异丁烷；(2)正辛烷和2,2,3,3-四甲基丁烷；(3)庚烷、3-甲基己烷和3,3-二甲基戊烷。,2.比较下列各组化合物的熔点高低。并说明理由。,(1)正戊烷、异戊烷和新戊烷；(2)正辛烷和2,2,3,3-四甲基丁烷；,4 相对密度：,分子量，密度，但1；支链，密度。,5 溶解度：易溶于非极性的有机溶剂，不溶于极性溶剂,C H电负性 2.5 2.2,烷烃的结构,一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱（常用作低极性溶 剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃

13、的重要反应）,sp3 杂化已饱和不能加成,低极性共价键H不易被置换,四 烷烃的化学性质,甲烷的卤代反应,甲烷的氯代反应,反应特点:(1)反应需光照或加热。(2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。,甲烷与其它卤素的反应,反应速率:F2 Cl2 Br2 I2（不反应）,F2：反应过分剧烈、较难控制Cl2：正常（常温下可发生反应）Br2：稍慢（加热下可发生反应）I2：不反应。即使反应,其逆反应易进行,主要讨论的内容,2 氧化反应：烷烃在高温和空气中燃烧，生成二氧化碳和水，并放出大量的热。,注:烷烃与空气以一定比例混合后会发生爆炸，这就是煤矿常见的瓦斯爆炸。,有机反应的类型,离子

14、型反应 由共价键异裂成离子而引起的反应。,自由基反应 由自由基而引起的反应。,五 烷烃的卤代反应历程,自由基的稳定性顺序：叔自由基仲自由基伯自由基甲基自由基,异裂,均裂,烷烃上H原子的活性顺序：叔H 仲 H 伯H 甲基H,根据离解能解释自由基的稳定性及H的活性,自由基的能量越高越不稳定，C-H断键所需能量越低，该H越活泼,2.卤代反应机理：,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。,实验事实告诉我们：烷烃的卤代反应是从Cl2的光照开始的。光提供的能量：330kJ/mol Cl-

15、Cl 断键能量：242.4kJ/mol C-H 断键能量:435 kJ/mol,甲烷的氯代反应机理的表达,自由基型链反应（chain reaction）,过渡态(Transition State)理论,在化学反应中，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），然后再转变为产物。,例：机理步骤(2),过渡态,势能增加,势能降低,势能最高,甲烷氯代的势能变化图,过渡态:势能最高处的原子排列，,Ea：活化能 DH:反应热,机理的决速步骤（以氯代为例）,决速步骤,3.卤代反应中X2的相对活性：,注：从反应热来解释，放出的热越多越易进行,从活化能来解释，活化能越小越易进行,第二

16、节 环烷烃(cycloalkane),一 环烷烃的分类及命名,螺环烃(两个碳环共用1个C)；稠环烃(两个或两个以上苯环共用两个相邻C)桥环烃(两个或两个以上碳环共用两个以上C),环烷烃：分子中具有碳环结构的烷烃,（一）环烷烃的分类 根据碳环的数目分类,单环烷烃,多环烷烃,小环(C3C4)；普通环(C5C7)；中环(C8C11)；大环(C12)。,螺环烃,稠环烃,桥环烃,（二）单环烷烃的构造异构和命名,命名 以碳环为母体，环上侧链为取代基，根据成环碳原子的数目称“环#烷”。,一个取代基时 称#基环#烷,多个取代基时 从较小的原子或基团开始，遵循最低系列原则编号。有多个最低系列时，使较优基团位次较

17、大。,1，2-二甲基-1-乙基环丙烷 正确,1，2-二甲基-2-乙基环丙烷 错误,不饱和键位次最小,练习：,1-甲基-3-已基-4氯环己烷,1-甲基-2-乙基-5-异丙基环己烷,反-1-甲基-3-乙基环己烷,注：当环上有复杂的取代基时，碳环作为取代基,4-甲基-1-环丙基己烷,三 单环烷烃的结构,角张力:实际键角偏离正常键角而使分子产生的张力,（一）单环烷烃的结构,扭转张力:相邻C上的H原子间因距离太近而产生的斥力,由此可见：,(1)键的重叠程度小，稳定性。,(2)电子云分布在两核连线的外侧，增加了试剂进攻的可能性，故具有不饱和烯烃的性质。,（二）单环烷烃的立体异构,顺反异构 由于两个成环碳原

18、子上所连接的不同原子或基团在空间的排列（分布）不同而形成不同构型化合物的异构现象。,顺式,反式,顺反异构产生的原因：键不能旋转 顺反异构体的特点：为不同物质，转换需断键,环己烷的构象异构环己烷中C-C键在环不破裂的情况下，可发生协同扭转，产生无数构象。,典型构象:船式构象（能量最高）椅式构象（能量最低）优势构象,环己烷的椅式构象,环己烷的船式构象,范德华张力：原子间由于距离太近(范德华半径之和）而产生的张力,椅式,船式,Newman投影式,从Newman投影式理解船式和椅式的稳定性,椅式构象中的直立键(a)和平伏键（e）,注：直立键(a)与中心对称轴平行，指向环上键角的方向。平伏键（e）与中心

19、对称轴成109.5。，且与直立键方向相反，左边向左偏，右边向右偏。,单取代环己烷的优势构象,1甲基环己烷,1.甲基与C2-C3 键处于邻位交叉存在扭转张力,1.甲基与C2-C3 键处于对位交叉,2.甲基H与C3、C5直立H距离近存在范德华力,稳定性：e键 a键,2.甲基H与C3、C5直立H距离远不存在范德华力,多取代环己烷的优势构象,1，2二取代：,顺,反,ae,ae,aa,ee,优势构象,注：环己烷中的顺反，若相同基团都朝上或下，即顺，若相同基团一个朝上，一个朝下，即反,多元取代环己烷优势构象的书写规律,取代基尽可能在e键上,体积大的取代基尽可能在e键上,例1 写出顺-1-甲基-4-异丙基环己烷的优势构象。,同时要满足顺反异构和位置,例2 写出反-1-甲基-2-乙基环己烷的优势构象。,例3 写出下列化合物的优势构象。,四 环烷烃的化学性质,1.与烷烃类似的性质,（1）卤代反应：,（2）氧化反应：,所有环烷烃,2.与烯烃类似的性质 小环烷烃的加成,（1）加H2：,（2）加X2：,3.加HX：,练习,2 如何鉴别丙烷和环丙烷,1,