有机化学烷烃课件.ppt

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1、烷 烃,第二章,第二章 烷 烃,2-1 烷烃的同系列和同分异构现象,2-2 烷烃的命名,2-3 烷烃的分子结构,2-4 烷烃的性质,2-5 卤代反应历程,2-6 烷烃的来源,仅由碳、氢两元素组成的化合物叫碳氢化合物，简称烃。,碳原子间皆以单键相连，其余价键均与氢原子相结合的烃，称为饱和烃脂肪烃或烷烃。,第二章 烷 烃,根据烃分子中碳原子间连接方式可分为：,烃,开链烃(脂肪烃),饱和烃 烷烃不饱和烃,烯烃炔烃,脂环烃芳香烃,环状烃,一、同系列,在烷烃分子中，所含碳原子和氢原子的数量，呈现一定的规律，即每增加一个C 原子，就相应地增加两个H 原子。,烷烃通式：CnH2n+2,具有同一通式，在组成上

2、相差一个或多个CH2的一系列化合物称为同系列。同系列中的各化合物互称同系物。相邻的同系物在组成上相差一个CH2。其中CH2 称为同系列的系差。,2-1 烷烃的同系列和同分异构现象,同系物具有相似的化学性质，其物理性质（例如沸点、熔点、相对密度、溶解度等）则随碳原子数的增加而呈现规律性的变化。,二、同分异构现象,分子式相同而结构不同的化合物称为同分异构体（简称异构体）。这种现象称为同分异构现象。,从丁烷开始出现结构不同的现象,H,H,同分异构现象是有机化合物中存在的普遍现象。随着化合物分子中碳原子数目的增加，同分异构体的数目亦增多。,分子式相同，而构造不同的化合物称为构造异构体。烷烃的构造异构是

3、因碳干排列不同而产生，所以，这种异构又称碳干异构。,基本步骤:（以己烷C6H14为例）,1.写出己烷的最长直链式：（为方便起见，暂时只写碳胳）,2.写出比 式少一个碳原子的直链式：减掉的碳（即甲基）作取代基,3.再写出比 式少两个碳原子的直链式：减掉的两个碳（即甲基）作取代基,C-C-C-C-C-C,同分异构体的书写方法,CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3,4.碳胳写好，再补上氢原子，即得己烷的五种异构体。,练习：写出庚烷（C7H16）的同分异构体的构造简式。,与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子在同一反应中的反应活性不同。,只与四个碳原子相连的

4、称为季（或四级）碳原子，常以4表示。,只与一个碳原子相连的称为伯（或一级）碳原子，常以1表示；,只与二个碳原子相连的称为仲（或二级）碳原子，常以2表示；,只与三个碳原子相连的称为叔（或三级）碳原子，常以3表示；,2,3,4,三、碳原子的类型,碳链中的碳原子按照它们所连结的碳原子数目可分为四类：,例如：,-CH2CH2CH3 丙基,烷烃分子中消除一个氢原子后所剩原子团称烷基。此“基”具“一价”涵义。常用R-代表烷基。烷基的名称由相应的烷烃而得。,四、烷基,1.一价基,烷烃分子中消除一个氢原子后所形成的烷基，称一价基。,2.亚基,亚基有两种不同的结构：,两个价集中在一个原子上时，一般不要定位。,两

5、个价分别在不同的原子上时，一定要定位，定位数放在基名之前。,亚甲基,亚乙基,亚异丙基,1,2亚乙基,1,3亚丙基,三价的烷基叫次基。命名中的次基限于三个价集中在一个原子上的结构。,3.次基,烷烃分子中消除两个氢原子剩下的原子团为二价烷基，俗称亚基。,次甲基,次乙基,2-2 烷烃的命名,一、普通命名法(习惯命名法）,以所含碳原子数目命名，称“某烷”。,例：C6H14 C8H18 C10H22,1.碳数10者：,以天干次序：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示,2.碳数10者：,以汉字数字：十一、十二表示（但不能用阿拉伯数字）,例：C12H26 C16H34 C20H42,异戊烷,正戊烷,新

6、戊烷,3.区别异构体：用“正”、“异”、“新”来表示。,异辛烷（俗名）,（测定汽油辛烷值的基准物质之一）,直链烷烃为“正”。,例：CH3-CH2-CH2-CH2-CH3,二、衍生物命名法（对支链烷烃而言）,以甲烷为母体，将支链烷烃看作是甲烷的烷基衍生物。命名时，一般选择连接烷基最多的碳原子作为母体甲烷的碳原子，烷基则按大小排列，较小的烷基排在前面。,例如：,三甲基乙基甲烷,甲基二乙基甲烷,练习：命名下列烷烃。,甲基乙基丙基甲烷,甲基乙基丙基异丙基甲烷,三、系统命名法,1892年在日内瓦召开国际化学会议，拟定了有机化合物的命名法，叫做日内瓦命名法。后来由国际纯粹化学和应用化学联合会（简称IUPA

7、C）作了几次修订，1979年公布了有机化学命名法（简称IUPAC命名法）。,我国早在1960年根据IUPAC命名法结合我国文字特点，公布了有机化学物质的系统命名原则，1980年中国化学会参考IUPAC命名法作了进一步增补和修订，公布了有机化学命名原则（简称系统命名法）。,1.直链烷烃的命名,如：CH3CH2CH2CH2CH3,与普通命名法基本相同，只是将“正”字取消。,2.支链烷烃的命名,选取主链选择最长的碳链为主链称某烷。支链当作取代基。,编号从靠近支链的一端开始，编号时应尽可能使取代基具 有最低编号。,“先小后大，同基合并”有不同取代基时，把小取代基名称写前面，大取代基写在后面。相同取代基

8、合并起来，取代基数目用二、三、等表示。,1 2 3 4 5 6 7 8,4甲基3乙基辛烷,注1：当主链碳原子的编号有几种可能时，应采取“最低系列”的编号方法（即逐个比较各种编号中取代基位次的数字，最先遇到位次最小者为最低系列）。,注2：两端碳链一样长时，从小取代基一端开始编号。,1 2 3 4 5 6 7,7 6 5 4 3 2 1,1 2 3 4 5 6 7,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,2,7,8-三甲基癸烷（不叫3,4,9-三甲基癸烷）,3-甲基-5-乙基庚烷,从左到右：2，3，6，6,从右到左：2，2，5，6,例1,例2,例3,有多种等长的最长碳链可供选择时，应选择取代基最

9、多的碳链为主链。,2,5-二甲基-3,4-二乙基己烷,2,3,5-三甲基-4-丙基庚烷,不是2,3-二甲基-4-仲丁基庚烷,复杂的取代基需要编号时，由与主链相连的碳原子开始编号。它们的全名可放在括号中（或用带撇号的数字来标明支链中的碳原子位置）。,3-乙基-5-(1,2-二甲基丙基)癸烷,7-(1,2-二甲基丙基)-7-(1,1-二甲基戊基)十三烷,3/2/1/,5/4/3/2/1/,或 7-1/,2/-二甲基丙基-7-1/,1/-二甲基戊基十三烷,或 3-乙基-5-1/,2/-二甲基丙基癸烷,2,3-二甲基-3-乙基己烷,2,3,3,4-四甲基戊烷,1,2,3,4,5,或,2-3 烷烃的分子

10、结构,一、碳原子的SP3杂化轨道,1.碳原子轨道的sp3杂化,基态碳原子的电子构型：1S2、2S2、2p2,空间取向：四个SP3轨道对称的分布在碳原子周围，其大头指向正四面体的四个顶点。轨道对称轴之间互成109.5（如此排布，价电子将尽量远离，相互斥力最小，最稳定）。,4个SP3杂化轨道,形状：一头大，一头小。,2.sp3杂化轨道的特点,四个SP3轨道能量相等。,形成甲烷分子时，C的SP3杂化轨道的大头与H的1S轨道沿SP3轨道对称轴方向最大程度重叠,形成四个等同的C-H键。,二、烷烃分子的形成,1.甲烷,形成,键长：0.109nm 键角：109.5,原子轨道以“头碰头”的方式重叠形成键,键的

11、特点：,沿键轴方向进行最大程度的重叠，形成的键比较稳定；,键,原子轨道以头碰头的方式进行重叠所形成的共价键称为键。,处于键的电子叫电子。,成键原子可以键为轴自由旋转。,分子模型,甲烷的正四面体构型,甲烷凯库勒模型,甲烷斯陶特模型,乙烷分子中的键角不是109.5而是接近109.5。,2.乙烷,乙烷分子中的碳原子亦为SP3杂化。两个碳原子各以一个SP3轨道重叠形成C-C键，又各以三个SP3轨道分别与氢原子的1S轨道重叠,形成C-H键。分子中所有C-H键均等同。,实验证明，气态或液态的含多个碳原子的烷烃，由于键的自由旋转，而形成多种曲折形式。如正戊烷的碳链可有下列几种代表形式：,三、烷烃的构象,构象

12、围绕碳碳键旋转而使分子中原子或基团在空间的 不同排列方式。,纽曼投影式,1.乙烷的构象,极限构象,重叠式(顺叠式),交叉式(反叠式),构象表示式,纽曼投影式的画法,练习：用纽曼投影式表示丙烷的典型构象。,乙烷分子不同构象的能量变化,乙烷分子中不同构象的能量曲线图,2.丁烷的构象,正丁烷分子中不同构象的能量曲线图,优势构象,一、物理性质,烷烃是无色物质，具有一定的气味。直链烷烃的物理性质(如熔点、沸点、相对密度等)，随着分子中碳原子数(或分子量)的增大，而呈规律性的变化。,1.状态,C1C4气态C5C16液态C17以上固态,2.沸点（b.P.）,2-4 烷烃的性质,同数碳烷烃，直链比支链沸点高。

13、,200C，1atm,分子间的作用力即范德华力（取向力；诱导力；色散力）。,3、熔点（m.P.）,一般含碳原子数相同的烷烃的熔点是随着分子的对称性增加而升高的，分子越对称，它们在晶格中排列越紧密，分子之间的范德华作用力也越强，故熔点越高。,偶数碳链比奇数碳链稍高；,烷烃的熔点曲线,同数碳异构体：新 正 异。,5.水溶性,烷烃几乎不溶于水，但易溶于有机溶剂。,结构相似或极性大小相近的化合物可以彼此互溶，这就是“相似相溶”的经验溶解规律。,4.相对密度（D）,相对密度与分子间引力有关，引力增大，分子间的距离相应减小，故相对密度增大。,烷烃的稳定性不是绝对的，在一定条件（如在光照、高温或催化剂的影响

14、）下，也可以发生某些反应。,二、化学性质,在常温下烷烃的化学性质较稳定，与强酸、强碱、强氧化剂和强还原剂等不易起作用。,烷烃化学性质比较稳定的主要原因：,烷烃为非极性分子，一般条件下试剂不易进攻。,1.氧化反应,燃烧（完全氧化）,部分氧化（选择性氧化）,2.卤代反应,烷烃分子中的氢原子被卤素所取代的反应称为卤代反应。,烷烃与卤素在室温和黑暗中并不发生反应，但在强光照射下，则发生猛烈反应。,在漫射光、加热或某些催化剂作用下，能够进行可以控制的卤代反应。,其它烷烃的卤代,碳链较长的烷烃进行氯代时，可以取代不同的氢原子得到不同的氯代烃。,43%,57%,36%,64%,在室温下，叔、仲、伯氢原子被氯

15、原子夺取的相对速率为5:4:1。,卤素对烷烃进行卤代的相对活性：F2 Cl2 Br2 I2,在溴代反应中，烷烃分子中的各种H的活性次序也是，3H 2H 1H,但是它们的反应活性相差很大。,烷烃的溴代反应的选择性比氯代要好。,3.裂化反应,烷烃在隔绝空气及高温条件下反应，分子中的C-C 键、C-H 键发生断裂而生成分子量较小的烷烃与烯烃，这称为烷烃的裂化反应。此反应在石油化工生产中极为重要。,CH3-CH=CH2+H2,CH2=CH2+CH4,(1)热裂化指在500-700高温及加压条件下进行 的反应。(目的是获得化工原料烯烃),CH3-(CH2)5CH3,(2)催化裂化在催化剂存在下进行的反应

16、。,催化剂：4:1的SiO2和Al2O3制成的硅铝酸盐。,注：催化裂化可提高汽油的产量和质量其主要原因是：在C-C键断裂的同时，还伴有异构化、环化、脱氢等反应，生成带有支链的烷烃、烯烃及芳香烃。,例：,催化裂化目的：提高的汽油产量和质量。,裂化温度：450-500；,裂化压力：常压或低于常压。,反应物转变为产物所经过的途径或过程叫做反应历程或反应机理。,反应机理是在综合实验事实后提出的理论假说。如果一个假说能完满地解释观察到的实验事实和新发现的现象，同时根据这个假说所作的推断被实验所证实，它与其它有关反应的机理又没有矛盾，这个假说则称为反应机理。,2-5 卤代反应历程,通过反应历程可以告诉我们

17、：,反应的中心在哪里；,反应分几步进行；,分子内部如何调整。（包括键的变形、电子云分布情 况、键的破裂与形成等）,1.甲烷的氯代反应实验现象,一、甲烷的卤代反应历程,2.甲烷的氯代反应历程,链的引发,链的增长（传递）,链的终止,.进而生成CHCl3、CCl4等,过渡态理论认为：在自由基反应的链增长阶段，普通分子与自由基之间并非经过简单碰撞直接生成新的自由基，而需经过中间的过渡状态。,使反应物达到过渡态所需的能量即为活化能（E）。活化能是过渡态与反应物的内能差。,反应中不应有氧存在，因为氧易和自由基反应生成过氧自由基，使链增长不能进行。因此常把氧叫做自由基阻止剂。,注：,二、过渡态、活化能和位能

18、曲线,1.过渡态理论,反应进程中体系能量的变化,例：,决定反应速率的是活化能（E），是能垒高度，而不是反应热H。,即使反应是放热的，仍需一定的活化能才能发生。,注：活化能（E）与反应热（H）之间没有直接联系。E:反应物过渡态，由实验测得。H:反应物生成物，由反应中键能的改变近似计算所得。,甲烷氯代生成一氯甲烷的两步主要反应，其反应热（H）与所需活化能测得如下：,2.甲烷氯代反应的位能曲线,从热力学角度来考察甲烷卤化反应：,卤素发生取代反应的难易顺序是：F2 Cl2 Br2 I2,三、卤素对烷烃的反应活性,自由能1mol 烷烃被夺取1个氢原子后形成自由基所 需要的能量。,四、自由基的稳定性,一般

19、讲，越稳定的自由基越容易生成，其反应速率也越快，这是一个非常有用的通则。可以认为，在许多有自由基生成的反应中，自由基的稳定性支配着反应的取向和活性。,自由基的结构,碳原子为SP2 杂化，为平面型,一、烷烃的天然来源,烷烃的天然来源主要是石油和天然气。,1.天然气,主要是烃类的混合物。从地下开采出来的石油一般是深褐色液 体，叫原油。石油经炼制可产生汽油、煤油、柴油等轻质燃料，以及润滑油、沥青等产品。,2-6 烷烃的来源,干性天然气主要成分：甲烷（80%）,湿性天然气主要成分：除甲烷（80%）外，还含有乙烷、丙烷、丁烷等。,据甲烷含量不同,2.沼气,3.炼厂气,4.油田气,蕴藏于地层的可燃性气体，

20、其主要成分为C1C4低级烷烃。,是一种混合气体，其中含甲烷6070%，此外，还含有CO2、H2S、N2、CO等。（因含有少量H2S，故沼气略带臭味）,石油分馏副产物，主要是C1C4低级烷烃，另有其它烃类。,5.石油,开采石油时逸出的气体，甲烷含量为7590%，另有乙烷、丙烷、丁烷和少 量H2S 和CO2。,6.甲烷水合物可燃冰,石油馏分经加热裂解成各种有机原料：三烯（乙烯、丙烯、丁二烯），三苯（苯，甲苯，二甲苯）、一炔（乙炔）、一萘（萘）俗称为八大有机基本原料。,天然气是一种碳氢化合物，多是在矿区开采原油时伴随而出，过去因无法越洋运送，所以只能供当地使用，如果有剩余只好燃烧报废，十分可惜。,依

21、其蕴藏状态，又分为构造性天然气、水溶性天然气、煤矿天然气等三种。而构造性天然气又可分为伴随原油出产的湿性天然气、与不含液体成份的干性天然气。,液化天然气(简称 LNG)则是把矿区出产的天然气冷冻至零下 162C，使其成为一种无色、无臭的液体，体积也缩减为气态时的六百分之一左右，以便于储存及越洋运送。,天然气液化后，必须用特殊冷冻船运送到接收站，再送到低温储槽储存。使用时，将液态天然气复原为常温气态，然后经由长途输送管线，将天然气输送到发电厂、工厂及家庭用户使用。,天然气,计算举例,435.1 431,H1=+435.1+(-431)=4.1 kJ/mol,242.5 351.4,H2=+242

22、.5+(-351.4)=-108.9 kJ/mol,HR=H1+H2=4.1+(-108.9)=-104.8 kJ/mol,从计算结果看，氯、溴、碘与CH3 反应，其放出之热能相差不大，对于反应的影响也不会有多大差别。所以卤代发生取代总的反应速率取决于甲基游离基形成的快慢（反应）。,烷 烃 的 物 理 常 数,参见教材 P30 表24,第二章 练习题,一、填写下列空白,1.乙烷的优势构象是，随着温度的升高出现的机会增多。,2.2-甲基丁烷有典型构象；2,2,3,3-丁烷有典型构象。,3.己烷的三种异构体分别进行光照时，可能生成一氯代产物的数目：正己烷有，异己烷有，新己烷有。,二、将下列烷烃的沸点由高到低排列成序,正己烷 正辛烷 正庚烷 十二烷 2-甲基庚烷 2,3-二甲基戊烷,交叉式,重叠式,四种,二种,三种,五种,三种,三、将下列烷烃的熔点由高到低排列成序,CH3CH2CH2CH3(CH3)2CHCH3 C(CH3)4 CH3CH2CH2CH2CH3,(分子量增加，熔点升高，分子对称性高，熔点升高。,四、按照下列化合物所列键的旋转，用纽曼投影式表示其典型构象并指出其优势构象。,BrCH2-CH2Br,(CH3)2CH-CH(CH3)2,