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汪小兰有机化学第二章_饱和烃(烷烃)_图文

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只有碳氢两种元素的原子组成的化合物叫碳氢化合物,简 称烃。 烃是最基本的有机化合物,习惯上把它们看成是有机化合 物的母体。 在烷烃分子中,碳原子与氢原子的结合已达到了最高限 度,不能再增加了,故烷烃又叫饱和烃。

2

?烃的分类:

烷烃 饱和烃:
开链烃 (脂肪烃)


环状烃

烯烃 不饱和烃 炔烃 二烯烃 脂环烃

芳香烃
3

2.1 同系列与同分异构
一、 烷烃的同系列

? 烷烃的通式: CnH2n+2 ?同系列:具有相同的通式,结构相似,组成上相差CH2
及其整数倍,化学性质也相似,物理性质随碳数的增加有 规律地变化的化合物系列。 ?同系物:同系列中的各化合物互为同系物。 ?烷烃是碳氢化合物,我们以CH4为起点,依次插入CH2 可以导出所有的烷烃:

H__CH2__H
甲烷
CH2

CH2

H__CH2__CH2__H
乙烷
CH2

H__CH2__CH2__CH2__H 丙烷

………

4

二、烷烃的同分异构-构造异构现象

?构造异构:因分子中原子相互连接的次序不同
而引起的异构。
碳架异构 位置异构 构造异构 官能团异构 互变异构 顺反异构

同分异构
立体异构

构型异构 构象异构
对映异构

5

对于烷烃的构造异构,实质上是碳架异构,即分子式相 同,碳架不同。 C
C-C-C-C-C C-C-C-C C C-C-C C
2,2-二甲基丙烷(新戊烷)
戊烷(正戊烷) 2-甲基丁烷(异戊烷)

?碳原子、氢原子的分
类: 1oC 1oH 2oC 2oH 二级 仲 3oC 3oH 4oC

一级 伯

三级 四级 叔 季
6

2.2 烷烃的命名
一、普通命名法 1.直链的烷烃(没有支链)叫做“正某烷” 1-10个碳的烷烃用甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、 壬、癸表示,10以后用大写数字表示,十一、十 二、……。 2. 含支链的烷烃 为区别异构体,用“正(normal,n-)‖ (直链)、“异(iso,i)‖ (一末端有两个甲基)、“新(neo)‖(季碳)等词头表示。 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3
正己烷

CH3-C-CH2-CH2-CH3 CH3 异己烷

CH3-C-CH2-CH3 CH3
新己烷
7

?烷基
1.烷基的命名 烷烃—去掉一个H生成的一价原子团叫烷基R—,CnH2n+1 —去掉两个H生成的二价原子团叫亚某基 —去掉三个H生成的三价原子团叫次某基 ★烷基词头: 正 n– (normal), 仲 s– (second), 异 i– (iso–) , 叔 t– (tertio–) , 新 neo–(neo–)。
CH2
亚甲基

CHCH3
亚乙基

CH
次甲基
8

注意异丁基与仲丁基的区别

注意叔戊基与新戊基的区别

9

二、 系统命名法 说明:IUPAC命名法与系统命名法并不等同。 IUPAC命名法:是国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry,简称IUPAC)制定的命法。 系统命名法:是中国化学会(CCS:Chinese chemical society) 根据IUPAC的命名原则,结合我国文字特点所制定的命名 法。

?在系统命名法中:
2.支链烷烃的命名分“三步曲(选主链,编号,命名)”
10

1.直链烷烃的命名与普通命名法相同,前面不需要“正字”。

具体步骤如下: ―三步曲”: ①选主链:选择最长碳链作主链,其它侧链作取代基。称 之为某烷。

★如果主链一样长,选含支链最多的为主链。

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②编号:从离支链最近的一端起依次给主链碳原子编号。

4-甲基-3-乙基庚烷

★最低系列法:当得到两套可以表示取代基位次的数
字时,逐个比较两种编号法中表示取代基位次的数字, 最先遇到位次最小者为优选命名。

12

2,3,5-三甲基己烷

★当主链上含有多个支链时,编号遵守“次序规则”给
较优基团以较大的编号,并把较优基团放在后面来命名。 (先小后大)。
CH3
1 2

CH3CHCH2CHCCH3

6

5

4

3

2-甲基-5-氯己烷

?次序规则
(1) 取代基中与主链相连的原子,其原子序数小的为”较小”基团 I>Br>P>O>N>C>H, 同位数 D>H (2) 如第一个原子相同, 比较与第一个原子相连的其它原子原子序
数。

Cl

<

<

<
13

1

2

CH3

CH2

CH2

3

CH CH2 CH2 CH3

4

5

CH2

CH

6

CH2

7

CH2

8

9

CH3

例如:

CH CH3 CH3

4-丙基-6-异丙基壬烷 丙基:第一层原子:C;第二层次原子:C、H、H。 异丙基:第一层子:C;第二层次原子:C、C、H。

?结论:“较小”基团为丙基
14

②命名: 化合物名称的书写—―取代基位次”+―取代基名 称”+―母体名称”。 ?书写规则: 1)相同取代基合并,数目用汉文数字二、三 ...表示; 2)取代基位号用阿拉伯数字表示; 3)阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开; 4)阿拉伯数字之间必须用逗号分开。 5) 中文名称按基团次序规则,较小的基团列在前
CH3
1 2 __ ___ 3 __ __ CH3 CH CH C CH3 5 4

CH3 CH2 CH3

CH3

2,2,4—三甲基—3—乙基戊烷 15

2-甲基 -5-(1,1-二甲基丙基)癸烷

16

2.3 烷烃的结构
1 烷烃的结构特征
各个碳都是四面体构型,每个键键角约为109?28?

?C原子的四面体概念
1874年,范特霍夫(Vant Hoff.J.H)和勒贝尔(Le Bel,J.A) 分别提出碳四面体构型学说,

凯库勒模型 (球棒模型)

斯陶特模型 17 (比例模型)

2 碳原子的sp3杂化

1s 2、 2、 1 、 1 ?C原子基态电子排布: 2s 2p x 2p y

?有2个未成对电子,应该是二价的,但碳原子实际上
是四价的。是因为碳原子轨道发生了杂化。

?所谓杂化:“能量相近的原子轨道可以在原子内部
进行混合组成新的轨道—杂化轨道”。 ____ P.L.Pauling (1931) 杂化轨道理论用以解释:为什么基态下外层只有两个未 成对电子的碳原子在有机化合物中总是保持四价,且在 烷烃分子中还具有四面体的构型。
18

?杂化过程:
2s 1s 2
2

2p1 2p1 2pz x y
激发

2s 1s 2

1

2p1 2p1 2p1 x y z
杂化

2s1 2p1 2p1 2p1 x y z 1s 2

2s轨道的能量与 2p较接近,2s上 的1个电子可以 激发到2pz空轨 道上。

激发态的碳原子 有4个单电子,但 轨道能量不等。

杂化形成4个能量相 等的新轨道sp3轨道

19

※杂化轨道的特征
(1) 形成四个完全等同的sp3杂化轨道。每个sp3轨道, 各含1/4 s成份,3/4 p成份。 (2) 这些轨道具有最佳的空间取向,(指向正四面体的顶 点,彼此间的夹角为109°28’ ,保持了最大程度的远 离)。 (3) 杂化轨道具有更强的方向性(负瓣减弱,正瓣加强,增 强了成键的能力)。
杂化
20

3 烷烃分子的形成
?

?

+

?

?

?

sp3

s

sp3-s

?

?

+

?

?

?

?

?

sp3

sp3

sp3-sp3

+

+ 6
21

σ- 键: 形成:由原子轨道头碰头重迭而形成. 特征:电子云沿键轴呈圆柱状对称分布,成键两原子可 围绕键轴自由旋转不会影响电子云密度的分布。 4 烷烃分子构型的表示 ?构造:指分子中的原子相互连接的顺序及方式。 ?构型:指具有一定构造的化合物分子中的原子在空间 的排列形式。
H C H
H H H C C H H H
: 伸出纸平面之前 : 伸向纸平面之后 : 在纸平面之上

H H

甲烷分子的楔形式

乙烷分子的楔形式

简言之: 楔前、虚 后、实平面。 22

▲所谓直链烷烃,碳链并非是直的,只是它不含侧链而
已。 ≥ C3的直链烷烃固态时碳链呈锯齿状,气态、液态 下由于围绕σ- 键的旋转而呈多种不规则的形状:

戊烷的多种不规则形状
23

2.4 丁烷和乙烷的构象
构象:指具有一定构型的分子中的原子或基团,由于围绕 碳–碳单键的旋转而产生的在空间的不同排列式。 1 乙烷的构象
凯库勒模型 锯架(透视)式 凯库勒模型 纽曼(投影)式
H H H
H H H H H

交叉式
H H H H H
H
H H

重叠式
H

H H

H

H H

H

H

24

H

能量分析:
H

H H H H

H HH H H H

2H之间的距离: 0.250nm 0.229nm 2H原子的范德华半径之和: 0.24nm 交叉式: 0.250nm > 0.24nm 无范氏张力 重迭式:

0.229nm<0.24nm 有范氏张力
25

?乙烷分子的构象稳定性和内能变化 ?扭转能:使构象之间转化所需要的能量。
构象的稳定性与内能有关. 内能低,稳定;内能高,不稳 定。内能最低的稳定构象称优势构象。 稳定性:交叉式 > 重叠式 乙烷的优势构象是交叉式。
H H H H H H
H H H H H H

H H H H

H H

>

>
H H

H H

H H
26

乙烷的构象势能图

27

?纽曼(投影)式的写法
H
H H H H H H

H

H

H
H

H

2.丁烷的构象 丁烷有四种构象:全重迭式 , 部分重迭式 , 邻位交叉式, 全交叉式 28

CH3 H

H

H
H H CH3

H

60度
H CH

H CH3

60度

H

H CH3 CH3

H

H

3

全交叉式
60 度

部分重迭式

邻位交叉式
60 度

H

H

CH3

H H

60度

H

H H CH3

60度

H

H

H H

H CH 3

CH3

CH3 CH

3

部分重迭式

邻位交叉式

全重迭式
29

2 丁烷各种构象的内能变化

30

2.5 烷烃的物理性质
物理性质包括: 外 观:状态、颜色、气味、味道。 物理常数:熔点(m.p.)、沸点(b.p.)、 密度(d )、 折光率(nD)、 t 比旋光度[α]λ 偶极矩( μ ) 溶解度等 一、研究物理性质的意义 1、用来鉴别化合物或判别化合物的纯度

2、根据物理性质来分离提纯化合物
31

二、烷烃的物理性质
1、熔、沸点

32

⑴、烷烃为非极性分子,一般熔沸点都较低 ⑵、随分子量的增大而升高 ⑶、分子量相同时,支链越多,熔沸点越低 正、异、新、戊烷熔点、沸点的比较:
CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3 CH3
CH3 CH3

CH3__C__CH3

b.p/ ℃ : 36 m.p/ ℃ :-130

28 -160

9.5 -17
33

3、密度: 小于1。 在0.466–0.812之间。 4、偶极矩:分子之间只有极弱的色散力,分子没有极性或 仅有极弱的极性.正烷烃的偶极矩都等于零(μ= 0)。 5、溶解度:不溶于水易溶于非极性溶剂,如苯、四氯化碳 等。

34

2.6 烷烃的化学性质
烷烃的结构特点与反应活性: 1、烷烃分子中的键强度大,键能高不易断裂。 C–— C C–— H 345.6 415.5 (KJ/mol) 2、烷烃分子中电子云密度分布均匀,因而不易接受富电 子或缺电子试剂的进攻。 故:烷烃化学性质不活泼,室温下与强 酸、强碱、 强氧化剂、强还原剂不发生反应。
35

但烷烃在高温或光照下能够进行反应。
1.氯代反应——(连锁反应或链式反应)
CH4 Cl2 CH3Cl o hv 300-400 + HCl or hv Cl2 CH2Cl2 + HCl Cl2 hv CHCl3 + HCl Cl2 hv CCl4 + HCl

产物是各种氯代甲烷的混合物 氟代反应太剧烈,以爆炸式进行,难以控制,碘原子不 活泼使取代反应难以发生, 故烷烃的卤代反应通常是指 氯代和溴代反应。 反应活性:F >> Cl > Br >> I
36

?甲烷氯化机理-自由基机理
链引发 链增长 Cl Cl hυ 或Δ Cl . + . Cl +242.4kJmol-1

Cl. + CH4 CH3. + Cl2

HCl + CH3 . CH3Cl + Cl. CH3Cl

+4.2kJmol-1 -108.7kJmol-1

链终止

CH3. + . Cl

CH3. + . CH3

CH3CH3
37

?甲烷氯代反应过程势能变化图

38

?其它烷烃的卤代反应

CH3-CH-CH3 CH3

+

Cl2

h?

CH3-CH-CH2Cl

+

Cl CH3-C-CH3

CH3
64%

CH3
36%

大量实验证明: 活泼性 3oH > 2oH > 1oH
39

CH3 H CH3CH2 H

CH3

+

H

Ed= +435kJ/mol +410 + H +410 +397.5

CH3CH2 + H H CH3CH2CH2 CH3CH + H CH3 CH3 CH3 C CH3 + H

CH3CH2CH2 CH3CH H CH3 CH3 CH3 C H CH3

+385

40

卤代反应是通过自由基活性中间体进行的,反 应的活性取决于相应的烷基自由基是否容 易生成。自由基越稳定,就越容易生成,反 应活性就越大。

?碳原子上的氢越活泼,就越容易离去,自由基就越容
易生成,生成的自由基就越稳定。
自由基的相对稳定性:叔碳(30C) > 仲碳(20C) > 伯(10C)

41

2.氧化和燃烧 氧化反应: 加氧去氢的反应。反之,叫还原反应。

CnH2n+2

3n+1 O2 n CO + (n+1) H O + 热量 + 2 2 2

2.7 自然界的烷烃
自 学
42

43

作业:
P 27-29: 2.2, 2.3, 2.4, 2.9, 2.12,画出各透视式相应的纽曼式。 2.16,

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