第二章饱和烃(烷烃).

第二章饱和烃(烷烃)2.1烷烃通式、同系列及同分异构现象2.2烷烃命名2.3烷烃的结构2.4物理性质2.5化学性质2.6烷烃氯代(卤化、取代)反应历程2.7环烷烃烃：碳氢化合物,仅含C、H两种元素。烃的衍生物：烃分子中氢被其它原子或基团所取代。烃开链烃(脂肪烃)环状烃饱和烃(烷烃、石蜡烃)不饱和烃脂环烃芳香烃烯烃炔烃二烯烃环烷烃环烯烃单/多环芳烃稠环芳烃CHHH氢数甲烷乙烷丙烷丁烷分子式CH4C2H6C3H8C4H10结构式CCHHHHHHCCHHHHHCHHCCHHHHHCHHHCHHHH碳数241321+222+223+224+22.1烷烃通式、同系列及同分异构现象环烷烃的通式:CnH2nH2CH2CCH2CH2CH2CH2H2CH2CCH2CH2CH2H2CH2CCH2CH2H2CCH2CH2环丙烷环丁烷环戊烷环己烷开链烷烃通式：CnH2n+2同系列：通式相同,且结构(分子结构上相差若干个CH2)及化学性质相似,物理性质则随着碳原子数目的增加而有规律地变化的化合物称为同系列例：甲烷/丙烷/丁烷(同糸列)甲醇/丙醇/丁醇(同糸列)甲醚/乙醇(非同糸列)丙酮/丁醛(非同糸列)同系列中的化合物互称为同系物。相邻的同系物在组成上相差CH2,这个CH2称为系列差。有机同分异构分子式相同结构式不同的现象称为同分异构,这些化合物互称同分异构体1.同系物的同分异构丙烷中的一个氢原子被甲基取代,可得到两种不同的丁烷：正丁烷异丁烷2.非同系物的同分异构例:甲醚/乙醇丙酮/丙醛环丙烷/丙烯环丁烯/丁二烯/丁炔同系物的同分异构对物理性质的影响丁烷异丁烷b.p.(C)-0.5-10.2正戊烷异戊烷新戊烷b.p.(C)36.1289.5m.p.(C)-129.8-159.9-16.8二.碳、氢原子类型有机与三个氢原子相连的碳原子,叫伯碳原子(或一级碳原子),用1表示与二个氢原子相连的碳原子,叫仲碳原子(或二级碳原子),用2表示与一个氢原子相连的碳原子,叫叔碳原子(或三级碳原子),用3表示与四个碳原子相连的碳原子,叫季碳原子(或四级碳原子),用4表示碳原子上的氢则对应碳原子类型称为伯氢原子(一级氢,1H),仲氢原子(二级氢,2H),叔氢原子(三级氢,3H)。不同类型的氢其反应活性有差别。1伯碳1伯氢2仲碳3叔碳4季碳2仲氢3叔氢碳、氢原子的类型CCH2CCH3CH3CH3CH3CH3H2.2烷烃命名一.普通命名法(习惯命名法)1.以天干(甲、乙、丙壬、癸)命名碳链，超过十个碳用中文数字表示，如：C12H26---正十二烷。2.以正、异、新表示异构体(例见上述：戊烷及异构体):正(n-)---没支链的正构烷烃；异(iso-)---链端第二位碳上有一个甲基取代基；新(neo-)---链端第二位碳上有二个甲基取代基。有机3.烷基命名烷基(常用R表示)：烷烃中一个氢原子被取代后的基团(二个氢原子被取代称亚，三个氢原子被取代称次)。异丁基---异丁烷中伯氢被取代；仲丁基---正丁烷中仲氢被取代；叔丁基---异丁烷中叔氢被取代。有机常见烷基:CH3-甲基C2H5-乙基CH3CH2CH2-正丙基CHCH3CH3异丙基CH3CH2CH2CH2-正丁基CHCH3CH2CH3仲丁基CHCH2CH3CH3异丁基CCH3CH3CH3叔丁基CCH2CH3CH3CH3新戊基i-Pr（isopropyl）Me（Methyl）Et（Ethyl）n-Pr（Propyl）n-Bu（Butyl）s-Bu（sec-butyl）i-Bu（isobutyl）t-Bu（tert-butyl）Neopentyl二.衍生命名法甲烷作母体(选取代基最多的碳原子为母体碳)普通命名及衍生命名均只适用于较为简单的烷烃。CH3CH2CCH3CH3CHCH2CH3CH3二甲基乙基仲丁基甲烷CH3CHCCH3CH3CH2CH3CH3二甲基乙基异丙基甲烷三.系统命名法有机化合物最常用的命名法是国际纯粹化学和应用化学联合会(InternationUnionofPureandAppliedChemistry,简称IUPAC)制订的系统。我国现用的系统命名法是依据IUPAC规定的原则,再结合中文特点制订的。(1)选择主链选择最长、含支链最多的链为主链，根据主链碳原子数称为“某”烷。例：CH2CH3CHCH3CH3CH22-甲基戊烷步骤和原则如下:CH2CH3CHCH3CH3CH2CH23-甲基己烷CCH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH3CH3CH6个碳原子,4个支链6个碳原子，2个支链选择红色为主链2,2,5-三甲基-3-乙基己烷(2)给主链编号用于确定取代基(支链)的位置。CH3CH3CH3CH2CH4321例：2-甲基丁烷从最接近取代基的一端开始编号CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH123456CH23-甲基-4-乙基己烷例：若有相同编号，则小基团先编号CH3-CH-CH2-CH-C-CH2-CH2-CH2-CH-CH-CH3CH3CH3CH2CH3CH3CH3CH312345678910111110987654321红色从左向右编号取代基位置是2,4,5,5,9,10–(错误)蓝色从右向左编号取代基位置是2,3,7,7,8,10–(正确)蓝色第个二取代基为3,符合最小规则2,3,7,8,10-五甲基-7-乙基十一烷最小规则CH28CH27CH26C5CH24CH23CH2CH1CH39CH31CH3CH1CH3CH2CH33CH3CH3CH2CH33CH3若取代基还有支链，则以括号在主链位置下标出2-甲基-5,5-二(1,2-二甲基丙基)壬烷命名顺序:先找出最长碳链写出母体化合物名称,于母体烷烃之前按从简单到复杂将取代基依次写出,并将取代基的位次、个数标明、相同基团合并，用中文数字(二,三)表示其数目。较优基团排序，按Z/E命名(烯烃)规则确定，注：国外文献基团按字母排序，则乙基ethyl排在甲基methyl前。有机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。•IBrClSPFONCDH•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。系统命名规则小结选主链:最长碳链,取代基最多；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(现在)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,以中文二,三,四等标明数目。注意1.数字与中文间用“-”隔开,数字间用“,”分开;2.“某基”和“某烷”之间不能用“-”隔开;3.中文二,三,四等不能用阿拉伯数字2,3,4等替换2,7-二甲基-4-(1,1-二甲基乙基)辛烷3,3-二甲基-4-乙基-5-(2,2-二甲基丙基)壬烷CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3有机课堂练习2.3烷烃的结构一.甲烷的构型甲烷的正四面体结构棍球模型(Kekülé)比例模型(Stuart)HHHHC甲烷的正四面体结构HCH键角109.5ºC－H键长0.110nm有机化合物中碳原子的杂化激发三种杂化方式Sp3杂化Sp2杂化Sp杂化基态碳原子激发态碳原子C:1S22S22P2+++-2S2Px+-+2Py+-2Pz+正四面体形Sp3杂化轨道sp3杂化C-Hσ键+++-2S2Px+-+2Py+++---平面三角形sp2杂化轨道sp2杂化+++++---2s2p直线型sp杂化轨道sp杂化S轨道P轨道SP3轨道(简化)SP3轨道四个SP3轨道成键能力：S轨道=1；P轨道=1.73；SP3杂化轨道=2主要特征:正四面体SP3杂化,键,H-C-H夹(键)角109.5,C-C键长0.154nm,C-H键长0.110nm有机二、烷烃的构象构象是由于分子主链键旋转(转动)而使原子(基团)相对位置不同,造成分子处于不同能量水平的现象。构象：互变键不破裂构型：互变键破裂分子的构象可通过透视式(锯架式)或纽曼(Newman)投影式来表示。乙烷的典型构象有两种：HHHHHHHHHHHH交叉式重叠式透视式纽曼投影式乙烷的重叠式构象能量最高的最不稳定构象乙烷的交叉式构象能量最低的最稳定构象丁烷构象对位交叉式部分重叠式邻位交叉式完全重叠式一般情况下重叠式与交叉式能量差为1525kj/mol(室温下分子热运动能)，故常温下重叠式构象与交叉式构象可快速互变。构型是固定的，而构象一般是瞬间的。构型的变化须破坏化学键,而构象的变化则不会发生键的断裂。2.4物理性质一、物态常温下C1C4为气体(石油气、天然气、沼气等),C5C17为液体(汽油、煤油、柴油、机油等)，C18以上为固体(凡士林、石蜡、沥青等)。二、沸点烷烃分子为非极性分子，是靠范德华力维持在一起的，其中主要为色散力,范德华力与其共价键数目有关，有机-200-1000100200300123456789101112131415碳原子数温度(°C)若共价键越多，范德华力越大，因此，分子量越大，沸点越高，此外，色散力是短程力,随分子间距离增加而迅速降低(F1/d6)，因此，支链越多，分子间距离越大，故沸点越低。有机例比较下列化合物的沸点高低A.2-甲基庚烷；B.庚烷；C.2-甲基己烷；D.3，3-二甲基戊烷分子量越大，沸点也随之增高；同碳原子数的烷烃异构体中，支链烷烃的沸点比直链烷烃低。故上述化合物沸点。A＞B＞C＞D三.熔点与分子对称性相关，对称性高熔点高，偶数对称性好于奇数，熔点曲线表现为锯齿状。四.密度密度1,最后趋于0.78,支链使密度降低。五.溶解度(相似相溶)非极性，难溶于水，易溶有机溶剂。有机-200-150-100-50050123456789101112131415碳原子数温度(°C)2.5化学性质在所有的有机物中，烷烃是不含官能团的化合物，分子中只有键，除C-C键外就只有C-H键，为非极性分子，所以烷烃的化学性质是最不活泼的，在一般情况下，烷烃不与大多数试剂反应，如:强酸、强碱、强氧化剂等，但在高温或某些催化剂作用下也可发生一系列反应。有机一.氧化反应1.完全氧化(燃烧)燃烧产物为CO2+H2O并产生大量热能，提供日常生活、生产能源。C1C6与空气混合至一定比例时，遇到火花会发生爆炸这是煤矿发生爆炸(瓦斯)事故的原因。甲烷的爆炸极限5.5314%，在此浓度范围内遇火爆炸，在此范围之外,只燃烧而不爆炸。有机2.部分氧化在催化剂存在及着火点以下，烷烃可被氧化为多种含氧化合物，氧化的结果是碳链的任何部分都可能断裂，不能用一个完整的反应式来表示(选择氧化技术有待完善)：O2/Mn盐R-CH3RCOOH+RCHO+RCOR+RCH2OH工业上利用高级烷烃制备脂肪醇及酸用于制备肥皂和表面活性剂。有机二.异构化炼油工业利用异构化直链支链提高汽油质量。辛烷值：正庚烷与异辛烷混合液中异辛烷的体积百分数。纯异辛烷辛烷值为100,辛烷值高则质量好,支链多则燃烧完全、安静、振动小。异辛烷(2,2,4-三甲基戊烷)CH3CH3CH3CH3CH3有机三.裂化(无氧条件)裂化温度400600C,裂解700C,加热可使C-C、C-H发生断裂成为较小的分子，产物较复杂,有烷、烯、H2等，由于C-C键能(348kj)小于C-H键能(416kj),故产物中H2较少,如:甲烷需1200C才能分解(CH4C+2H2)。通过裂化和异构化反应在重油馏分中制备汽油，可使油品产量及质量都有较大的提高，一般原油馏分中直接得汽油约1020%,通过裂化或加入催化剂可使长碳链烷烃裂解为短链烷烃,使油产率大大提高,由于断链过程伴随异构化反应(亦有环化反应),可使油品质量提高。有机四.取代反应甲烷在黑暗中与Cl2不反应,但经强光照射,则剧烈反应,甚至发生爆炸CH4+Cl2C+HCl+热量在较缓和光照或热及催化剂存在