第二章 饱和烃1

第二章饱和烃（烷烃）内容一、几个基本概念二、同系列和同分异构三、烷烃的命名四、烷烃的结构五、乙烷和丁烷的构象六、烷烃的物理性质七、烷烃的化学性质烃:由碳氢两种元素组成的有机物；也叫碳氢化合物。开链烃:碳原子相连成链状的烃，也叫脂肪烃。饱和脂肪烃叫烷烃。烷烃分子中的碳原子以单键相连，其余的价键都与氢原子结合。一几个基本概念CHHHHCHHHCHHHCHHHCHHCHHHCHHHCHHCHHCHHHCH4C2H6C3H8C4H10二同系列和同分异构同系列：结构相似，在组成上相差若干个CH2的化合物组成一个系列为同系列。烷烃的通式为CnH2n+2。同系列中的各种化合物称为同系物。如CH4，CH3CH3，CH3CH2CH3，CH3CH2CH2CH3等。同分异构：分子式相同而结构不同的化合物称为同分异构体。烷烃中，CH4，C2H6，C3H8无同分异构体。aCH3—bCH2—bCH2—bCH2—aCH3aCH3—bCH2—cCH—aCH3aCH3CH3aCH3—dC—aCH3CH3戊烷（正戊烷）2-甲基丁烷（异戊烷）2，2-二甲基丙烷（新戊烷）a:一级（1º）(伯)碳原子b:二级（2º）(仲)碳原子c:三级（3º）(叔)碳原子d:四级（4º）(季)碳原子三烷烃的命名1普通命名法甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸分别表示十个以下碳原子数目;碳原子数超过十个，用中文数字十一、十二、十三……来表示;用“正(normal)、异(iso)、新(neo)”等字为前缀区分异构体，加上“烷”字即为全名。CH3-CH2-CH2-CH2-CH3正戊烷CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CH3CCH3异戊烷新戊烷2系统命名法(IUPAC)对直链烷烃，按普通命名法把“正”字取消即可。有支链的烷烃：(1)烷基：烷烃分子中除去一个氢原子后余下的部分，以R-表示某基：甲基(methyl)CH3-；乙基(ethyl)CH3CH2-；丙基CH3CH2CH2-异某基：异丙基(CH3)2CH-；异丁基(CH3)2CHCH2-仲某基：仲丁基CH3CH2CH(CH3)-叔某基：叔丁基(CH3)3C-(2)命名规则选择主链给主链上的碳原子编号支链烷烃的名称及位置写在母体名称的前面，主链上有多个支链时，按“次序规则”将较优基团列在后面。命名中阿拉伯数字表示取代基的位置，汉字表示取代基的数目。阿拉伯数字与汉字之间必须用短线分开，连续表示位置的阿拉伯数字之间必须用逗号隔开。选择主链在有机物结构中选择最长的，取代基最多的一条碳链作为主链，并根据其碳原子数称为某烷。主链以外的其它烷基看作是主链上的取代基(支链)。给主链上的碳原子编号由距离支链最近的一端开始，将主链上的碳原子用阿拉伯数字编号，支链所在的位置就以它所连接的碳原子的号数表示。分别从主链的两端开始编号，可得到两套表示取代基位置的数字，此时应采取“最低系列”的编号方法。逐个比较两种编号法中表示取代基位置的数字，最先遇到位次较小的，即为“最低系列”。主链及编号CH3CCHCH2CHCH3CH3CH3CH36543212,2,3,5-四甲基己烷CH3123456CH3CH2CHCHCHCHCH3CH2CH3CH2CH3CH3CH376543212,3,5-三甲基-4-丙基庚烷最低系列原则选择含取代基多的最长碳链CH3CH3CH2CH3CH3CH3CH3CH3CHCH2CCHCH2CH2CH2CHCH3CH123456789101111109876543212,4,5,5,9,10–()2,3,7,7,8,10–()2,3,7,8,10-五甲基-7-乙基十一烷次序规则原子序数大的次序大，为较优基团，原子序数小的次序小，同位素中质量高的次序大。IBrClSPFONCDH若各取代基中与母体相连的第一个原子相同，则按照原子序数比较与该原子相连的第二个原子，依此类推。CHHHR1222CHHHHHCR1222所以乙基和甲基相比，乙基为“较优”基团CH3CH3CH3CH3CH2CHCHCH2CH2CH245671234-甲基-3-乙基庚烷3-乙基-4-甲基庚烷（×）4-丙基-6-异丙基壬烷课堂习题：采用系统命名法命名下列化合物P282.2c，d，e，hc:3,3—二乙基戊烷d:3—甲基—5—异丙基辛烷e:2—甲基丙烷h:2—甲基—5—乙基庚烷甲烷(CH4)(methane)：正四面体结构，四个氢原子在正四面体的四个顶点，碳原子在正四面体的中心，四个C-H键长完全相等，键角为109.5°。甲烷的正四面体结构甲烷的Kekulé模型甲烷的Stuart模型四烷烃的结构为清楚地表示分子的立体形状，IUPAC建议书写结构式的方法如下(以甲烷为例)：正常粗细的线表示在纸平面上，粗线表示伸出纸面向前，虚线表示在纸面后面(1)；在结构复杂的分子中，可用楔形表示原子或基团在空间的相对位置，楔形的宽头表示接近读者，虚楔形表示伸向纸后(2)。CHHHHCHHHH（1）（2）碳原子的sp3杂化：1个s轨道和3个p轨道杂化形成4个完全相等的sp3杂化轨道。杂化轨道的特点：①杂化轨道有更强的方向性；②四个SP3杂化轨道完全等值；③四个键尽可能远离；④每两个杂化轨道之间的夹角都是10928’。2s2psp3HHHHC键长：0.110nm键角：10928’sp3轨道和甲烷分子的形成109.5HHHHCC-C-键乙烷分子中原子轨道重叠示意图C-H-键根据原子轨道杂化和轨道重叠的情况，CH和CC键中成键的电子云沿轴向重叠，形成的键称为σ键。单键可以自由旋转。由于碳的价键分布呈四面体型，而且CC单键可以自由旋转，所以多个碳原子组成的烷烃碳链并非一定为直线型，而可能呈锯齿形或其它的形式。所谓“直链”烷烃，仅指烷烃碳链结构中不含有支链。CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC丁烷的Kekulé模型丁烷的Stuart模型五乙烷和丁烷的构象使乙烷分子中的一个碳原子不动，另一个碳原子绕C-C键轴旋转，则一个碳原子上的三个氢相对于另一个碳原子上的三个氢，可以有无数的空间排列形式，这种由于围绕单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叫做构象。C-C键的自由旋转使乙烷可以有无限数目的构象，但从能量上来说只有一种构象的内能最低，因而稳定性也最大，称为优势构象。乙烷的优势构象为交叉式。HHHHHHHHHHHH交叉式重叠式乙烷的构象及其内能变化透视式①画一个圆圈表示离观察者较远的碳原子，圆圈上三等份圆周的短线表示这个碳原子上的三个σ键；②圆心表示离观察者较近的碳原子，由圆心到圆周三等份的延长线表示这个碳上的三个σ键。纽曼投影式规则HHHHHHHHHHHH纽曼投影式乙烷不同构象的能量曲线图能量最低的构象最稳定，最稳定的构象称为优势构象。60120180240EHHHHHHHHHHHH重叠式构象交叉式构象HHHHHHHHHHHH12.1kJ/mol旋转角度丁烷的构象CH3HHHHCH3CH3HHHHCH360O全重叠式邻位交叉式部分重叠式HHCH3HHCH3HCH3HHHCH360O60O60OHHCH3HHCH3HCH3HHHCH360O123456对位交叉式部分重叠式邻位交叉式60120180240300360E3.7kJ/mol18.8kJ/mol15.9kJ/molCH3HHHHCH3CH3HHHHCH3HHCH3HHCH3HCH3HHHCH3HHCH3HHCH3HCH3HHHCH3123456CH3HHHHCH31旋转角度丁烷不同构象的能量曲线图六烷烃的物理性质状态：室温下1~4个碳原子的烷烃为气态；5~17个碳原子的烷烃为液态；18个及以上碳原子的烷烃为固态。熔点、沸点：随相对分子质量的增加而升高；分子量相同，有支链者沸点较低，支链越多，沸点越低。密度：随分子质量的增大而升高，但小于1。溶解性：分子无极性或极性很弱，不溶于水及其它极性强的溶剂中，而易溶于氯仿、乙醚、四氯化碳、苯等弱极性或非极性溶剂中。结构是决定性质的内在因素；同系物结构相似，因而化学性质也基本相似。相对于其他有机物来说，烷烃未含官能团而具有较大的稳定性，一般情况下，烷烃和大多数试剂都不发生反应。烷烃分子中只有碳－碳，碳－氢-键，故十分稳定碳－氢键的极性小，化学稳定性较高。七烷烃的化学性质1氯代反应（以甲烷的氯代反应为例）：CH4Cl2CH3ClHCl+光或热+CH3ClCl2CH2Cl2HCl光或热++CH2Cl2Cl2CHCl3HCl光或热++CHCl3Cl2CCl4HCl光或热++反应有时很剧烈，控制不好会爆炸。甲烷过量(10:1)时，主要得到一氯甲烷；甲烷与氯气体积比0.26:1时，主要得到四氯化碳。CH4+2Cl2C+4HCl在日光(或紫外光)照射下，或高温下，烷烃分子中的氢原子能逐步被氯取代，得到不同的产物。烷烃的氯代是按游离基取代的反应历程进行的：1.氯分子在光照下分解为氯原子，氯原子具有未成对单电子，性质活泼；2.氯原子夺取甲烷中的氢，结合成氯化氢，并产生游离甲基；3.游离甲基的活性也很高，可以和氯分子作用，生成氯甲烷和氯原子；ClCl光2ClCl·+CH4CH3·+HClCH3·+Cl:ClCH3Cl+Cl·4.氯原子可以继续夺取未反应的甲烷分子中的氢，也可以夺取新生成的氯甲烷分子中的氢，生成氯化氢和氯甲基；5.氯甲基再与氯气作用，生成二氯甲烷及氯原子；·CH2Cl+Cl:ClCH2Cl2+Cl·CH3Cl+Cl··CH2Cl+HCl如此循环，可以得到三氯甲烷及四氯化碳。这种反应称为连锁反应或链式反应，反应物中一旦有少量游离基生成，反应就可以继续进行。反应的终止：反应物中的游离基相互结合形成稳定的化合物，如：Cl·+Cl·Cl2CH3·+CH3·CH3CH3CH3CH2CH3Cl2hvCH3CH2CH2ClCH3CHCH3Cl25oC;+丙烷45%55%CH3CCH3CH3HCl2,光25oCClCH2CCH3CH3H+CH3CCH3CH3Cl异丁烷63%37%总结：氯化时，取代速率叔氢仲氢伯氢自由基稳定性：叔自由基仲自由基伯自由基甲基自由基CH3CH3CH3CH3CCH3CH3CHCH3CH3CH2....氧化反应温度低于着火点时，烷烃在催化剂作用下可被氧气氧化。该氧化过程中碳链任何部位都有可能断裂，生成碳原子数比原烷烃少的含氧有机物如醇、醛、酮、酸等。烷烃在高温和足够的空气中燃烧，则完全氧化，生成二氧化碳和水，并放出大量的热能。2氧化和燃烧+CH4O2NOHCHO+600℃H2ORCH2CH2R'O2RCH2OHR'CH2OH++RCH2CH2R'O2RCOOHR'COOH++CnH2n+2+(3n+1)/2O2nCO2+(n+1)H2O+热能如：控制氧化燃烧作业：2.32.4b，d，f，h2.92.122.132.16