有机化学第2章 饱和烃

第二章饱和烃有机化学OrganicChemistry烃（碳氢化合物）：只由C、H两种元素组成的化合物。饱和烃：分子中只含有C－C单键和C－H键的烃。烃环烷烃芳香烃链烷烃不饱和烃烯烃炔烃饱和烃2.1烷烃的通式、同系列和构造异构烷烃的通式CnH2n+2,直链烃的通式可写为:H-(-CH2-)n-H•同系物—在组成上相差一个或多个CH2，且结构和性质相似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。•系差—同系列相邻的两个分子式的差值CH2称为系差。•如CH4，C2H6，C3H8，C5H10等。象丁烷和异丁烷异构，只是分子中各原子间相互结合的顺序不同而引起的，只是构造不同而导致的异构现象，又叫做构造异构现象。构造异构HCCCCHHHHHHHHHHCCCHHHCHHHHHH正丁烷异丁烷烷烃的同分异构现象一、伯、仲、叔、季碳原子只与一个碳原子相连的称为“伯”或一级碳原子，常用1o表示；与两个碳原子相连的称为“仲”或二级碳原子，常用2o表示；与三个碳原子相连的称为“叔”或三级碳原子，常用3o表示；与四个碳原子相连的称为“季”或四级碳原子，常用4o表示。与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子。如：CH3－CH2－CH2－CH2－CH31°2°CH3－CH－CH2－CH3CH33°CH3－C－CH3CH3CH34°2.2烷烃的命名2.2.1烷基的概念从烷烃分子中去掉一个氢原子后所剩下的基团称为烷基。烷基名称通常符号CH3-甲基MeCH3CH2-乙基EtCH3CH2CH2-正丙基n-Pr(CH3)2CH-异丙基i-PrCH3CH2CH2CH2-正丁基n-Bu(CH3)2CHCH2-异丁基i-BuCH3CH2CH(CH3)-仲丁基s-Bu(CH3)3C-叔丁基t-Bu烷基的通式为CnH2n+1—，常用R—表示。二、烷基1.习惯命名法通常把烷烃称为“某烷”，“某”是指烷烃中碳原子的数目。由一到十用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示。十以上的用汉字数字表示碳原子数，用正、异、新表示同分异构体。如：C11H24，叫十一烷。（1）凡直链烷烃叫正某烷。如：CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷（2）只有(CH3)2CH-端链的烷烃称为异某烷。CH3CH3CHCH2CH2CH3异己烷2.2.2烷烃的命名（3）只有(CH3)3C-端链的烷烃称为“新某烷”。习惯命名法只能命名简单的化合物。CH3－C－CH3CH3CH3新戊烷2.系统命名法系统命名法是中国化学学会根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）制定的有机化合物命名原则，再结合我国汉字的特点而制定的。在系统命名法中，对于直链烷烃的命名和习惯命名法是基本相同的，仅不写上“正”字。如:CH3CH2CH2CH2CH3普通命名法叫正戊烷，系统命名法叫戊烷。对于支链烷烃，把它看作是直链烷烃的烷基取代衍生物。CH3CH2CHCH2CH3CH33－甲基戊烷支链烷烃的系统命名法原则如下：（1）选取主链（母体）a.选择含碳原子数目最多的碳链作为主链，支链作为取代基。b.分子中有两条以上等长碳链时，则选择支链多的一条为主链。例如：CH2CH3CH3－CH－CH2－CH2－CH3(2)对主链碳原子编号a.从距离取代基最近的一端开始，将主链碳原子依次用1、2、3……编号。如：CH2CH3CH3－CH－CH2－CH2－CH31234563－甲基己烷b.当取代基的位置相同时，则从连较简单的取代基一端开始编号。c.若在上述基础上，编号仍有选择性，则使各取代基位置和最小。CH3－CH2－CH－CH2－CH－CH31234562－甲基－4－乙基己烷CHCH3CH3(3)命名遵循以下原则：a.将支链（取代基）写在主链名称的前面。b.取代基按“次序规则”小的基团优先列出。常见烷基的大小次序：甲基乙基正丙基正丁基异丁基异丙基。c.相同基团合并写出，位置用2，3……标出,取代基数目用二,三……标出。d.表示位置的数字间要用“，”隔开，位次和取代基名称之间要用“－”隔开。如：烷烃的命名归纳为十六个字：最长碳链，最小定位，同基合并，由简到繁。CH3CH3－CH2－CH－CH－CH－CH－CH3CH3CH2CH3CH32，3，5－三甲基－4－乙基庚烷1234567CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CH33-甲基-5-乙基辛烷CH2CH2CH3(注意编号)CH3CH2CH-CHCH2CH3CH3-CHCHCH32,5-二甲基-3,4-二乙基己烷CH3CH3(注意主链)11例CHCH3CH3CH2CHCH2CH2CCH2CH3CH3CH3H3C123456782,6,6-三甲基－3－乙基辛烷CH3CHCH2CH2CH2CHCHCH2CH3123456789CH3CH3CH32,6,7-三甲基壬烷构型+取代基+母体R,S;Z,E;顺,反取代基位置号+个数+名称(有多个取代基时，中文按顺序规则确定次序，小的在前。)官能团位置号+名称(没有官能团时不涉及位置号)有机化合物系统命名的基本格式练习1、写出下列化合物的系统名称。2、写出下列化合物的结构式2，6-二甲基-3,,6-二乙基辛烷2，5-二甲基-3，4-二乙基己烷2，3，4-三甲基-4-丙基辛烷2，3，7-三甲基-5-丙基辛烷3、写出下列化合物的系统名称2.3烷烃的结构甲烷的球棒模型2.3.1甲烷的结构和碳原子轨道的sp3杂化•——凡是成键电子云对键轴呈圆柱形对称的键均称为键。以键相连的两个原子可以相对旋转而不影响电子云的分布。甲烷的四个C-H键2.3.2其他烷烃的结构•乙烷的C-C键在其他烷烃中，C均以sp3杂化轨道成键，因此也都具有呈四面体结构。由于σ键可以自由旋转，所以烷烃的结构不象我们所写的那样一层不变，而是运动的，一般以锯齿形存在。并且在平衡位置不断振动。例如丁烷的分子。正戊烷正己烷2.4烷烃的构象2.4.1乙烷的构象构象是指构造一定的分子，由于单键旋转而引起的分子中的原子或基团在空间的不同排列方式。由于单键的旋转，使连接在碳上的原子或原子团在空间的排布位置随之发生变化，所以构造式相同的化合物可能有许多构象。它们之间互为构象异构体。重叠式构象交叉式构象纽曼投影式重叠式构象交叉式构象重叠式构象交叉式构象透视式构象的表示方法：通常用透视式或纽曼(Newman)投影式表示。（以乙烷为例）乙烷分子的能量曲线图由交叉式转变为重叠式时必须吸收12.5KJ/mol的能量，由重叠式转变为交叉式时会放出12.5KJ/mol的能量。所以交叉式是最稳定的构象。低温时，交叉式构象增多。从理论上讲，乙烷分子的构象是无数的，其他构象则界于上述两种极限构象之间。为主2.4.2丁烷的构象丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化2.5烷烃的物理性质自学！2.6烷烃的化学性质烷烃在一般情况下与强酸、强碱、强氧化剂和强还原剂如浓硫酸、浓硝酸、苛性碱、重铬酸盐、高锰酸盐、钠和乙醇、锌汞齐／浓盐酸、氢化铝铿等都不起反应或反应极慢。因此，烷烃有时称为石蜡，意味亲和力差，反映出这类化合物的反应活性很低。这主要与构成烷烃分子的C一C及C一Hσ键较牢固及分子的非极性有关，故烷烃常用作惰性溶剂和润滑剂。但是，烷烃的这种稳定性不是绝对的，如它们可以与超强酸HF/SbF5或FSO3H等作用得到各种产物；在高温、光照或催化剂存在下也可以发生卤化等反应；在某些酶的作用下，烷烃还可以变成蛋白质。ClCl+能量Cl·+Cl·(氯自由基)Cl·+HCH3HCl+·CH3(甲基自由基)·CH3+Cl2CH3Cl+·Cl................Cl·+Cl·Cl2·CH3+·CH3CH3CH3Cl·+·CH3CH3Cl................(1)链的引发：(2)链增长:(3)链终止:甲烷氯化反应的机理2.6.1取代反应CH4+Cl2CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4②其它烷烃的氯代—ClCH3CH2CH3CH3CH2CH2Cl+CH3CHCH3正丙基氯43%异丙基氯57%设:伯氢原子活泼性为1，仲氢原子相对活泼性为x:57/43=2x/6x=4Cl2光25℃,CCl4①甲烷的氯代反应(自由基取代)丙烷氯代反应:伯，仲，叔氢原子的反应活性CH3CH3CH3CH3CH+Cl2CH3-C-Cl+CH3-CHCH3CH3CH2Cl叔丁基氯36%异丁基氯64%•设y为叔氢原子的相对活泼性则:36/64=y/9y=5.06则在室温下伯，仲，叔氢原子的反应活性:1:4:5*异丁烷氯代反应:产物混合，复杂，一般不用氯代来制备卤代烃--高温下逐渐接近1:1:1光127℃CH3CH3CH3CH3-CHCH3+Br2CH3-C-Br+CH3-CHCH2BrCH399%③烷烃与其它卤素的取代反应•伯，仲，叔氢原子的反应活性:1:82:1600。溴更具有选择性。产物单一，可用溴代来制备卤代烃•烷烃与碘作用得不到碘代烷。•与氟反应剧烈，不易控制，会引起爆炸。痕量•从各键的离解能来看:形成各烷基自由基所需的能量:·CH31ºR·(伯烷基自由基)2ºR·3ºR·3ºR·2ºR·1ºR··CH3-------越稳定的自由基越易生成。3ºH2ºH1ºH•烷基自由基的稳定次序:伯，仲，叔氢原子活泼性将下列自由基按稳定性大小排列成序烷烃在空气中燃烧，当空气（氧气）充足时，生成二氧化碳和水，并放出大量热。例如：在无机化学中，是用电子的得失，也就是氧化数的升降，来描述、判断氧化还原反应。而在有机化学中，加氧去氢为氧化，加氢去氧为还原。其中C12－C18的脂肪酸可直接与NaOH反应，制成高级脂肪酸的钠盐－肥皂。这种制皂方法可节约大量的食用油。⑴在空气中燃烧：CnH2n+2[(3n+1)/2]O2nCO2(n+1)H2OQ+++这是汽油、柴油等作为动力燃料的依据。当燃烧不完全时，则有游离碳生成，在动力车尾气中有黑烟冒出。⑵烷烃的部分氧化高级烷烃，如石蜡烃在KMnO4、MnO2或Mn(Ac)2催化下，用空气或O2氧化，可得到的C12－C18的脂肪酸。RCH2CH2R'O2RCOOHR'COOH+锰盐+2.6.2氧化反应2.6.3异构化反应化合物从一种结构转变成另一种结构的反应称为异构化反应。例如:正构烷烃异构成带支链的烷烃，可以改善油品的辛烷值，提高油品的质量。常温下烷烃很稳定，但隔绝空气加热到一定温度就开始分解。温度越高，分解越厉害。烷烃这种在高温下的热分解称为裂化。裂化催化裂化热裂化裂解：指深度裂化。目的：为了得到更多的低级烯烃。CH3CH2CH3460℃CH3CH=CH2+H2CH2=CH2+CH4CH3CH2CH2CH3500℃CH3CH=CH2+H2CH3CH2CH＝CH2CH3CH3CH2=CH2+CH4+2.6.4裂化反应2.7烷烃的主要来源和制法2.7.1烷烃的来源——石油和天然气2.7.2烷烃的制法1．烯烃的氢化在催化剂存在下，氢气和烯烃混合振荡发生多相反应，生成与烯烃骨架相同的烷烃。由于烯烃较容易得到，因此，烯烃氢化是烷烃制备中最主要的反应。例如：2.Corey一House反应将卤代烃先制成烷基铿RLi，加人卤化亚铜生成二烃基铜锉，然后再与另一分子的卤代烷R’X作用发生偶联反应，得到烷烃R一R’。本方法的发现者之一CoreyE.J.因在有机合成中取得杰出成就而荣获1990年诺贝尔化学奖。例如：3.Wurtz反应卤代烷和钠作用也得到碳链增长一倍的烷烃，反应可能经过烷基钠中间体的过程，卤代烃以溴代烷或碘代烷为好，伯卤代烷可以得到更高的产率。该反应又称Wurtz反应。4.Grignard试剂法将卤代烷与金属镁在干燥的乙醚中反应，得到Grignard试剂RMgX（见8.4.4）。Grignard试剂和含活泼氢的化合物（如水、醇、氨等）作用得到烷烃：环烷烃-结构上具有环状碳骨架，而性质上与脂肪烃相似的烃类，总称环烷烃。(1)环烷烃--饱和的环烷烃叫环烷烃。单环通式CnH2n•环丙烷CH2-CH2简写:CH2•环丁烷CH2-CH2简写:CH2-CH2•甲基环丙烷