第三章---饱-和-烃

12由碳和氢两种元素组成的有机化合物，也称为碳氢化合物。烃：饱和烃分子中碳原子的四个价除相互结合成碳碳键外，其余全部被氢原子所饱和。也称为烷烃。链烷烃环烷烃烯烃饱和烃不饱和烃烃芳香烃炔烃饱和烃的存在及用途：烃是有机化合物的最基本化合物沼气、天然气、石油是饱和烃的主要来源，既是当今的主要能源，也是石油化工的基础原料，通过化学加工，可以生产一系列烯烃、炔烃及芳烃等。3第三章饱和烃学习要求：1能正确书写饱和烃的构造异构体，掌握饱和烃的命名原则。2能用原子轨道杂化理论解释饱和烃中碳原子的构型。3掌握σ键的形成、结构特点及特性。4掌握构象式（纽曼式和透视式）的写法。5掌握饱和烃的物理性质（沸点，熔点，溶解度，比重等）存在的规律性的变化。6掌握饱和烃的的化学性质。7掌握饱和烃的卤代反应历程及自由基的稳定性。8小环烷烃的特性反应教学重点和难点：重点：饱和烃命名、结构特、化学性质及由基反应历程。难点：饱和烃构象及由基反应历程。4第一节烷烃一、烷烃的通式、同系列、系差烷烃甲烷乙烷、丙烷、丁烷构造式CH4CH3CH3CH3CH2CH3CH3CH2CH2CH3CnH2n+2,n碳原子数。烷烃的分子通式为：具有同一通式，结构相似，化学性质也相似，物理性质则随着碳原子数的增加而有规律地变化的一系列化合物。同系列：同系物：同列中的化合物互称同系物。同系物在组成上相差一个或几个CH2原子团，CH2叫系列差或系差.在烷烃分子中碳原子的四个价除相互结合成碳碳键外，其余全部被氢原子所饱和，分子中氢原子已达到了最高限度。烷（wan）有完满的意思，也就是饱和的意思。同系物的特点：化学性质相似，有特例。5二、烷烃的命名一级或伯碳原子（1º）二级或仲碳原子（2º）三级或叔碳原子（3º）四级或季碳原子（4º）CH3CH3CH3CH3CCHCH2CH30101010101000432CH3CH3CH3CH3CCHCH2CH3与一级、二级、三级碳原子相连的氢原子分别称为：一级或伯氢原子（1º）二级或仲氢原子（2º）三级或叔氢原子（3º）1、碳原子和氢原子的类型62、普通命名法1-10个碳原子的烷烃，词首采用天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸，称作“某”烷。CH4CH3CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH3甲烷己烷丙烷十一个碳原子以上用汉文表示，称“多少烷“C12H26十二烷C20H42二十烷对于有异构体的烷烃，常以正、异、新来标记。CH3CH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH3CHCH3正己烷(n)异己烷(i)新己烷CH3CH2CH3CH3CCH3异新73、系统命名法（IUPAC，CCS(ChinaChemicalSociety)）1)、烷基烷烃分子中去掉一个或几个氢原子而剩下的原子团。符号Men-Pri-Bus-But-Bu一价基：烷基—CH3—CH2CH2CH3—CH2CH(CH3)2—CH(CH3)CH2CH3—C(CH3)3名称甲基（正）丙基异丁基仲丁基叔丁基二价基（亚基）：CH2CHCH3C(CH3)2CH2CH2CH2CH2CH21，3-亚丙基亚甲基亚乙基亚异丙基1，2-亚乙基三价基（次基）：CHCCH3次乙基次甲基对直链烷烃的命名与普通名法基本相同，但不写“正”字。对支链烷烃则把它看成直链烷烃的烷基衍生物，支链作取代基。82）、命名原则①选主链含有取代基最多的最长碳链为主链。原则：a、含碳原子数最多b、取代基最多CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCHCH3123564②定编号b、有多个取代基时以取代基的位次之和为最小原则：a、从最接近取代基的一端开始③名称的排列顺序将母体名称放在取代基后面称为：“某基某烷”2-甲基-3-乙基己烷如有多个取代基则小的基团放在前，大的基团放在后（英文命名则按取代基第一个字母的顺序）。9同一取代基出现多次应进行合并CH3CH3CH3CCH3CHCH312341234562，3，5-三甲基-4-乙基己烷2，2，3-三甲基丁烷④如果取代基比较复杂，则从与主链相连的碳原子开始，给取代基最长碳链上的碳原子依次编号。1234567891'2'3'（1，2-二甲基丙基）壬烷3，3-二甲基-4-乙基-5-最长碳链，最小定位，同基合并，由简到繁。烷烃命名十六字：CH3CHCHCHCH3CH3CH3CH3CCH2CH3CHCHCH3CH3CH2CH2CH22CH3CH3CH3CHCHCH3CHCHCHCH3CH3210CH3CH2CH2CHCHCHCHCH3CH2CH2CH3CH3CH3CH31234567867887654321中文名称：2,3,5-三甲基-4-丙基辛烷英文名称：2,3,5-trimethyl-4-n-propyloctane11三烷烃的构型1874范特霍夫和勒贝尔同时提出了碳原子的四面体概念。甲烷正四面体构型1、碳原子的四面体概念及分子模型构型：具有一定构造的分子中的原子在空间的排布。122、碳原子的SP3杂化2P2S基态杂化光或2PSP32S激发态杂化态激发每一个SP3杂化轨道都含有1/4S成分和3/4P成分。碳原子的基态电子排布:1S2、2S2、2Px1、2Py1、2Pz按未成键电子的数目，碳原子应是二价的，但在烷烃分子中碳原子确是四价的，且四个价键是完全相同的。原因：在有机物分子中碳原子都是以杂化轨道参与成键的,在烷烃分子中碳原子是以SP3杂化轨道成键的。杂化后形成四个能量相等的新轨道称为SP3轨道，这种杂化方式称为SP3杂化四个SP3轨道对称的分布在碳原子的四周，对称轴之间的夹角为109.5º,这样可使价电子尽可能彼此离得最远,相互间的斥力最小,有利于成键。133、烷烃分子的形成甲烷分子的形成甲烷分子的形成及C-H键乙烷分子的形成（1）电子云沿键轴呈圆柱形对称分布。（2）可自由旋转而不影响电子云重叠的程度。（3）结合的较牢固。σ键：成键电子云沿键轴方向呈圆柱形对称重叠而形成的键叫做σ键。σ键的特点：HHHHsp3sp3sp3sp3HHHHHH14烷烃分子构造式的表示方法：键线式：2，4-二甲基-3-乙基己烷己烷楔形线式：乙烷戊烷15四、烷烃的构象1、乙烷的构象由于绕σ键轴旋转而产生的分子中原子或基团在空间不同排列方式。构象：各种不同排列方式互称为分子的构象异构体又称为异象体，简称为不同的构象。乙烷的交叉式构象乙烷的重叠式构象16乙烷的两种极限构象表示如下：重叠式HHHHHHCCHHHHHHHHHHHH交叉式HHHHHHCCHHHHHHHHHHHHNewman式楔形线式(伞式)透视式(锯架式)扭转张小扭转张大σ电子对间排斥力227289249306非键张力小12.6kJ/mol172、正丁烷的构象HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3H3CHCH3HHHCH3丁烷绕C2及C3之间的σ键旋转的四种极限构象：部分重叠式（反错式）全交叉式（反叠式）斜交叉式（顺错式）全重叠式（顺叠式）全交叉式构象能量最低，是优势构象。达到动态平衡，优势构象的全交叉式约占72%，顺交叉式约占28%，两种重叠式极少。扭转张小非键张力小18ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ60°120°0°－－－－－－－180°240°300°360°19kJ.mol16kJ.mol3.8kJ.molpotentialenergyCH3HH3CHHCH3HHHHHH3CHHHHCH3CH3HHHHCH3H3CHHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHCH3CH3HHRotationFigure2.5EnergychangesthatarisefromrotationoftheC2--C3bondofbutaneAntiAntiGaucheGaucheEclipsedEclipsedⅠEclipsed1116kJ.mol11Energycurveofbutaneconformation对位交叉式(~70%)邻位交叉式(~30%)部分重叠式全重叠式19五、烷烃的物理性质正构烷烃的沸点随着相对分子质量增加而有规律的升高。1、沸点C1～C4的烷烃为气体；C5～C16的烷烃是液体；C17以上的烷烃是固体。固体烷烃又称为石蜡。在同碳数的烷烃异构体中，正构的沸点最高；含支链最多，沸点最低；支链数目相同者，分子对称性越好，沸点越高。正戊烷异戊烷新戊烷沸点℃36.129.99.4CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH3分子间接触面积大作用力强分子间接触面积小作用力弱bp：36.1℃bp：9.4℃202、溶点烷烃的熔点曲线3、相对密度烃类都比水轻，共相对密度都小于1烃类都不溶于水，能溶于有机溶剂。4、溶解度奇数碳偶数碳烷烃熔点的特点（1）随相对分子质量增大而增大。（2）偶数碳烷烃比奇数碳烷烃的熔点升高值大（3）相对分子质量相同的烷烃，支链增多，熔点下降。取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度。(4)高度对称的支链烷烃分子熔点比同分子量的直链烷烃高。21六、烷烃的化学性质CH4+O2NO600℃HCHO+H2O1、氧化反应1)、完全氧化反应CnH2n+2+O2→nCO2+(n+1)H2O+热3n+122)、部分氧化反应甲烷在一定的条件下可以制备甲醛：CH3CH2CH2CH3+O25_2CH3COOH2H2O催化剂+从炼厂气中得到的丁烷部分氧化可制备乙酸：作为燃料工业上制备含氧有机化学品烷烃的部分氧化提高了烷烃的经济价值，它是多年来研究的课题。RCH2CH2R'+O2MnO2107-110℃RCOOH＋R'COOH+其他羧酸石蜡等高碳烷烃用高锰酸钾或二氧化锰等催化氧化可制备高碳脂肪酸，C12～C18可以替代动物油脂，作肥皂，称为皂用酸。222、裂化反应烷烃在没有空气存在下进行的热分解反应称为裂化反应。CH3CH2CH2CH3H2CH2=CHCH2CH3CH4CH2=CHCH3CH3CH3CH2=CH2热裂+++裂解产物是复杂的，除有小分子的烷烃、烯烃为主要产物外，还有异构(生成支链产物)、环化(生成脂环族产物)、芳构化(生成芳香族化合物)、脱氢(生成多烯烃、炔烃等)等反应伴随。低级烯烃等裂解催化剂：硅酸铝－催化裂化－热裂化裂化C)700(C)500450(C)700500(233、卤代反应烷烃分子中的氢原子被卤素原子取代的反应称。取代反应：烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团所替代的反应。卤代反应：CnH2n+2X2XHX+CnH2n++1+4HClCCl2CH42+日光卤代反应的条件不同，反应程度不同。mol/kJ100HClClCHClCH324漫射光HClClCHClClCH2223漫射光HClHClClClCH3222C漫射光HClClCClCHCl423漫射光400－500℃，CH4:Cl2=10:124七、烷烃卤代反应机理实验事实：CH4、Cl2混合物在黑暗中长期保存，不反应。CH4经光照后与Cl2混合，也不反应。Cl2经光照后，迅速在黑暗中与CH4混合，反应立即发生。实验事实告诉我们：烷烃的卤代反应是从Cl2的光照开始的。甲烷的氯化反应式CH4+Cl2CH3Cl+HClhv反应机理：化学反应所经历的途径或过程25Cl：ClhνClCl+链引发：生成活泼质点Cl+CH3HHCl+CH3CH3+Cl2CH3Cl+ClCH3Cl+ClHCl+CH2ClCH2Cl+Cl2CH2Cl2Cl+链增长：原有的活泼质点消失，生成新的活泼质点。ClCl+Cl2CH3+ClCH3Cl链终止：活泼质点消失。+Cl2Cl+CCl3CCl4这种周而复始的反应称为链反应。它包括三个阶段，引发、链的传递、链的终止，其中，链的引发阶段是关键。反应机理——自由基机理262、卤素的相对活性(1)X22XFClBrI+188.3+242.7+192.5+150.6难易X(2)+CH4HX+CH3-130.0+4.0+71.0+138.0关键步骤最易易难(3)CH3+X2CH3X+X-107.0-297.0-100.0-84.0H-42