有机化学 第02章 饱和脂肪烃(烷烃)

第二章第二章烷烃§2-1同系列和同分异构§2-2烷烃的命名法§2-3烷烃的分子结构§2-4烷烃的性质§2-5卤代反应历程§2-6自然界的烷烃在组成上仅含有碳与氢两元素的化合物叫碳氢化合物也称为烃。脂肪烃分子中只含有C-C单键和C-H键的叫做烷烃。第二章烷烃根据烃分子中碳原子间连接方式可分为：烃开链烃饱和烃：烷烃不饱和烃：烯烃炔烃脂环烃芳香烃环状烃（脂肪烃）一、同系列在烷烃的一系列化合物中，其分子组成中所含的碳原子和氢原子在数量上存在着一定的关系，即每增加一个C原子，就相应地增加二个H原子。可用一个式子代表：HCHHHn()烷烃通式：CnH2n+2这些结构上相似而组成上相邻的两个烷烃的组成都是相差CH2。CH2叫做同系列差。§2-1烷烃的同系列和同分异构体现象H–C–HH–C–C–HH–C–C–C–HH–C–C–C–C–HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH甲烷乙烷丙烷丁烷CH4C2H6C3H8C4H10具有同一个通式，组成上相差只是CH2或其整数倍的一系列化合物叫做同系列。同系物具有相似的化学性质，其物理性质（例如沸点、熔点、相对密度、溶解度等）一般是随着相对分子质量的改变而呈现规律性的变化。二、同分异构现象分子式相同的不同化合物叫做同分异构体（简称异构体）。这种现象叫做同分异构现象。从丁烷开始出现同分异构体H–C–C–C–HHHHHHHH–C–C–C–C–HHHHHHHHHH–C–C–C–HHHHHHH-C-HH链端被-CH3取代中间被-CH3取代HH异构体数目如戊烷C5H123己烷C6H145壬烷C9H2035一个已知分子式的烷烃究竟有多少个异构体？利用逐步缩短碳链的方法，推导出异构体的数目及其构造式。基本步骤：（以己烷C6H14为例）沸点：36℃28℃9.5℃正戊烷异戊烷新戊烷CH3-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-CH-CH2-CH3CH3-C-CH3CH3CH3CH3同分异构现象是有机化合物中存在的普遍现象。随着化合物分子中所含碳原子数目的增加，同分异构体的数目也越多。基本步骤：（以己烷C6H14为例）1.写出己烷的最长直链式：2.写出比①式少一个碳原子的直链式：3.再写出比①式少两个碳原子的直链式：C-C-C-C-C-C①C-C-C-C-CC-C-C-C-CC-C-C-C-CCCC②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩C-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CCCCCCCCCCCCC化合物的结构式不仅能代表化合物分子的组成，而且能反映出分子中的成键顺序。因此，常用结构式来表示有机化合物。CH3C(CH3)2CH2CH3或(CH3)3CCH2CH3结构简式如：CH3-C-CH2-CH3构造式CH3CH3CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-CH-CH2-CH2-CH3CH3CH3-CH-CH-CH3CH3CH3CH3-CH2-CH-CH2-CH3CH3CH3-C-CH2-CH3CH3CH3分子式是在其碳干上配上相应的H原子。与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子在同一反应中的反应性能是有一定差别。如：CH3—C—CH2—CH—CH3CH3CH3CH3只连有四个碳原子的称为季碳原子，常以4°表示（四级碳原子）。只连有一个碳原子的称为伯碳原子，常以1°表示（一级碳原子）；只连有二个碳原子的称为仲碳原子，常以2°表示（二级碳原子）；只连有三个碳原子的称为叔碳原子，常以3°表示（三级碳原子）；1°1°1°1°1°2°3°4°三、伯、仲、叔和季碳原子碳链中的碳原子按照它们所连结的碳原子数目可分为四类：一、普通命名法“天干”——甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。十一碳以上用汉字数字表示：一般按烷烃所含碳原子数目来命名，碳原子在十以内用“天干”表示，称“某烷”。如：C6H14C8H18C12H26己烷辛烷十二烷区别异构体用“正”、“异”、“新”。将直链烷烃——叫“正”具有结构，即端位第二个碳原子有2个CH3——叫“异”CH3-CH-CH3具有结构，即端位第二个碳原子有3个CH3——叫“新”CH3-C-CH3CH3§2-2烷烃的命名法二、系统命名法系统命名法是采用国际纯化学与应用化学联合会（简称IUPAC）的命名原则，结合我国文字的特点，制定了中文系统命名法（1960年）。1.烷基烷烃分子中去掉一个氢原子后，剩下的原子团叫烷基。烷基是一价基，通式为CnH2n+1，常用R-代表烷基。烷基的名称由相应的烷烃而得。异戊烷如：CH3-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-CH-CH2-CH3CH3-C-CH3CH3CH3CH3正戊烷新戊烷例如：异丙基-CH2CH2CH3丙基CH3CH3-CH2CH3乙基CH3CH2CH3CH3-CH-CH3CH4-CH3甲基-H-H中间碳-H链端碳-H缩写符号名称构造式缩写符号名称构造式CH3-CH-CH3CH3-CH2-CH-CH3-CH-CH2CH3CH3-C-CH3CH3CH3-CH3-CH2CH3-CH2CH2CH3-CH2(CH2)2CH3甲基乙基正丙基异丙基正丁基异丁基-CH2CH2CHCH3CH3-CH2-C-CH3CH3CH3-C-CH2CH3CH3CH3仲丁基叔丁基叔戊基新戊基异戊基MeEtn-Pri-Prn-Bui-Bus-But-Bui-Pentt-Pentneo-Pent常见的烷基名称2.直链烷烃的命名与普通命名法基本相同，但不用“正”字。具有1～10个碳原子数的烷烃采用我国古代记数的“天干”。10个碳以上的烷烃则用汉字数字表明。如：CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷（普通命名法）戊烷（系统命名法）3、支链烷烃的命名把它看作是直链烷烃取代衍生物如：CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3CH33-甲基己烷（看作是己烷的衍生物）123456取代基位置位置与名称用短线连接母体名称取代基名称①选取主链——选择最长的碳链为主链。支链当作取代基。②编号——从靠近支链的一端开始，编号时应尽可能使取代基具有最低编号。步骤如：CH3-CH2-CH2-CH-CH3CH2-CH3CH3-CHCH2CH-CH2CH3CH2CH3CH2CH2CH3CH3CH2CHCH2CH-CH2CH2CH3CH3CH2CH3（如上例）2165432167834512345678当几种可能的编号方向时，应当选定使取代基具有“最低系列”的那种编号（即顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到位次最小者定为最低系列）。两端一样长时，从小取代基一端开始编号。CH3-CH—CH-CH2-CH2-C-CH3CH3CH3CH3CH3CH3CHCH2CH2CH2CH2CH—CHCH2CH3CH3CH3CH3CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CH3CH2CH3从左到右：2，3，6，6从右到左：2，2，5，6123456776543211234567123456789102,7,8-三甲基癸烷（不叫3,4,9-三甲基癸烷）3-甲基-5-乙基庚烷③“先小后大，同基合并”（如前例）烃基大小的次序（按“对映异构中的次序规则”决定）:甲基＜乙基＜丙基＜丁基＜戊基＜己基＜异戊基＜异丁基＜异丙基CH3-CH—C-CH2-CH2-CH3CH3CH2CH3CH32,3-二甲基-3-乙基己烷123456——有不同取代基时，把小取代基名称写在前面，大取代基写在后面。相同取代基合并起来，取代基数目用二、三、……等表示。④有多种等长的最长碳链可供选择时，应选择取代基最多的碳链为主链。CH3-CH2-CH—CH-CH2-CH3CH3CH—CH3CH3—CHCH3CH3CH2CH2-CH—CH-CH-CH3CH3CHCH3CH3CH3CH243215673214562,5-二甲基-3,4-二乙基己烷2,3,5-三甲基-4-丙基庚烷不是2,3-二甲基-4-仲丁基庚烷⑤复杂的取代基需要编号时，由与主链相连的碳原子开始编号。它们的全名可放在括号中（或用带撇号的数字来标明支链中的碳原子位置）。3-乙基-5-(1,2-二甲基丙基)癸烷7-(1,2-二甲基丙基)-7-(1,1-二甲基戊基)十三烷CH3CH2CH-CH2-CH-CH2CH2CH2CH2CH3CH-CH3CH3CH-CH3CH3CH2123456789101/2/3/CH3-(CH2)5-C-(CH2)5-CH3CH3CH2CH2CH2-C-CH3CH3CH3-CH-CH-CH3CH312~678~12133/2/1/5/4/3/2/1/或7-1/,2/-二甲基丙基-7-1/,1/-二甲基戊基十三烷或3-乙基-5-1/,2/-二甲基丙基癸烷仲丁基——不叫1/-甲基丙基叔丁基——不叫1/,1/-二甲基乙基异丙基——不叫1/-甲基乙基异丁基——不叫2/-甲基丙基CH3CH3-CH-CH2-CH3CH2CH-CH3CH3-C-CH3CH3CH3-CH-CH3一、碳原子的SP3杂化轨道、σ键1.碳原子的sp3杂化轨道碳原子在基态时电子构型：1S2、2S2、2p2键长：0.109nm键角：109.5°↑↑↑↑杂化SP3↑↑↑↑跃迁2S2Py2Px2PZ↑↓↑↑2S2P↑↓1SE§2-3烷烃的分子结构SP3杂化轨道含1/4S轨道3/4P轨道1个SP3杂化轨道形状4个SP3杂化轨道2、甲烷的分子模型虚线——表示伸向纸平面后方实线——表示在纸平面前上楔线——表示伸向纸平面前方甲烷模型凯库勒模型斯陶特模型甲烷的正四面体构型H—C—HHH甲烷凯库勒模型甲烷的立体构造式CHHHH（透视式）甲烷斯特模型原子轨道以头碰头的方式进行重叠交盖所形成的共价键称为键。3.σ键的形成其特点是：在键轴方向上进行最大程度的重叠，形成的价键比较稳定，以键相连的二个原子可以键为轴做相对旋转。原子轨道以“头碰头”的方式重迭交盖形成键σ键——以键轴为对称轴的键。成键时轨道的交盖程度较大。键比较牢固。处于σ键的电子叫σ电子。乙烷分子结构虽然是四面体，但不是正四面体，键角也不是109.5°而是接近109.5°。甲烷的形成示意图σ键乙烷的结构σ键实验证明，气态或液态的含多个碳原子的烷烃，由于σ键的自由旋转，能形成多种曲折形式。如正戊烷的碳链可以有几种代表形式：锯架式（透视式）HHHHHHHHHHHH纽曼投影式HHHHHHHHHHHH1.乙烷的构象重叠式交叉式乙烷分子中两个极端的空间形象：二、烷烃的构象构象——绕碳碳σ键旋转而使分子中原子或基团产生不同排列方式。2.丁烷的构象全重叠式CH3H3CHHHH邻位交叉式HHHHCH3CH3转60°部分重叠式CH3H3CHHHH转60°对位交叉式HHHHCH3CH3转60°一、物理性质烷烃是无色物质，具有一定的气味。直链烷烃的物理性质，例如熔点、沸点、相对密度等，随着分子中碳原子数（或相对分子质量）的增大，而呈规律性的变化。1.物理状态C1~C4——气态C5~C16——液态(见表2-1)C17以上——固态2.沸点（b.P.）§2-4烷烃的性质②同数碳烷烃，直链比支链沸点高。①直链烷烃，碳数则沸点。沸点的高低与分子间作用力有关，作用力，则沸点。表示直链的两分子之间接触面积瞬时偶极CH3CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH3+-+-+-+-+-+-+-分子间的作用力是指范德华力静电力诱导力色散力正负电荷重心暂时不重合而产生瞬时偶极。极性分子才能产生。3、熔点（m.P.）一般含碳原子数相同的烷烃的熔点是随着分子的对称性增加而升高的，分子越对称，它们在晶格中排列越紧密，分子之间的范德华作用力也越强，故熔点越高。①碳数，则熔点。②偶数碳链比奇数碳链稍高。③同数碳异构体：新＞正＞异。5.水溶性烷烃几乎不溶于水，但易溶于有机溶剂。结构相似或极性大小相近的化合物可以彼此互溶，这就是“相似相溶”的经验溶解规律。4.相对密度（D）碳数，则相对密度，最后近于0.78相对密度与分子引力有关，分子间引力增大，分子间的距离相应减少，故相对密度就增大。对称性逐渐增高熔点逐渐增大新戊烷正戊烷异戊烷CH3-C-CH3CH3CH3CH3-CH2