有机化学 第二章 饱和烃(烷烃) 教材

•烃的概念及烷烃的同系列•同分异构•命名•结构•物理性质•化学性质•自然界的烷烃(阅读)烃：分子中只有C、H两种元素的有机化合物叫做烃。烷烃：分子中的碳除以碳碳单键相连外，碳的其他价键都为氢原子所饱和的烃叫做烷烃，也叫做饱和烃。一、烷烃的同系列和同分异构最简单的烷烃是甲烷，依次为乙烷、丙烷、丁烷、戊烷……等，它们组成了烷烃的同系列分子式构造式构造简式CH4HCHHH甲烷CH4HCHHCHHHCH3CH3乙烷C2H6丙烷C3H8HCHHCHHCHHHHCHHCHHCHHCHHHCH3CH2CH3丁烷C4H10CH3CH2CH2CH3通式：CnH2n+2同系列：具有同一个通式，结构和化学性质相似，在组成上相差一个或几个—CH2的一系列化合物。同系差：同系列组成上的差异—CH2—。同系物：同系列中的化合物彼此互为同系物。二烷烃同分异构现象CH3-CH2-CH2-CH2-CH3CH3CHCH2-CH3CH3CH3CCH3CH3CH3C4H10C5H121、同分异构体：具有相同分子式，结构不同的化合物。（1）构造异构体：具有相同分子式，分子中原子或基团因连接方式或顺序不同而产生的异构体。（2）碳架异构：由碳架不同引起的异构，称碳架异构。(属构造异构)（3）开链烷烃的构造异构只有碳架异构如：戊烷有3种异体CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC己烷有5种异构体这种异构体数目可以利用数学组合的方法计算C10H22可写出75个异构体；C20H42可写出366319个异构体。构造(Constitution)：分子中原子互相联结的方式和次序。2构造式的书写方法构造简式构造式键线式CH3CH2CH2CH3CH3CH3CHCH3CH3CH(CH3)2CH3CH2CH2CH3CH3CH3CHCH3CH3-C-CH2-CH-CH3CH32C。仲碳，3C。叔碳，4C。季碳，1C。伯碳，1C。伯碳，CH3CH33C原子与H原子的分类直接与一个碳原子相连的称为”伯”碳或一级碳原子，用1°表示；直接与二个碳原子相连的称为“仲”碳或二级碳原子，用2°表示；直接与三个碳原子相连的称为“叔”碳或三级碳原子，用3°表示；直接与四个碳原子相连的称为“季”碳或四级碳原子，用4°表示；依此类推，连在伯、仲、叔碳上的H分别称伯H、仲H和叔H，但无季H。三烷烃的命名（一）普通命名法根据分子中碳原子数目称为“某烷”，碳原子数十个以内的依次用甲、乙、丙、丁、戊……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。CH3-CH2-CH2-CH2-CH3CH3CHCH2-CH3CH3CH3CCH3CH3CH3正戊烷异戊烷新戊烷普通命名法简单方便，但只能适用于构造比较简单的烷烃。（二）烷基烷基：烷烃分之中去掉一个氢原子而剩下的原子团称为烷基。烷基名称通常符号CH３－甲基MeCH3CH2－乙基EtCH3CH2CH2－丙基n-Pr异丙基i-PrCH3CH2CH2CH2－正丁基n-BuCH3CHCH3烷基名称通常符号CH3CHCH2－｜异丁基i-BuCH3CH3CH2CH－|仲丁基s-BuCH3CH3|CH3—C—叔丁基t-Bu|CH3（三）系统命名法（IUPAC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（1960年制定，1980年进行了修定）系统命名法规则如下：1.选择主连（定母体）（1）选择最长的碳链作为主链，根据主链碳原子数，定母体，称为“某烷”主链的选择—当有两个以上的等长碳链可供选择时，选择支链最多的碳链为主碳链。CH3CH2CHCHCHCH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH32，3，5-三甲基-4-丙基庚烷（四个取代基）2.主链的编号从最近取代基端开始编号，并遵守“最低系列编号规则”CCCCCCCC78CC87654321234615234615CCCCCCCC162编号正确编号错误编号正确编号错误１）取代基编号最小Ｃ２）小的取代基编号最小Ｃ３４５2,2,7,7,83）遵循最低系列原则。CH3CCH2CH2CH2CH2CCHCH3CH3CH3CH3CH3CH32,3,3,8,82,2,7,7,8-pentamethylnonane-五甲基壬烷×例多支者优先做主链例小号原则秩序规则：较优基团，排列于后。直接与主链相连的原子的原子序数大者为较优基团。当第一个原子的原子相同，区分不开，则第二个。以此类推。3按秩序规则先后写出不同取代基烷基大小的次序：甲基乙基丙基丁基戊基己基.丙基异丙基丁基异丁基叔丁基4烷烃名称的写出A将支链（取代基）写在母体名称的前面B取代基按“次序规则”小的基团优先列出烷基的大小次序：甲基乙基丙基异丙基（见次序规则）。C相同基团合并写出，位置用2，3……阿拉伯数字标出,取代基数目用二,三……中文数字标出。D阿拉伯数字与汉字之间必须用短横线分开；E阿拉伯数字之间必须用逗号分开。可将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。四烷烃的构型构型：是指具有一定构造的分子中的原子在空间的排列状况。1碳原子的四面体概念（以甲烷为例）甲烷分子为正四面体构型。甲烷分子中，碳原子位于正四面体构的中心，四个氢原子在四面体的四个顶点上，四个C-H键长都为0.109nm，所有建角∠H-C-H都是109.5º，σ键可以饶轴旋转。甲烷的正四面体构型球棒模型斯陶特模型2碳原子的sp3杂化价键理论认为，烷烃分子中的C原子是sp3杂化。2s2p杂化2s2psp3激发能量相近的原子轨道可杂化形成能量相等的杂化轨道。单个sp3杂化轨道杂化4个sp3杂化轨道每一个sp3轨道都含有1/4的s成份和3/4的p成份。碳原子的四个sp3杂化轨道的空间取向是指向正四面体的四个顶点，每个轨道对称轴之间的夹角为109º28′。轨道杂化的结果：①轨道杂化比s轨道或p轨道有更强的方向性，更有利于成键；②4个sp3轨道与完全等价的；③正四面体的排列方式，使4个键尽可能远离，成键电子对的互斥最小，分子最稳定。3烷烃分子的形成烷烃分子形成时，碳原子的SP3轨道沿着对称轴的方向分别与碳的SP3轨道或氢的1S轨道相互重叠成σ键。HHHHHHHHCsp3Csp3Csp3H1sσσ(s-sp3)(sp3-sp3)甲烷的形成示意图4个C—H键全部为sp3—1sσ键，键角109º28′甲烷分子的形成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:(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。因C-H键,键能415.3KJ/molC-C键,键能345.6KJ/mol碳原子都是SP3杂化，C-C键为SP3-SP3σ键C-H键为SP3-Sσ键烷烃分子：1）碳原子都是以SP3杂化轨道与其他原子形成σ键，碳原子都为四面体结构。2）C-C键长均为0.154nm,C-H键长为0.109nm,,键角都接近于109.5°。3）碳链一般是曲折地排布在空间，在晶体时碳链排列整齐，呈锯齿状，在气、液态时呈多种曲折排列形式（因σ键能自由旋转所致）。4其他烷烃的构型5烷烃分子立体构型的表示方法：CCHHHHHH实线-键在纸平面上;楔线-键在纸平面前;虚线-键在纸平面后。楔形透视式HHHHHHHHHHHH锯架透视式HHHHHHHHHHHH纽曼式投影五烷烃的构象构象—构造一定的分子，通过单键的旋转而产生的分子中各原子在空间的不同排布称为构象。1、乙烷的构象C-C单键旋转可产生无数种空间构象两种极端构象：重叠式，交叉式构象的稳定性[分析乙烷两个极端构象]排斥力最大排斥力最小内能高内能低非键连相互作用力：不直接相连的原子间的作用力。构象的稳定性与内能有关。内能低,稳定；内能高,不稳定。内能最低的构象称优势构象。其它构象的内能介于这两者之间。0.23nm0.25nm交叉式构象为乙烷的优势构象重叠式比交叉式的能垒（扭转能）高12.5KJ/mol（p29图2-10）。单键旋转的能垒一般为12-42KL/mol，在室温时，乙烷分之中的C-C键能迅速的旋转，构象异构体处于迅速转化的动态平衡中。因此不能分离出乙烷的某一构象。在低温时，交叉式增加。(如乙烷在-170℃时，基本上是交叉式)乙烷构象势能关系图·······0º60º180º120º240º300º360ºE重叠式交叉式12.5kJ·mol-12、正丁烷的构象绕C-2和C-3之间的σ键旋转，形成的四种典型构象。HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3H3CHHHCH3H3C对位交叉式邻位交叉式全重叠式部分重叠式构象稳定性：对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式室温下，正丁烷构象异构体处于迅速转化的动态平衡中，不能分离。最稳定的对位交叉构象是优势构象。稳定性次序：apscacsp。·······0º60º180º120º240º300º360ºEapacscspacscap14.6kJ·mol-118.4~25.5kJ·mol-13.3~3.7kJ·mol-11、状态常温、常压(0.1MPa)C5～C16：液态C1～C4：气态＞C17：固态直链烷烃2、沸点（b.p）（1）直链烷烃M↑，b.p↑；己烷：68.9℃，庚烷：98.4℃解释：六烷烃的物理性质分子间力(VanderWaals)：静电引力诱导力色散力(烷烃μ=0)而：色散力∝共价键数目(即C—C、C—H)支链↑，b.p↓。CH3CH2CH2CH2CH3(CH3)2CHCH2CH3(CH3)4C36.1C.27.9C.9.5C.解释：色散力是近距离较大。（2）支链烷烃(同分异构体)支链数相同：对称性↑，b.p↑；CH3CHCHCH3CH3CH3CH3CCH3CH3CH2CH358C.49.7C.小结：沸点高低的判断方法A：数碳原子数目——数目↑，b.p↑；B：碳原子数目相同——支链↑，b.p↓；C：支链数目相同——对称性↑，b.p↑；3、熔点(m.p)（1）直链烷烃M↑，m.p↑(C3以后)。由此可见：含偶数C，m.p↑的多；含奇数C，m.p↑的少。从而形成了“偶上奇下”两条曲线。解释：在晶体中，分子间作用力不仅取决于分子的大小，还于晶体中晶格排列的对称性有关。含偶数碳原子的碳链具有较好的对称性，晶格排列紧密。（2）同分异构体支链M↑，m.p↓(不利于晶格的紧密排列)。对称性↑，m.p↑；高度对称的异构体——m.p＞直链异构体——m.p。CH3CH2CH2CH2CH3(CH3)2CHCH2CH3(CH3)4C-129.7C.-160.0C.-16.6C.相差113.1C.支链m.p，4、相对密度：分子量↑，密度↑，但＜1支链↑，密度↓。有机物的质量与同体积水的质量比，是无单位的量。[最后趋近于最大值0.78(20℃)]5、溶解度烷烃都不溶于水，能溶于有机溶剂。“相似者相溶”七烷烃的化学性质烷烃的化学性质稳定（特别是正烷烃）。在一般条件下（常温、常压），与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及金属钠等都不起反应，或反应速度极慢。原因：（1）其共价键都为σ键，键能大C-H390~435KJ/molC-C345.6KJ/mol（2）分子中的共价键不易极化（电负性差别小C2.5，H2.2）但稳定性是相对的、有条件的，在一定条件下（如高温、高压、光照、催化剂），烷烃也能起一些化学反应。1、氧化和燃烧在催化剂的作用下，烷可以在着火点以上氧化为醇、醛、酮、酸等。燃烧则是一种激烈的空气氧化，这是汽油、天然气等的燃烧反应。但要注意，低级的烷烃（C1—C6）与空气混合到一定比例时，遇明火会产生剧烈燃烧而爆炸。这是煤矿中发生爆炸事故的原因。如：甲烷的爆炸极限为5.53%—14%.2、热裂化反应在高温及没有氧气的条件下使烷烃分子中的C-C键和C-H键发生断裂的反应称为热裂反应。例如：CHCH2CH3HH(2)(1)(1)(2)CH3-CH=CH2+H2CH4+CH2=CH2丙烯乙烯热裂化反应