第二章-福州大学-有机化学

第二章烷烃（Alkanes）（4学时）一、烷烃的通式、同系列和异构二、烷烃的命名三、烷烃的结构四、烷烃的物理性质五、烷烃的化学性质六、烷烃的来源烃：是由C、H两种元素组成的有机物烷烃：烃中的碳碳共价键均是单键的链状烃烃（碳氢化合物）开链烃（脂肪烃）饱和烃－烷烃不饱和烃－烯、炔脂环烃芳香烃一、烷烃的通式，同系列和异构（一）、通式：CnH2n+2（二）、同系列甲烷乙烷丙烷丁烷methaneethanepropanebutaneCH4C2H6C3H8C4H10CH2CH2CH2(CH2)2(CH2)3系差定义：组成上相差一个或几个（CH2)n＝1,2,……，结构和性质相似的一系列化合物。同系物：同系列中各化合物互称同系物（三）、同分异构1.定义：分子式相同而结构式、物理化学性质不同的化合物2.分类：构造异构，分子中各原子连接的顺序不同如立体异构，分子中各原子在空间的位置不同CH3CH2OH和CH3OCH33.烷烃的同分异构：碳链异构，不存在官能团异构C数≥4，才有异构体出现（P17）碳原子数456……910……30异构体数2353575～4.1×1010以C5H12为例，利用逐步缩短碳链的方法，推导出异构体的数目及构造式4.同分异构体的推导※写异构体，不要多写，但不要漏写5个C4个C，一个－CH3Ⅱ3个C，二个－CH3一个－CH2CH3C－C－CCCC－C－CCCC－C－CCCⅢC－C－C－CCCC－C－C－C碳骨架确定后，补上氢原子※C是四价，H不要多写，也不要少写C－C－C－C－CⅠ二、烷烃的命名（一）、碳原子类型和氢原子类型1.碳原子类型伯碳原子（1°C）只和一个C原子相连仲碳原子（2°C）和二个C原子相连叔碳原子（3°C）和三个C原子相连季碳原子（4°C）和四个C原子相连HCHHCCHHHCH3CCH3CH3CH31°C1°C1°C2°C3°C4°C特殊：CH41°C2.氢原子类型伯氢原子（1°H）与伯碳原子相连仲氢原子（2°H）与仲碳原子相连叔氢原子（3°H）与叔碳原子相连H3CCCHHHCH3CCH3CH3CH31°H1°H1°H2°H3°H（二）、烷基的命名（alkyl)1.定义：烷烃分子去掉任一个氢原子剩下的基团CnH2n+1－烃基：R－，Ar－（芳香基）2.常见烷基的命名甲基，methyl，Me－乙基，ethyl,Et－CH3CH2CH3CH3－CH4CH3CH2－CH3CH3正丙基，n－propyl，n－pr异丙基，i－propyl，i－prCH3CHCH3CH3CH2CH2－CH3CH2CH2CH3正丁基n－butyl,n－bu－仲丁基sec－butyl,s－bu－CH3CHCH3CH3异丁基i－butyl,i－bu－叔丁基t－butyl,t－bu－CH3－CH－(CH2)n－CH3异某基CH3CHCH2CH2－CH3异戊基CH3CH2CH2CH2－CH3CH2CH－CH3CH3CHCH2－CH3CH3－C－CH3CH3CCH3CH3H3CCH2CCH3CH3H3CH2C新戊基叔戊基（三）、烷烃的命名1.习惯命名法1）C:1~10,用天干数字命名，甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸2）C10，用汉文数字命名C20H42二十烷3）直链，则加“正”CH3CH2CH2CH2CH2CH3正己烷CHCH3H3CCH2CH3异戊烷4）一端有用“异”CHCH3H3C5）有4°C的用“新”CCH3CH3H3CCH2CH3新戊烷缺点：只能命名简单的烷烃，C数增多，异构体多，不适用2.衍生物命名法所有烷烃看成甲烷的衍生物，选择连有烷基最多的碳原子作为甲烷碳原子CH3CHCH2CH3CH3二甲基乙基甲烷3.系统命名法※1）命名体系IUPAC（Internationunionofpureandappliedchemistry）:1892年日内瓦，经多次修订CCS(Chinesechemistrysociety):中国化学会根据IUPAC命名原则，结合中国汉字特点，经多次修订而成的命名体系。二者区别：IUPAC取代基的书写顺序按英文字首先后顺序CCS取代基的书写顺序按从小到大顺序2)CCS系统命名法直链烷烃：根据含碳数称某烷，不用“正”，C10，用中文数字表示支链烷烃：a.选择主链选择取代基最多、最长的主链作为母体，命名为某烷C－C－C－C－C－C－CCCCCC－C※不能把书面上的直链看作主链，只要是连续的碳原子都应包括在一条碳链之内，支链作为取代基(P20)×b.主链上的碳原子编号从靠近取代基一端开始C－C－C－C－C－C－C－CCCC1234567887654321红笔为正确编号c.标出取代基的位置和数目C－C－C－C－C－CCC－C123456654321红笔为正确编号合并相同的取代基，先小后大把取代基写在母体之前，并标出位置和数目阿拉伯数字大写数字CCH2CHCH3CH3CH3H3CCH312345543212,2,4－三甲基戊烷2,4,4－三甲基戊烷√×最长碳链，最低系列，先小后大，相同合并次序规则：甲基，乙基，丙基，丁基，戊基，异戊基，异丁基，新戊基，异丙基，仲丁基，叔丁基d.几种符号的正确应用“－”短划，阿拉伯数字和汉字之间，读作“位”“，”阿拉伯数字之间用逗号隔开，汉字之间不需要“－”分开HCCH2CH3CHCH2CH2CH3H2CH2CCH3H3CH2C9876543214－甲基－5－乙基壬烷123456789CHCHCHCH3CHCH2CH3H3CH2CH2CH3CCH3CH343215672,3,5－三甲基－4－丙基庚烷CCH2CH3H3CH2CH2CHCCH3CH2CHCH2CH2CH2CH3CHCH2CH3(H3C)2HCH3C12345678910115－甲基－5－乙基－4－异丙基－7－仲丁基十一烷IUPAC与CCS命名的差别CH3CH2CHCHCHCHCH3CH2CH3CH3CH3CH376543212,3,5-三甲基-4-乙基庚烷4-Ethyl-2,3,5-trimethylheptaneHCH3CHCHCCH2CH3CH2CH2CHCH3CHCH3H3CCH(CH3)2CH32,3,4,8,9－五甲基－7－乙基癸烷HCH3CH2CHCCH2CH2CH3CHCH2CH3CH3H3CH2C3－甲基－5－乙基－4－丙基庚烷练习：P394三、烷烃的结构（一）甲烷的结构1.近代物理方法得出的结构数据呈四面体结构键角约为109.5C—C键的平均键长为0.154nm，C—H键的平均键长为0.110nmHCHHHHCHHH109.5109.5CHHHH2.解释：价键理论C：1S22S22P2↑↓↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑2S22P2激发SP3杂化4个SP3杂化轨道＋4H·的1S形成4个C－H共价单键（σ键）1个SP3杂化轨道四个SP3杂化轨道σ键成键特点：头对头重叠，呈圆柱形，稳定轴可自由旋转，σ键连接的两个原子可以相对旋转而不影响电子云分布（二）其它烷烃的结构CCHHHHHHSP3－SP3σ键C－Cσ键C－Hσ键C－C键长：0.154nmC－H键长：0.110nm键角：109.5°高级烷烃碳链呈锯齿形Zig－ZaggeometryHHHHHHHHHHHHHH据物理方法测定，除乙烷外，烷烃分子的碳链并不排布在一条直线，而是曲折地排布在空间。所谓直链，是指不分支的碳链。3－甲基庚烷端点是C原子，除氢以外的原子需要写出（三）、烷烃的构象(Conformation)构象：由单键旋转所产生的分子中原子或基团在空间的特定排列形式。构象异构体(Conformers)：由单键旋转而产生的异构体。单键旋转会产生无数个构象，它们互为构象异构体。1.乙烷的构象：乙烷有无数个构象。最典型有两种，交叉式和重叠式。1）透视式（锯架式）HHHHHHHHHHHH重叠式交叉式2）纽曼投影式（Newman）HHHHHHHHHHHH重叠式交叉式圆心：前面碳圆周：后面碳3）构象的稳定性乙烷的能量--构象关系重叠式构象与交叉式构象能量差12.6KJ·mol-1HHHHHHHHHHHH60O重叠式构象交叉式构象4）构象特点：室温下，无数构象处于动态平衡混合体系，要分出单一构象是不可能的。3.丁烷的构象CCH3CCH3HHHH23C2－C3相对旋转产生的构象丁烷的构象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丁烷的能量--构象关系练习：P40，7，8四、烷烃的物理性质（P26－28）(physicalproperties)物理性质：物态（状态，晶形，颜色）沸点（B.P)boilingpoint熔点（M.P)meltingpoint密度（比重）d4t折光率nD,常对液体而言溶解度水有机溶剂：乙醇，乙醚，丙酮，苯等（g/100ml)通过手册查阅得到，对初步了解某物质有一定帮助，在实验中经常用到1.物态C1－C4气体C5－C16液体C17固体2.沸点4C丁烷－0.5℃5C戊烷36.1℃6C己烷68.7℃2－甲基戊烷60.3℃2,3－二甲基丁烷58.0℃M↑沸点↑同C数条件下，支链越多，沸点↓练习：沸点由高到低的顺序排列己烷，辛烷，3－甲基庚烷，戊烷，2,3－二甲基戊烷，2－甲基己烷6C8C8C5C7C7C3.熔点和分子的对称性有关，一般M↑熔点↑，变化不如沸点有规律4.密度M↑，d↑0.8左右5.溶解度不溶于水，易溶于有机溶剂（苯，乙醚，汽油等）五、烷烃的化学性质烷烃均由极性小的共价单键组成（C－C347kj/mol，C－H414kj/mol），很稳定，在一般条件下（酸、碱、氧化剂）难于反应（一）燃烧CnH2n+2+3n+1/2O2nCO2+(n+1)H2O+热量（燃烧热）氧化：引入氧或脱氢还原：失氧或加氢（二）异构化反应（P29）直链烷烃支链烷烃，提高汽油的质量(三）、裂化和裂解裂化—隔绝空气加压加热(500～700℃)，断裂成小分子催化裂化—在催化剂存在下的裂化，温度较低(400～500℃)CH3CH2CH2CH3CH4+CH3CH=CH2CH3CH3+CH2=CH2CH3CH2CH=CH2+H2500℃裂化伴随脱氢、环化和异构化CH3(CH2)5CH3CH3(CH2)4CH=CH2+H2CH3CH3CH3(CH2)3CHCH3CH3脱氢环化异构化芳构化（四）烷烃的取代反应及反应机理（reactionmechanism)1.有机化学反应机理（反应历程）的有关概念定义：对化学反应过程进行理论上的解释或推测理论上：反应物中间体或过渡态（一种或几种）产物裂解——深度裂化(700℃)裂解的目的不是提高汽油的产量和质量，而是为了获得更多的三烯、三苯、乙炔和萘这8种基本有机化工原料。三烯：乙烯、丙烯、丁二烯三苯：苯、甲苯、二甲苯应用：合理改变反应条件，提高产率，了解有机物的结构与反应活性之间的关系2.烷烃卤化反应机理（自由基链反应机理）(freeradicalchainreactionmechanism)1)甲烷的氯代CH4+Cl2CH3Cl+CH2Cl2+CHCl3+CCl4+CH3CH3光a.自由基的产生（链的引发）Cl－Cl：213kj/molC－H：414kj/molClClClCl+光b.自由基的转移（链的增长）重复进行，至某一原料结束为止c.自由基的消失（链的终止）Cl＋HCH2ClHCl＋CH2ClCH2Cl＋ClClCH2Cl2＋Cl继续反应：……得到CHCl3，CCl4Cl+HCH3HCl+CH3（甲基自由基）CH3＋ClClCH3Cl＋ClClCl+Cl2CH3CH3＋CH3－CH32)理解反应机理，控制反应条件，提高产物得率CH4+Cl2CH3Cl+CH2Cl2+CHCl3+CCl4+CH3CH3光①可以控制加入过量的CH4，得到产率较高的CH3Cl②可以加入过量Cl2，得到CCl4如:3)其它卤代，速度氟代氯代溴代碘代4)卤代反应