第1章脂肪烃.ppt
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1、有 机 化 学,主讲:邹立科,课程资源: 校园网有机化学精品课程 Password:yjhx2012,Phone:15983167063,有机化学及“生命力学说”,Old: “derived from living organisms” New: “chemistry of carbon compounds” From inorganic to organic, Whler, 1828,前言:有机化合物简介 有机化合物及其特点 有机化合物:碳氢化合物 及其衍生物,不含碳的有机物:SiH4(硅烷) 不含氢的有机物:CCl4,研究有机化合物的重要意义,例如国防工业上橡胶的需求量:,一辆坦克需橡胶
2、 400 Kg,一架飞机需橡胶 600 Kg (上万个零件),一艘轮船需橡胶 60 T,生产1,000 T年 橡胶: 天然橡胶 占地3万亩,种树300万株,工人5,000 6,000人 合成橡胶 占地10亩,工人几十人。,有机功能材料,如 光 致 变 色 材 料,显示器的时代变迁,有机电致发光器件OLED 2007?,阴极射线管CRT 19402025,液晶显示器 LCD 19802050?,1940 2000 2025 2050,SONY 11英寸 3mm厚的 OLED HDTV,2007年10月,索尼在“Ceatec 2008” 上展示的超薄OLED电视机 原型,厚度仅为0.9毫米,显示屏
3、厚度仅为0.3毫米。,Sumsung 31英寸 OLED TV样机, 并有40英寸样机展示,厚度8.9mm,在CES2009 上,SONY展出可折叠的OLED随身听,电子书和笔记本电脑,NOKIA概念产品: OLED屏幕紙卷,有机化合物的特点 多、燃、低、难、慢 种类繁多,九百多万种(无机化合物仅十余万种);易燃;熔点低,一般不超过300;难溶于水;反应速度慢;且反应条件不同,产物也不同,伴有副反应,有机化合物的结构特征,1、 有机化合物构造式的表示方法,构造:分子中原子之间相互连接的顺序 构造式:表示分子构造的化学式,无机化合物:一个分子式只代表一个化合物,如:H2SO4 只代表硫酸。,有机
4、化合物:一个分子式可代表多个化合物,如:分子式C2H6O 即可代表乙醇CH3CH2OH ,又可代表甲醚CH3OCH3 。,有机化合物构造式的表示方法通常有:,CH3CH2CH2CH3,短线构造式,构造简式,键线式,较常用的为构造简式和键线式。如:,有机化合物中的共价键,有机化合物中的原子主要以共价键相连,因此共价键在有机化合物中占有重要地位,必须对其本质与属性有透彻的认识 共价键:分子中原子间通过电子的共用而形成的化学键,称为共价键。 对共价键的讨论,最常用的是价键理论和分子轨道理论;两者结合起来,能很好的说明有机分子的结构。本课程主要使用价键理论中的杂化轨道理论。,杂化轨道理论:同一原子内,
5、能量相近形状不同的各原子轨道( s 、p 、d ),由于成键时原子间的相互影响,原子轨道改变原有的形状,使这些轨道混合起来,重新分配能量和空间方向,组成一系列新的原子轨道的过程,称为杂化。,其中,最为重要的是碳原子C 的杂化;有机化合物中碳原子 C 以三种 杂化轨道参与成键:SP3 、SP2 、SP 杂化 。中心原子的杂化轨道不同,分子的空间构型也不同,碳原子的 SP3 杂化过程示意图:,S轨道和P轨道电子云黑点示意图,1s,2s,3s,2pz,3pz,1s,2s,3s,3pz,S轨道和P轨道原子轨道轮廓示意图,说明:,1.碳原子三种 杂化轨道的空间结构:,甲烷、乙烯、乙炔的结构及sp3、sp
6、2、sp 杂化,C原子的杂化方式往往决定了化合物的空间结构,不同杂化方式中s 成分的多寡决定了不同 杂化碳原子的电负性。,2、 键与 键的差异:, 键 键,成键情况, 键头碰头,成键轨道沿轴向相互重叠, 键肩并肩,成键轨道对称轴平行从侧面重叠,电子云的分布情况, 电子云集中于两原子 电子云分布在 键所在平 核的连线上,呈圆柱形分布 面的上下两方,呈块状分布。, 键两原子可绕键轴 键两原子不能 自由旋转 绕键轴自由旋转, 键 键,3.共价键的断裂方式和有机反应的类型 1).共价键的均裂和自由基反应,2).共价键的异裂和离子型反应,A :B,A + B,A :B,A+ + B-,有机化合物的分类,
7、一、按分子骨架(碳架)分类 1.链状化合物 分子中的碳原子相互连接形成链状骨架,也称为开链化合物或脂肪族化合物;如,2.脂环族化合物 分子中至少存在一个碳原子连接成的环状结构,性质与脂肪族化合物相似;如,3.芳香族(苯系)化合物 分子内至少含有一个苯环的化合物;如,4.杂环化合物 分子中至少含有一个环,且环上含有其他杂原子O 、S 、N 等,性质与芳香族化合物相似;如,吡啶 - 呋喃甲醛 噻吩 吲哚,二、按官能团分类,官能团:OH 、COOH 等能赋予有机化合物某些特性的原子团,称为官能团;,含有相同官能团的化合物往往具有相似的性质,可归为一类;,透彻了解各种官能团的特性,是识别有机化合物和学
8、好有机化学课程的关键。,常见官能团及其名称:,有机化合物的同分异构现象,有机化合物的种类繁多,是因为化合物分子中,原子间的连接方式、连接顺序多样,从而出现同分异构现象。,将分子式相同,结构和性质不同的现象,称为同分异构现象。,同分异构,开链烷烃的同分异构现象,开链烷烃只有碳链异构;分子中C原子相互连接的顺序不同,构成不同的碳链。 其中,CH4 、CH3CH3 、CH3CH2CH3 没有异构体。丁烷C4H10 开始有同分异构体 烷烃分子的碳链异构体数目和异构体的构造式,可用逐步缩短碳链法推导得到。,己烷C6H14 的碳链异构,1.写出己烷的最长碳链(省去了 H 原子): CCCCCC (1),2
9、.写出比(1)式少一个 C 原子的碳链,将减下来的一个 C 原子作为甲基支链,依次连接在碳链的各个 C 原子上(首、尾 C 原子除外),3.写出比(1)式少两个 C 原子的碳链,即四个C的碳链;将减下来的两个 C 原子作为两个甲基支链,分别连接在碳链的各个 C 原子上,减下来的两个 C 原子不能作为一个乙基支链,因为得到的是和(3)一样的构造式,碳链中的 C 原子分类: 按照所连接的碳原子的数目,可分为四类:连有一个碳原子,称为伯(10)碳原子;连有二个碳原子称为仲(20)碳原子;连有三个碳原子称为叔(30)碳原子;连有四个碳原子称为季(40)碳原子。例:,第一章 脂肪族烃类化合物,烃:有机化
10、合物中只含有碳氢两种元素,统称为碳氢化合物,简称为烃。,“烃”是取碳中之“火”、氢中之“ ”组合而成,代表碳氢化合物。,烃的分类,开链烃(烷烃) 饱和烃 环烃 烃 开链不饱和烃 不饱和烃 环状不饱和烃 芳香烃,饱和烃:分子中碳原子间以单键连结,其余碳价均与H相连、被H所饱和的烃,也称烷烃。 烷烃分子中,C原子全部以SP3 杂化轨道参与成键,且分子中所有化学键均为键,,1.1 饱和烃(烷烃),一、烷烃通式,同系列、同系物 1烷烃通式及同系列、同系物,烷烃通式:,CnH2n+2;CH4 、C3H8、 C5H12,任意两个烷烃分子组成相差n个CH2,同系物:组成、结构、性质都相似,组成上有固定系差,
11、可用一个通式表示的一系列化合物,称为同系物,二、烷烃的命名,1. 普通命名法:,以分子中所含碳原子的数目,用“天干”甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和中国数字十一、十二等命名的;而对碳链异构体则以正、异、新、伯、仲、叔、季等形容词区分;,普通命名法是早期对有机化合物的命名方法。,结构的烷烃,称为 “异某烷”,直链烷烃称为“正某烷” ;碳链一端带有,正戊烷,新戊烷,以五个C原子的烷烃为例,异戊烷,异,2.烃基的命名,一个化合物从形式上去掉一个或几个H 原子后剩余的部分称为“基” ;,一个化合物分子去掉一个H 原子后得到的基团为一价基;命名时称为“某基” ,如,CH3 甲基(Me)Methy
12、l; C2H5 乙基(Et)ethyl; NH2 氨基,一价基:,“n” 表示“正” ,“i ” 表示“异”,(n-Pro),(i-Pro),n-C3H7,正丙基,i-C3H7,异丙基,(n-Bu),Sec-Bu,n-C4H9,正丁基,仲丁基,(i-Bu),异丁基,叔丁基,(t-Bu),4. IUPAC命名法(系统命名法),1).直链烷烃:与习惯命名法相同,称“某烷” 2).支链烷烃:看作是直链烷烃的烷基衍生物;,a.选择一个最长的连续碳链为主链称为某烷,其他较短键看作支链,作为取代基,命名时称为某基某烷。 若两条碳链等长,则选择取代基较多的为主链,具体命名法则:,四个支链,b.编号:遵循最低
13、系列原则,由距离支链最近的主链一端开始编号(取代基位次最小),如果从碳链任一端开始第一个取代基位置相同,则应使取代基总体取得最小编号,正确:支链编号2,3,6,不正确:支链编号2,5,6,C.写名称 (1)取代基名称写在母体(某烷)之前,按大小排列(MeEt n-pro i-pro),(2)用汉字“二、三、四”标明相同取代基有多少,用逗号分开不同位次,一个碳上有两个或以上相同基团,位次号应重复标出,阿拉伯数字和汉字间用短横线隔开;如:2,4,4-三甲基-3-乙基庚烷,2,5-二甲基-4-异丙基庚烷,练习:,下列化合物的系统命名是否正确?如有错请改正。,3-甲基戊烷,2-甲基- 3 乙基己烷,烷
14、烃命名时1-位不可能有甲基, 2-位不可能有乙基,三、烷烃的结构与构象,1甲烷分子中C原子 sp3杂化,四个Csp3 杂化轨道呈分别指向四面体的四个顶点;夹角109.5,2.烷烃中的构象,当原子绕轴作相对旋转时,键不被破坏, 键可自由旋转,烷烃的键,烷烃的构象,构象异构和构造异构的区别 构造异构:原子间连接顺序和方式不同 构象异构:原子间连接顺序和方式相同, 在空间的排列形式不同,烷烃分子中C C 单键可绕键轴自由 旋转,而产生分子的中原子或基团在空间 的不同排列形式,称为构象;,2.乙烷沿键旋转有两种极限构象,锯架式:,重叠式,重点:锯架式的书写,交叉式,乙烷的Newman投影式,重叠式 交
15、叉式,能量高,不稳定 12.6kJ.mol-1 能量低,稳定,扭转张力,键电子云的排斥(立体张力),丁烷的构象 CH3CH2CH2CH3,可看作乙烷的二甲基衍生物,丁烷绕 C2C3键 旋转的典型构象有四种,能量:全重叠 部分重叠 邻位交叉 对位交叉,结论:对位交叉式是丁烷的优势构象(最稳定构象),1比重(密度)(Density) 烷烃比重1(d420) MW d420 原因:MW,分子间作用力增加,分子间距离减小,比重增大 2溶解度(Solubility in Water) 相似相溶原理:极性相似分子互溶 苯、醚,四氯化碳,互溶 水中难溶,四、烷烃的物理性质,五、烷烃的化学性质,烷烃的结构:分
16、子中全是键(C-H,C-C)电子云交盖程度大,键能很大,碳全是sp3杂化。化合物极性很弱,非常稳定。 石油(烷烃),天然气(甲烷)长埋地下而无反应,非常稳定。,烷烃一般不与强酸、强碱、强氧化剂、还原剂反应 烷烃只在高温、高压下或催化剂参与才发生化学反应 1取代反应 分子中原子或基团被其他一些原子或基团取代的反应,称为取代反应。被卤素取代称为卤代反应。,氯代反应,(1)卤代反应(Halogenation rxn),(爆炸),其它卤代反应:F2反应太剧烈无法控制,而I2则反应不完全,(2)卤代反应历程(机理) 自由基反应历程 反应历程(机理):完成一个化学反应实际 经历的途径或过程,甲烷卤代反应实
17、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:烷烃的氯代反应是从 Cl2的光照开始的,烷烃的氯化自由基反应历程,A链引发:,(共价键均裂),B链增长,甲基自由基,研究表明:烷基自由基的中心C原子采取SP2 杂化,这就是说:由CH4转化为CH3Cl的过程中,碳原子的杂化方式也发生了变化。,继续反应:,再继续反应,可生成 CHCl3 、 CCl4,(氯甲基自由基),C链终止:,当自由基互相反应占优势时,反应会停止,稳定分子,(3)卤代反应取代的位置与自由基稳定性,A丙烷两
18、种H的取代,Ha被取代 Hb被取代,1Ha 6个(伯氢 2Hb 2个(仲氢),伯氢Ha被取代的几率比Hb 要大一些(3:1),反应 结果却都是仲氢Hb易被取代(55%), 反应活性 2H1H,4 : 1,B异丁烷的一元氯代, 反应活性 3H1H,5 : 1,该活性次序由自由基稳定性决定 自由基的稳定性有如下关系:,3 2 1,自由基稳定性 3 2 1, 反应活性 3H2H1H, 选择性IBrClF ;,C异丁烷的一元卤代,99.5, 反应活性 3H2H1H,稳定性,36,64,更稳定,更容易生成,3,1,2氧化反应(Oxidation RXn),无机反应:电子得失; 有机反应:得氢或失氧为还原
19、反应, 得氧失氢为氧化反应。,3异构化反应(Isomerization RXn):从一个异构体转化为另一个异构体,该反应在石油工业中,将质量差的直链烷烃转化为支链烷烃。,4裂化反应(Cracking RXn),1.2 不饱和烃 (Unsaturated Hydrocarbon),1.2.1 键的结构 烯烃:(Alkene)分子中含有一个碳-碳双键 , 分子式CnH2n 与环烷烃相同,1乙烯的结构:H2C=CH2 ,平面分子 C-C键:键能349kJ/mol,键能261kJ/mol,键能键能 ,C原子sp2杂化,2键的特性,键键能比键键能小,易于断裂。 键电子云“头碰头”交盖,键电子云“肩并肩”
20、交盖。键不能自由旋转,结构上有顺(cis)及反(trans)式。,1.2.2烯烃的构造异构 及顺反异构,1构造异构:分子中因原子连接顺序及方式不同而产生碳链异构,官能团异构,官能团位置异构。,以C4H8为例,其同分异构体共有五种,包括 碳链异构,官能团异构,官能团位置异构几种 异构方式,1a和1b是官能团位置异构;(1a+1b)、2、3、4 是 碳链异构; (1a+1b+2)与(3+4)是官能团异构,2烯烃的顺反异构(键不能自由旋转),顺式异构体:两个相同原子或基团在双键 同一侧的为顺式异构体。 反式异构体:两个相同原子或基团分别在 双键两侧的为反式异构体。,顺反异构不属于构造异构,属于立体异
21、构中的构型异构,由于双键不能自由旋转而产生,顺反异构体物理性质不同,化学性质有微小差别,产生顺反异构的条件:,(1)限制旋转的因素:(烷烃没有此因素,有构象异构) (2)两个双键碳上都不能连有相同的原子或基团,一、烯烃与炔烃的命名,常见基团: CH2=CH 乙烯基 CHC 乙炔基 CH3CH=CH 丙烯基 CH2=CH-CH2 烯丙基 ,IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)命名法,1.选择含不饱和键的最长碳链为主链 2.主链从最靠近不饱和键一端编号 (不能满足支链) 3.命名时标明取代基和不饱和键的位次,如不饱和键在1
22、,2位,可不标明 如碳原子数大于10,须用十一碳烯(炔),十二碳烯(炔)不能用十一烯,4,4-二甲基-2-戊炔,2-乙基戊烯,分子中同时有碳-碳双键或碳-碳三键时 称为某烯炔,命名时 :,选择同时含C=C及CC的最长碳链作为主链,离不饱和键最近的一端(双键或叁键)开始编号,如C=C及CC处于相同位次,则首先满足C=C位次最小,二、顺反异构体的命名法,1.顺反命名法,顺反命名法:两个双键 C 上要有相同的原子或基团,2.Z-E命名法,IUPAC命名法:Z(德文:Zusammen) together E(德文:Entgagen) Against 命名原则: 将两个双键碳原子分别所连的两个原子或基团
23、,按立体化学“次序规则” 分别排出两个双键C上的较优基团,较优基团在双键同侧为Z式;较优基团在双键异侧为E式,a和c为较优基团,同侧为Z式,次序规则,*按与双键碳直接相连原子的原子序数比较,原子序数较大的较优:I Br Cl S P O N C H。孤对电子小于H原子 H 如原子序数相同质量不同的同位素:DH , 13C12C *如与双键碳原子直接相连第一个原子的原子序数相同,则比较第二个原子,依次外推直至比较出较优基团 -CH3 -CH2CH3 中心原子: C C 中心原子所连原子:(H,H,H) (H,H,C) 因为CH 所以-CH2CH3-CH3,双键视为连接两个相同的原子,三键视为连接
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