二章节烷烃Alkanes.ppt

第二章 烷 烃 (Alkanes),知识要点, 重点掌握烷烃的命名； 掌握同系列和同分异构体的概念和书写方法； 掌握烷烃的构象和构象的表示和书写方法； 掌握烷烃的物理和化学性质和制备方法； 了解烷烃的其他性质和相关概念和理论。,2.1 烷烃的同系列和同分异构现象,概述： 烃由碳和氢两种元素形成的有机物叫烃。也叫碳氢化合物。,开链烃,环烃,烃,不饱和开链烃,饱和开链烃,饱和环烃,不饱和环烃,2.1.1 烷烃的同系列 1. C1H4 C2H6 C3H8(CH3CH2CH3) C4H10(CH3CH2CH2CH3) C1H21+2 C2H22+2 C3H22+2 C4H24+2,烷烃的通式CnH2n+2 同系列：具有一个通式，结构相似，性质也相似的化合物系列 同系物：同系列中的各个化合物互称同系物 系列差：CH2 2.碳原子和氢原子的类型 叔碳（3°）：与一个氢原子相连的碳。 仲碳（2°）：与两个氢原子相连的碳。 伯碳（1°）：与三个氢原子相连的碳。 季碳（4°）：与四个碳原子相连的碳。 叔氢：与叔碳相连的氢原子。 仲氢：与仲碳相连的氢原子。 伯氢：与伯碳相连的氢原子。,烷烃同系列中，甲烷、乙烷、丙烷只有一种结合方式， 没有异构现象，从丁烷起就有同分异构现象。,2.1.2 烷烃的同分异构现象,构造异构体:分子式相同，分子中原子互相连接的方式和次 序不同的异构体。 在烷烃分子中随着碳原子数的增加，异构体的数目增加得很快。对于低级烷烃的同分异构体的数目和构造式，可利用碳干不同推导出来。 以己烷为例,其基本步骤如下； (1)写出这个烷烃的最长直链式： (省略了氢）,(2)写出少一个碳原子的直链式作为主链把剩下的碳当作支链。依次当取代基连在各碳原子上，就能写出可能的同分异构体的构造式。,(3)写出少二个碳原子的直链式作为主链。把两个碳原子当作支链（2个甲基），接在各碳原子上，或把两个碳原子当作（乙基），接在各碳上。,(4)把重复者去掉。这样己烷的同分异构体只有5个。,书写构造式时，常用简化的式子为： CH3CH2CH2CH2CH3或CH3（CH2)4CH3。 如戊烷的三个同分异构体为：,2.2烷烃的命名,2.2.1普通命名法（习惯命名法） 以烷作为母体，十个碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚辛、壬、癸表示，十个碳原子以上用数字表示。,正表示直链：,异表示有下列结构的支链：,新表示分子中有季碳原子：,烷基：烷烃分子从形式上消除，一个氢原子而剩下的原子团 称为烷基。,例如： CH4 CH3 甲基 CH3CH3 CH2CH3 乙基,2.2.2系统命名法（IUPAC） IUPAC：International union of pure and applied chemistry CCS：Chinese chemical society “三步曲”：选主链最长（最多） 编号最近，若有歧义，则按“顺序规则” 中较小基团一端编号。 命名“取代基位次”+“取代基名称”+“母 体名称”,顺序规则： （1）“原子序数”原则：原子序数大（次序大）的基团为 优基团 （2）“同位素”原则：同位素中质量高的为较优团例如： IBrClSCDH （3）若取代基为多原子基团，则比较与碳原子相连的原子 次序大小，先比较原子序数大的，若相同，再向下依次 比较。 例如：,（4）含有双键或叁键的基团。可以认为连有两个或三个相同的原子。,(5)若主链上有几种取代基时，较优基团后列出。 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 列在后面的是较优基团 补充： （1）如果有几个相同支链，则在支链前加上二、三、四等字样，表示支链的个数，位号之间用逗号隔开。,2，3，4-三甲基己烷,（2）如果有几个不相同的支链，按“顺序规则”小前大后。,3-甲基-8-乙基-5-丙基癸烷,(3) 如果两个不同取代基所取代的位置按两种方法编号，位号相同，则从（按次序规则）次序较小基团开始编号。例：,4-丙基-8-异丙基十一烷,例如：用系统命名法命名,2，2-二甲基戊烷,3-甲基-4-乙基己烷,2，5，6-三甲基辛烷,2，7，9-三甲基-6-异丁基十一烷,2-甲基-5，5-二（1，1-二甲基丙基）癸烷,取代基太复杂，用小括号括起来，写在位次之后。,2，2，5-三甲基-4-丙基庚烷,再如：,概述： a. 构象：指分子中原子或原子团由于围绕单键的旋转而产生的分子中原子在空间的不同排列。 b. 构象异构体：分子组成相同，构造式相同，因构象不同而产生的异构体。 c. 构象异构体表示方法：透视式（伞形式，锯架式），纽曼投影式 以乙烷的重叠式构象说明：,2.3烷烃的构象,透视式：,伞形式,锯架式,纽曼投影式：,表示前碳 表示后碳,d. 注意： 构象异构体的互相转换不需发生共价键的断裂。 分子的构象异构体有无数个，无法画出，采用抓两头，选中间（选内能最高及最低构象），中间选几个典型。 2.3.1 乙烷构象,乙烷的构象：乙烷有两种典型的构象,两种极限构象式重叠式和交叉式,重叠式 交叉式,其中重叠型分子中，由于C上H与H之间的距离比较近，斥力大，因此能量高，分子不稳定。 交叉型分子中，由于C上H与H之间的距离比较远，斥力小，能量较低，分子比较稳定，为乙烷的优势构象。 二者的能量相差约为12.5KJ·mol-1，低温下以交叉式存在为主，温度升高重叠式含量增加。在室温下分子之间的碰撞能量约为84 KJ·mol-1，足以使分子自由旋转，因此不可把各种构象严格区分开来。 扭转能：构象之间转化所需的能量。,60度,60度,1,2,1,2,扭转角：,.=0°,.=60°,.=120°,.=180°,.=240°,.=300°,.=360°,从乙烷构象可看出： . 扭转角由0°逐渐变到360 °可得到无数个构象， 它们之间差别在于原子在空间的排列不同。 . 扭转角= 0°120 °240 °360°为重叠式 =60°180 °300 °为交叉式 重叠式、交叉式构象为乙烷的两个典型构象，其它 构象处于这两个构象之间。 . 重叠式中两个碳原子上的CH键相距最近，能量较 高,不稳定。交叉式中两个碳原子上的CH键相距最 远,能量较低，稳定。,. 能量曲线图,. 乙烷有无数个构象，乙烷最稳定的构象是交叉式。,2.3.2 丁烷构象,.=0°,.=60°,.=120°,.=180°,.=240°,.=300°,.=360°,从丁烷构象可看出：,. 扭转角由0°逐渐变到360 °可得到无数个构象，其中 有四 种典型构象。,= 60°300 °为顺交叉式。 C2上CH3与C3上CH3离的相对 较近，斥力相对较大，稳定性不如。,= 120 °240 °为部分重叠式。C2上CH3与C3上CH3离的较 近，斥力也较大，较不稳定。,. 扭转角= 180 °为反交叉式。C2上CH3与C3上CH3离的最 远，斥力最小，能量最低，最稳定。,= 0°为全重叠式。 C2上CH3与C3上CH3离的最近，斥力最大，能量最高，最不稳定。,. 能量曲线图,. 丁烷有无数个构象，最稳定的构象是反交叉式。,3.2.3 高级烷烃的构象,锯齿状排列，其中C-H都处于交叉式，碳链看起来向锯齿。,最稳定的构象是：整个碳链是锯齿状的。,2.4烷烃的物理性质,2.4.1物理性质 存在状态：室温下，14个C的烷烃为气体，516个C的 烷烃为液体，大于16个C的烷烃为固体。 熔沸点：随分子量的增大而升高 原因： 分子大，接触面积大，范德华力大； 分子大，分子运动所需能量大。（增加一个C，bp升 高2030）,同分异构体中，支链多的沸点低 原因：支链多，接触面积小，分子间作 用力小。但是支链的影响远小于 碳数增加的影响。 比重随分子量的增加而升高。 非极性或弱极性，不溶于水及强极性溶剂中，可溶于氯仿、乙醚、四氯化碳等溶剂中。（相似相溶）,2.4.2 化学性质,烷烃非常稳定，一般不易反应，但是在高温、光照、及催化剂存在下也可反应。 1.氧化 在空气中燃烧：,在催化剂下可以使烷烃部分氧化，生成醇、醛、酸等,2. 热解反应 热解反应：化合物在热作用下的分解。,注意：会用生成热（Hf）计算反应的焓变。键裂解能 （DH）计算反应的焓变。,煤油：C11-C16烷烃,柴油：C15-C18烷烃,汽油：C5-C12烷烃,注意：得到混合物，控制条件，可使某一种产物占主要。,合成上无价值，重要性在于机理的研究。,1). 氯化反应的机理,反应机理：反应经历的过程。是综合实验事实作出的理 论假设。公认的机理，能够解释实验事实。,链引发,3.卤化反应 卤化反应：烷烃分子中的氢原子被卤素取代的反应。 烷烃和卤素（Cl2、Br2）在暗处不发生反应，但在光照时 反应猛烈甚至引起爆炸。例：,. 具有链引发、链增长、链终止的反应在化学上叫自由 基反应（自由基链反应，连锁反应）。,. 决定反应速度的步骤是,链增长反应中夺氢过程,. 不同卤素的反应活性,氟氯溴碘,. 各种氢的相对反应活性,结论：叔氢仲氢伯氢,6个伯氢所得,2个仲氢所得,仲氢 / 伯氢=,仲氢的反应活性是伯氢的4倍。,36%,64%,叔氢 / 伯氢=,叔氢的反应活性是伯氢的5倍。,解释：三种氢的键裂解能为：,1°C-H 410.3Kj / mol,2°C-H 397.7Kj / mol,3°C-H 389.4Kj / mol,键裂解能越小，键越弱，越易均裂。,. 选择性（卤素对取代反应的选择性）,由于有机反应副反应多，若反应的选择性大，得到几种可能产物所占比例差别大。,若反应的选择性小，得到几种可能产物所占比例差别小。,43%,57%,3%,97%,在氯化反应中： 仲氢 / 伯氢,在溴化反应中： 仲氢 / 伯氢,在溴化反应中，仲氢比伯氢活性大的多。,因此溴化具有很高的选择性，在合成上有应用价值。,2). 烷基自由基的稳定性,在自由基链反应中，决定速度步骤中的中间体是烷基自由基，自由基越稳定，反应越易进行。,99.5%,例：,结论：,解释：. 键裂解能,439.6KJ / mol,键裂解能越小，键越弱，越易均裂，自由基越易形成，即自由基稳定。,410.3KJ / mol,397.7KJ/ mol,389.4KJ / mol,. 超共轭效应,定义：烷基上的碳原子与体积极小的氢原子结合， 对电子云屏蔽作用很小,所以C-H上的电子 比较容易与邻近的电子（或P轨道）共轭， 使电子重新分配，基团稳定。这种键与 键（或P轨道）的共轭称为超共轭效应， 键与键的共轭叫- 超共轭效应， 键与 P轨道的共轭叫- p 超共轭效应。,有3个C-H 电子同P轨道交盖,有9个C-H 键电子同P轨道交盖,接近sp2,有6个C-H 键电子同P轨道交盖,3). 甲烷氯化反应的能线图,在甲烷氯化反应中，决定反应速度的步骤是链增长反应中的第一步：夺氢过程,过渡态,过渡态：在能线图的峰顶，无法证实。 中间体：在能线图的峰谷，实验方法可证实。 活化能：过渡态与初始态之间的能量差。 反应热：生成物与反应物之间的能量差。正值为吸热，负 值为放热。 4. 硝化反应,5. 磺化反应,2.4.3 烷烃的制备,一.偶联反应 1.Wurtz（武慈）合成法：,2.卤代烷与二烷基铜锂的偶联科瑞（E.J.Corey）- 郝思（H.House）反应,3.格氏（V.Grignard）试剂法,用于制备特殊烷烃。,格利雅试剂,4.柯尔伯法（Kolbe） H.Kolbe （1818-1884）于1849年将高浓度的羧酸钠盐或钾盐溶液进行电解，在阴极产生烷烃。,二.还原反应,1.烯烃的氢化,2.卤代烷的还原 （1）.格氏（Grignard）试剂的水解,（2）用金属和酸还原,2.5 烷烃的来源及其主要用途,1.氧化 甲烷不完全燃烧时，生成碳黑。这是生产碳黑的一种方法。,不完全燃烧,甲烷在适当的条件下能发生部分氧化，得到氧化产物甲醇、甲醛、甲酸。,2.裂解,3.生成合成气,4.甲烷合成醋酸,本章结束,