第一节烷烃

第一节烷烃2．1、烷烃的通式、同系列和同分异构现象通式：CnH2n+2同系列：具有同一通式、结构和性质相似、相互间相差一个或几个CH2的一系列化合物。同系列中的各个化合物互为同系物。相邻同系物之间的差CH2叫做同系差。同系列是有机化学中的普遍现象，同系列中各个同系物（特别是高级同系物）具有相似的结构和性质明显，这两种丁烷结构上的差异是由于分子中碳原子连接方式不同而产生的，我们把分子式相同而构造式不同所产生的同分异构现象叫做构造异构；这种由于碳链的构造不同而产生的同分异构现象又称做碳链异构。同理，由丁烷的两种同分异构体可以衍生出三种戊烷：随着分子中碳原子数的增加，碳原子间就有更多的连接方式，异构体的数目明显增加，己烷有五个同分异构体，庚烷有9个，辛烷有18个，而癸烷有75个，二十烷有366319个。分析下面烷烃分子中碳原子和氢原子的连接情况:其中有的碳只与一个碳原子相连，我们把它叫做一级碳原子，或叫第一（伯）碳原子，可用1°表示；直接与两个碳原子相连的，叫做二级碳原子，或叫第二（仲）碳原子，可用2°表示；直接与三个碳原子相连的，叫做三级碳原子，或叫第三碳（叔）原子，可用3°表示；直接与四个碳原子相连的，叫做第四（季）碳原子，用4°表示。氢原子则按其与一级、二级或三级碳原子相连而分别称为第一、第二、第三氢原子或称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的氢原子的活泼性不同。2．2、烷烃的命名烷烃常用的命名法有普通命名法和系统命名法两种。2.2.1普通命名法（习惯命名法）一般只适用于简单、含碳较少的烷烃，基本原则是：（1）根据分子中碳原子的数目称“某烷”。碳原子数在十以内时，用天干字甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸表示；碳原子数在十个以上时，则以十一、十二、十三、……表示。例如：（2）为了区别异构体，直链烷烃称“正”某烷；在链端第二个碳原子上连有一个甲基且无其它支链的烷烃，称“异”某烷；在链端第二个碳原子上连有两个甲基且无其它支链的烷烃，称“新”某烷。例如：戊烷的三种异构体，分别称为正戊烷、异戊烷、新戊烷。2.2.2烷基的命名烷烃分子中去掉一个氢原子形成的一价基团叫烷基。烷基的名称由相应的烷烃命名。常见烷基如下：CH3—CH3CH2—CH3CH2CH2—（CH3）2CH—CH3CH2CH2CH2甲基乙基丙基异丙基丁基（CH3）3C—（CH3）2CHCH2—CH3CH2CH(CH3)—叔丁基异丁基仲丁基（CH3）3CCH2—（CH3）2CHCH2CH2—新戊基异戊基烷基通式为CnH2n+1，通常用R-表示，所以烷烃也可用RH表示。2.2.3系统命名法直链烷烃的系统命名法与普通命名法相同，只是把“正”字取消。对于结构复杂的烷烃，则按以下原则命名。１.在分子中选择一个最长的碳链作主链，根据主链所含的碳原子数叫做某烷。主链以外的其它烷基看做主链上的取代基，同一分子中若有两条以上等长的主链时，则应选取分支最多的碳链作主链。例如：正确的选择是2，不是1２.由距离支链最近的一端开始，将主链上的碳原子用阿拉伯数字编号。将支链的位置和名称写在母体名称的前面，阿拉伯数字和汉字之间必须加一半字线隔开。例如：３.如果含有几个相同的取代基时，要把它们合并起来。取代基的数目用二、三、四……表示，写在取代基的前面，其位次必须逐个注明，位次的数字之间要用逗号隔开。例如：４.如果含有几个不同取代基时，取代基排列的顺序，是将“次序规则”（见第二章第一节）所定的“较优”基团列在后面。几种烃基的优先次序为(CH3)3C—(CH3)2CH—CH3CH2CH2—CH3CH2—CH3—（“”表示优先于）。例如，甲基与乙基相比，则乙基为较优基团。因此乙基应排在甲基之后；丙基与异丙基相比，异丙基为较优基团，应排在丙基之后。５.当主链上有几个取代基，并有几种编号的可能时，应当选取取代基具有“最低系列”的那种编号。所谓“最低系列”指的是碳链以不同方向编号，得到两种或两种以上的不同编号的系列，则逐次比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者，定为“最低系列”。例如：上述化合物有两种编号方法，从右向左编号，取代基的位次为2，2，3，5；从左向右编号，取代基的位次为2，4，5，5。逐个比较每个取代基的位次，第一个均为2，第二个取代基编号分别为2和4，因此应该从右向左编号。又如：3．3、烷烃的结构甲烷的分子结构甲烷的结构式一般写成，近代物理方法测定，甲烷分子为一正四面体结构，碳原子位于正四面体中心，四个氢原子位于正四面体的四个顶点。四个碳氢键的键长都为0.109nm，键能为414.9kJ•mol-1，所有H-C-H的键角都是109.5o。甲烷分子的正四面体结构见图。从碳原子的杂化轨道理论也可以理解甲烷分子的正四面体结构。在形成甲烷分子时，四个氢原子的轨道沿着碳原子的四个杂化轨道的对称轴方向接近，实现最大程度的重叠，形成四个等同的C-Hσ键。乙烷分子中的碳原子也是以sp3杂化的。两个碳原子各以一个sp3轨道重叠形成C-Cσ键，两个碳原子又各以三个sp3杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠形成六个等同的C-Hσ键。2．4烷烃的构象在常温下，乙烷分子中的两个甲基并不是固定在一定位置上，而是可以绕C-Cσ键自由旋转，在旋转中形成许多不同的空间排列形式。这种由于绕单键旋转而产生的分子中的原子或基团在空间的不同排列方式，叫做构象（conformation），同一分子的不同构象称为构象异构体。乙烷分子可以有无数种构象，但从能量的观点看只有两种极限式构象：交叉式构象和重叠式构象。交叉式构象两个碳原子上的氢原子距离最远，相互间斥力最小，因而内能最低，稳定性也最大，这种构象称为优势构象。在重叠式构象中，两个碳原子上的氢原子两两相对，相互间斥力最大，内能最高，也最不稳定。其它构象内能介于二者之间。表示构象可以用透视式或纽曼（Newman）投影式。交叉式与重叠式的构象虽然内能不同，但差别较小，约为12.5kJ•mol-1。因此，在室温时可以把乙烷看做交叉式与重叠式以及介于二者之间的无数种构象异构体的平衡混合物。由于各种构象在室温下能迅速转化，因而不能分离出乙烷的某一构象异构体。丁烷可以看作是乙烷分子中的两个碳原子各有一个氢原子被一个甲基取代后的产物，当绕C2-C3σ键旋转360°时，每旋转60°可以得到一种有代表性的构象。如图1-6所示：在上述六种构象中，II与VI相同，III与V相同，所以实际上有代表性的构象为I、II、III、IV四种。它们分别叫做全重叠式、邻位交叉式、部分重叠式、对位交叉式。丁烷几种构象的内能高低顺序为：全重叠式＞部分重叠式＞邻位交叉式＞对位交叉式。对位交叉式是优势构象式。2．5、烷烃的物理性质1．物质的状态室温下，C1-C4为气体，C5-C16为液体，C17以上是固体。2．熔点和沸点烷烃的熔点和沸点都很低，并且熔点和沸点随分子量的增加而升高。但值得注意的是：（1）对同数碳原子的烷烃来说，结构对称的分子熔点高。因为结构对称的分子在固体晶格中可紧密排列，分子间的色散力作用较大，因而使之熔融就必须提供较多的能量。（2）含偶数碳原子的正烷烃比奇数碳原子的熔点高。这主要取决于晶体中碳链的空间排布情况。X光证明，固体正烷烃的碳链在晶体中伸长为锯齿形，奇数碳原子的链中两端的甲基处在同一边，而偶数碳原子的链中，两端的甲基处在相反的位置，从而使这种碳链比奇数碳链的烷烃可以彼此更为靠近，于是它们之间的色散力就大些。烷烃的沸点上升比较有规则，每增加一个CH2基，上升20-30℃，越到高级系列上升越慢。在相同碳原子数的烷烃中，直链的沸点比带支链的高，这是由于在液态下，直链的烃分子易于相互接近，而有侧链的烃分子空间阻碍较大，不易靠近。3．比重、溶解度、折光率(略)2．6．烷烃的化学性质烷烃的化学性质很不活泼。在常温下，烷烃与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂等都不易起反应，所以烷烃在有机反应中常用来作溶剂。1．氧化与燃烧烷烃在空气中完全燃烧时，生成二氧化碳和水，并放出大量的热，烷烃主要用做燃料。2．热裂反应烷烃在隔绝空气的条件下进行的分解叫热裂反应。烷烃的热裂是一个复杂的反应。烷烃热裂可生成小分子烃，也可脱氢转变为烯烃和氢。热裂反应主要用于生产燃料。近年来热裂已为催化裂化所代替，工业上利用催化裂化把高沸点的重油转变为低沸点的汽油，从而提高石油的利用率，增加汽油的产量，提高汽油的质量。3．卤代反应烷烃在紫外光、热或催化剂的作用下，氢原子被卤素所取代的反应。CH4+X2—–—–→CH3X（X=F、Cl、Br、I）此反应不能停留在一氯代阶段，随着CH3X浓度的加大，它可以继续氯代下去。如CH3Cl+Cl2—–—–→CH2Cl2+HClCH2Cl2+Cl2—–—–→CHCl3+HClCHCl3+Cl2—–—–→CCl4+HClCH4和Cl2反应的实际产物是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的混合物，混合物的组成取决于原料的配比和反应条件，如果反应中使用大大过量的甲烷，则反应可以控制在一氯取代阶段，如果反应温度在400℃时，使原料比为CH4︰Cl=0.263︰1,则反应产物主要是CCl4。丙烷卤代，一卤代产物可有两种：CH3CH2CH3＋Cl2–—–→CH3CH2CH2Cl＋CH3CHClCH异戊烷卤代，一卤代产物可有四种：实验结果表明：各级氢与碳分离时所需能量：三级氢（叔氢）二级氢（仲氢）一级氢（伯氢）CH3-H实验测定，氯代，三种氢的活性为：叔氢：仲氢：伯氢=5：4：1溴代，三种氢的活性为：叔氢：仲氢：伯氢=1600：82：1这也就是说游离基形成的容易程度是：30＞20＞10＞·CH3越易形成的游离基越稳定，所以游离基的稳定性顺序为：30＞20＞10＞·CH3游离基的结构：sp2杂化，平面构型。也可以从电子效应来解释游离基的稳定性。2．7甲烷氯代反应历程甲烷的氯代在强光的直射下极为激烈，以致发生爆炸产生碳和氯化氢。游离基取代反应机理反应历程是研究反应所经历的过程，反应历程又称反应机理，它是有机化学理论的主要组成部分。氯气与甲烷反应有如下实验事实：①甲烷和氯气混合物在室温下及黑暗处长期放置并不发生化学反应。②将氯气用光照射后，在黑暗处放置一段时间再与甲烷混合，反应不能进行；若将氯气用光照射，迅速在黑暗处与甲烷混合，反应立即发生，且放出大量的热量。③若将甲烷用光照射后，在黑暗处迅速与氯气混合，也不发生化学反应。从上述实验事实可以看出，甲烷氯代反应的进行与光对氯气的影响有关。首先，在光照射下氯气分子吸收能量，使其共价健发生均裂，产生两个活泼氯原子（氯游离基）。氯游离基非常活泼，它夺取甲烷分子中的一个氢原子，生成甲基游离基和氯化氢。甲基游离基与氯游离基一样活泼，它与氯气分子作用，生成一氯甲烷，同时产生新的氯游离基。新的氯游离基不但可以夺取甲烷分子中的氢，也可以夺取氯甲烷分子中的氢，生成氯甲基游离基。如此循环，可以使反应连续进行，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等。这种由游离基引起的、连续循环进行的反应称游离基取代反应，又称链锁反应。在游离基反应中，虽然只有少数游离基就可以引起一系列反应，但反应不能无限制地进行下去。因为随着反应的进行，氯气和甲烷的含量不断降低，游离基的含量相对增加，游离基之间的碰撞机会也增加，产生了游离基之间的结合，导致反应的终止。由此可见，反应的最终产物是多种卤代烃的混合物。从上述反应的全过程可以看出，游离基反应通常包括三个阶段：链的引发即吸收能量开始产生游离基的过程；链的增长即反应连续进行的阶段，其特点是产生取代物和新的游离基；链的终止即游离基相互结合，使反应终止。丙烷分子中有六个伯氢和两个仲氢，氯游离基与伯氢相遇的机会为仲氢的三倍，但一氯产物中2-氯丙烷反而比1-氯丙烷多，说明仲氢比伯氢活性大，更容易被取代。伯氢与仲氢的相对活性为：氯与异丁烷的反应也生成两种产物，产物比例如下：伯氢与叔氢的相对活性为：实验结果表明：仲氢活性是伯氢的3.8倍，叔氢活性是伯氢的5倍。烷烃中各种氢的活性顺序为：叔（3°）氢＞仲（2°）氢＞伯（1°）氢。上述结论可由键的离解能或游离基的稳定性加以解释。