有机化学第二章烷烃Convertor

第二章烷烃第一节烷烃的结构、异构和命名一、烷烃的结构有机化合物中，有一类物质是仅由C、H两种元素组成的，这类物质总称为碳氢化合物，简称烃。1.正四面体构型（原子在空间的排列方式。）烷烃中最简单化合物是甲烷，以甲烷为例讨论烷烃的结构：甲烷分子是一个正四面体结构，碳原子位于正四面体的中心，它的四个共价单键从中心指向正四面体的四个顶点，并与氢原子连接。四个C—H键的键长都为0.110nm，四个H—C—H键角都为109.5°。图甲烷的正四面体结构2.sp3杂化甲烷的正四面体结构，可以用碳原子的杂化轨道来加以解释：杂化后形成四个能量相等的新轨道称为SP3轨道，这种杂化方式称为SP3杂化，每一个SP3杂化轨道都含有1/4S成分和3/4P成分。四个SP3轨道对称的分布在碳原子的四周，对称轴之间的夹角为109.5º,这样可使价电子尽可能彼此离得最远,相互间的斥力最小,有利于成键。3.σ键图甲烷分子的形成与σ键在甲烷分子中，连接C和H两个原子核的直线叫做C—H键的键轴。从图中可以看出，形成C—H键时，H原子的s轨道与C原子的sp3杂化轨道大头一瓣沿着键轴方向“头碰头”重叠—σ重叠，形成σ键。从图中还可以看出，当σ键绕着键轴转动时,轨道重叠的情况没有任何改变，σ键的强度也就没有任何改变。因此，如果没有其他因素的影响,只从轨道重叠的情况没有任何改变来看，σ键的转动是不受阻碍的。二、烷烃的通式和同系列通式——表示某一类化合物分子式的式子。同系列——结构相似，而在组成上相差－CH2－的整数倍的一系列化合物。同系物——同系列中的各个化合物叫做同系物。同系物化学性质相似，物理性质随分子量增加而有规律地变化。烷烃的通式可总结为CnH2n+2。相邻的两个烷烃在组成上都相差一个CH2，CH2称为系差。在组成上相差一个或几个系差的化合物称为同系列。同系列中的各个化合物称为同系物。三、烷烃的同分异构现象分子式相同而结构不同的化合物叫同分异构体。像这样分子式相同而构造不同的化合物叫构造异构体。构造异构体仅是同分异构体的一种。除构造异构体外，同分异构体还包括构型异构体、构象异构体。简单的烷烃构造异构体的推导方法，推导分子式为C5H12的烷烃的过程如下：（1）先写出最长碳链：（2）其次写出少一个碳原子的直链，把剩下的一个碳原子当作支链加在主链上，并依次变动支链的位置：（3）然后再写出少两个碳原子的直链，把剩下的两个碳原子当作一个支链加在主链上：（4）最后把两个碳原子分成两个支链加在主链上：（5）将重复的碳链去掉，用氢原子饱和，即可得到戊烷的三种构造异构体的构造式。四、烷烃的命名1.碳原子的类型与三个氢原子相连的碳原子,叫伯碳原子(第一碳原子、一级碳原子),用1°表示与二个氢原子相连的碳原子,叫仲碳原子(第二碳原子、二级碳原子),用2°表示与一个氢原子相连的碳原子,叫叔碳原子(第三碳原子、三级碳原子),用3°表示与四个碳原子相连的碳原子,叫季碳原子(第四碳原子、四级碳原子),用4°表示连在伯碳上氢原子叫伯氢原子(一级氢，1°H)连在仲碳上氢原子叫仲氢原子(二级氢，2°H)连在叔碳上氢原子叫叔氢原子(三级氢，3°H)2.普通命名法（习惯命名法）（1）按分子中碳原子数目称为某烷，十个碳原子以内的用天干(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）表CCCCCH3CH3CH3CH3HHHHHH伯碳原子(1°)仲碳原子(2°)叔碳原子(3°)季碳原子(4°)示，十个以上碳原子的用数字十一、十二、十三……表示。如：C6H14称己烷；C15H32称十五烷；C18H38称十八烷。（2）异构体的区分把直链的称为“正”某烷，若仅在链端倒数第二个碳上有一个甲基的称为“异”某烷，若仅在链端倒数第二个碳上有两个甲基的称为“新”某烷。异辛烷不属于习惯命名，是商品名或俗名。3.烷基烷基的名称是从相应的烷烃的名称衍生出来的。烷烃去掉一个H生成的原子团叫烷基R—，通式为CnH2n+1。从直链（即不带支链的连续链）烷烃分子的末端碳原子上去掉一个氢原子后剩下的基团（即不带支链的烷基）叫做某基（系统命名法）或正某基（习惯命名法）。4.系统命名法（1）直链烷烃的命名对于直链烷烃，其系统命名法与习惯命名法基本相同，只是在烷烃名称前不写“正”字。（2）支链烷烃的命名对于支链烷烃则可以把它看作是直链烷烃的烷基衍生物，即把直链当作母体，支链当作取代基。因此如何确定主链和处理取代基的位次是关键问题。其命名原则如下:①选取主链②确定主链碳原子的位次（编号）③写出全称烷烃的命名原则可以总结如下：选择最长的碳链作为主链,主链等长时，选取代基多的为主链，主链编号从离支链最近的一端开始，使支链编号之和最小，两个取代基位于主链两端等距离时，从简单的开始编号，总结成五个字原则，即长、多、近、小、简。注意：a.取代基的名称写在烷烃前，用其所连碳原子的编号注明位置；b.相同取代基合并，用二、三、四表明数目，其位置须逐个注明；c.数字与汉字间用“—”隔开，数字间用“，”分开；d.特别注意：“某基”和“某烷”之间不能用“—”隔开。例如：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(3)特殊情况的处理主碳链的选择——当有两个以上的等长碳链可供选择时，其选择顺序为：a.选择支链多的碳链为主碳链。b.选择支链位号较小的为主碳链。最低序列原则：碳链以不同方向编号时，若有多种可能序列，则需顺次逐项比较各序列的不同位次，首先遇到位次最小者为最低序列。CH3CH2CH2CCH3CH3CH3(CH3CH2)2CHCHCH2CH3CH3(CH3)2CHCH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH3CH3CH2CHCH2CHCHCH2CH2CH2CH(CH3)2CH3CH3CH2CH(CH3)2c.关于取代基的列出顺序——“较优基团后列出”：确定“较优基团”的依据——次序规则：①取代基或官能团的第一个原子，其原子序数大的为“较优基团”；对于同位素，质量数大的为“较优基团”。当主碳链上有几个取代基或官能团时，这些取代基或官能团的列出顺序将遵循“次序规则”，指定“较优基团”后列出。②第一个原子相同，则比较与之相连的第二个原子，依此类推。③取代基为不饱和基团，可分解为连有两个或三个相同的原子。第二节烷烃的性质一、烷烃的物理性质有机化合物的物理性质一般指化合物的物态、熔点、沸点、相对密度和溶解度等。同系列化合物的物理性质随着相对分子质量的增加而呈现一定的变化规律。1.物态常温、常压(0.1MPa)C1～C4：气态；C5～C16：液态；＞C17：固态2.沸点（b.p）（1）直链烷烃①M↑，b.p↑；原因：色散力∝共价键数目(即C—C、C—H)②相邻同系物的沸点差(⊿b.p)，随M↑，⊿b.p↓。（2）支链烷烃(同分异构体)①支链↑，b.p↓。原因：色散力是近距离。②支链数相同：对称性↑，b.p↑；小结：沸点高低的判断方法a：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。原因：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。4.溶解度(自学)5.折光率(自学)6.相对密度：分子量↑，密度↑，但＜1；支链↑，密度↓。二、烷烃的化学性质烷烃在通常情况下不与强酸、强氧化剂作用。在一定条件下或有催化剂存在时，可发生氧化反应，而最重要的是在光或热的作用下，烷烃分子中的氢被卤素取代的反应。碳－氢键的极性小，不易发生异裂，一般发生均裂。1.取代反应烷烃中氢原子被其他原子或基团取代的反应称为取代反应.（1）甲烷的氯代烷烃与氯在室温和暗处并不反应。但是在高温或光照下，烷烃与氯能顺利地发生反应生成氯代烷——烷烃分子中一个或几个氢原子被氯原子取代。例如，在高温或光照下，甲烷与氯可以生成氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）、四氯甲烷（四氯化碳）。反应有时很剧烈，控制不好会爆炸。甲烷过量(10:1)时，主要得到一氯甲烷；甲烷与氯气体积比1:4时，主要得到四氯化碳。2.其他烷烃的氯代丙烷和丙烷以上的烷烃发生一元氯化时，生成的氯代烷一般是两种或两种以上的构造异构体。例如：卤化反应的相对活性：F2Cl2Br2I2丙烷中有六个伯氢原子和两个仲氢原子。上述反应式表明,在给定的氯代条件下，仲氢原子与伯氢原子的活性之比是:仲氢原子∶伯氢原子=55/2∶45/6≈4∶1异丁烷中有九个伯氢原子和一个叔氢原子。同样，叔氢原子与伯氢原子的活性之比是：叔氢原子∶伯氢原子=37/1∶63/9≈5∶1因此，对于自由基氯化，烷烃中氢原子的活性顺序是：叔氢原子仲氢原子伯氢原子*卤化的反应机理（了解）：反应物转变产物所经过途径叫做反应机理或反应历程。烷烃的氯代反应是自由基型反应。2.氧化反应（1）完全氧化常温时，烷烃一般既不与氧化剂反应，也不与空气中的氧反应。烷烃在高温和足够空气中燃烧，生成CO2和水，放出大量的热：CnH2n+2+O2燃烧nCO2+(n+1)H2O+热量3n+12CH4+2O2CO2+2H2O+891kJ/mol燃烧低级烷烃的蒸气和空气混合至一定比例时，遇到火花会发生爆炸，这是煤矿中瓦斯爆炸。甲烷的爆炸极限是5.53%—14%。（2）控制氧化在催化剂存在下可发生部分氧化,合成了乙酸,高级脂肪酸等产品。甲烷在催化剂的存在下，可发生氧化生成甲醛、甲醇等化合物：3.裂化反应常温时，烷烃是非常稳定的物质，没有分解现象。但是当加热到一定温度时，烷烃就开始分解。温度越高，分解得越厉害。这个现象叫做烷烃的高温裂化或裂解。例如：4.异构化反应适当条件下，直链或支链少的烷烃可以异构化为支链多的烷烃。CH2CH3CH2CH3CH3CHCH3CH395~150℃,1~2MPaAlCl3,HCl第三节烷烃的来源、制法和用途烷烃的主要来源是天然气和石油。天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃。其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。天然气主要用作燃料，它在燃烧过程中产生的影响人类呼吸系统健康的物质极少，并且燃烧后无废渣、废水产生，使用安全、热值高。天然气也是重要的化工原料，如天然气是制造氮肥的最佳原料，还可以用于合成甲醇，乙炔等。石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体。主要是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。石油分馏可得到若干馏分，它们有不同的用途。石油分馏产品的组成和用途如下表所示。