有机化学第五版上册第2章_烷烃

第二章烷烃(alkane)第一节烷烃的同系列及同分异构现象一、烷烃的同系列二、同分异构体三、结构式的书写四、碳原子和氢原子的种类第二节烷烃的命名一、普通命名法二、烷基的命名三、系统命名法第三节烷烃的构型一、碳原子的四面体概念及分子模型二、碳原子的sp3杂化三、烷烃分子的形成四、分子立体结构的表示方法第四节烷烃的构象一、构象(conformation)二、乙烷的构象三、正丁烷的构象第五节烷烃的物理性质第六节烷烃的化学性质一、化学性质稳定二、氧化反应三、热裂反应四、卤代反应第七节烷烃的卤代反应历程一、甲烷的卤代历程二、卤素对甲烷的相对反应活性三、氢原子反应活性与自由基的稳定性第八节过渡态理论一、反应进程的过渡态与能量变化二、甲烷氯代反应的能量变化三、过渡态与中间体、反应热与活化能第九节甲烷和天然气一、烷烃的同系列烷烃分子中碳原子间以单键相连，其余都与氢原子相连。与碳原子结合的氢原子数目已达到最高限度，不可能再增加了，所以称为饱和烃（saturatedhydrocarbon）。烷烃的通式：CnH2n+2第一节烷烃的同系列及同分异构现象总目录通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质随碳原子数的增加而有规律变化的化合物系列——同系列（homologousseries）：同系列中化合物互为同系物（homolog）系列差CH2甲烷乙烷丙烷总目录分子式相同，碳干构造不同——碳干异构(constitutionalisomerism)同分异构体的书写方法（自学）分子式相同，结构不同的化合物为同分异构体——同分异构体正丁烷异丁烷二、同分异构体总目录构造式：三、构造式的书写总目录键线式（骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略简式：总目录伯碳（一级碳）1°（primary)：直接与一个碳原子相连仲碳（二级碳）2°(secondary)：直接与二个碳原子相连叔碳（三级碳）3°(tertiary)：直接与三个碳原子相连季碳（四级碳）4°(quaternary)：直接与四个碳原子相连与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称伯、仲、叔氢（1°H、2°H、3°H）四、碳原子和氢原子的种类总目录例如：总目录一、普通命名法二、烷基的命名三、系统命名法第二节烷烃的命名总目录一、普通命名法1.正(normal)某烷C1～C10甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸C10汉文数字2.异(iso)某烷碳链一末端带有两个甲基。正己烷n-hexane总目录衡量汽油品种的基准物质，其辛烷值为100特殊：总目录•含五或六个碳原子的碳链端第二个碳原子为季碳原子的烷烃称为“新某烷”(neohexane)3.新某烷总目录非新己烷一价基：主教材表2-3二价基：三价基：二、烷基的命名总目录1.直链烷烃：某烷2.支链烷烃（1）选择主链（母体）：选择碳原子数最多的碳链为主链三、系统命名法总目录例1、例2：给下列有机物选择主链总目录虚线框着的是主链如果两条碳链的碳原子数相同时，选择含支链较多的碳链为主链。故选A链为主链例3：总目录ABa.从靠近取代基一端开始编号；（2）主链碳原子的位次编号总目录编号应从左到右，甲基位次较小b.当有几种编号可能时，选择使取代基具有“最低系列”即使取代基的编号顺次逐项比较为最小的编号。取代基编号：（上）2，6，8（下）2，4，8（正确编号）例4：总目录IUPAC法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。2-甲基己烷（2-methylhexane）a.按取代基位次、取代基名称、母体名称顺次书写，取代基位次和取代基名称之间要用半字线“－”连接起来，取代基名称和母体名称间则不用半字线连接。（3）名称的书写次序总目录b.如果含有几个相同的取代基时，取代基名称前用二、三、四……等表示其数目，其位次则必须逐个注明，位次的阿拉伯数字之间以“，”隔开。2,3,5-三甲基己烷总目录•在IUPAC命名法中，英文名称中的一、二、三和四等数字用相应的词头“mono”、“di”、“tri”和“tetra”等表示，简单的取代基英文数字词头不参加字母顺序排列，但“iso”,“neo”则参与排序。2,3,5-三甲基己烷2,3,5-trimethylhexane总目录2,5-二甲基-3-乙基己烷3-ethyl-2,5-dimethylhexane总目录2,8-二甲基-4-乙基壬烷4-ethyl-2,8-dimethylnonane总目录c.如果含有几个不同的取代基时，按照“次序规则（sequencerule）”（中国化学会《有机化学命名原则》规定），“较优”基团写在后面，而简单基团写在前面。•次序规则是为了表达某些有机化合物的立体化学关系，需决定有关原子或基团的排列次序。它的主要内容如下：总目录①单原子取代基按其原子序数大小排列，大者为“较优”基团。若为同位素，则质量大的为“较优”基团。例如:“＞”表示“优于”总目录②多原子取代基则逐个原子顺次比较，排出优先次序。丁基异丙基两个基团的第一个原子所连接的原子或基团相同（C、H、H），则比较第二个原子：丁基第二个碳：C、H、H；异丙基第二个碳：C、C、H因此：异丙基＞丁基总目录③含有双键或三键基团，可以认为连有两个或三个相同原子。乙烯基第一个原子：C、C、H乙炔基第一个原子：C、C、C因此：乙炔基＞乙烯基总目录d.如果两个不同取代基的位次都符合“最低系列”时，按次序规则顺序，“较优”基团后列出。4-丙基-6-异丙基壬烷4-isopropyl-6-propylnonane总目录•如果支链上还有取代基时，这个取代了的支链的名称可放在括号中或用带撇的数字来标明支链中的碳原子。2-甲基-5-（1,2-二甲基丙基）癸烷或2-甲基-5-1′,2′-二甲基丙基癸烷总目录结构构造分子中原子的排列顺序构型分子中原子在空间的排列状况构象由于单键的旋转，形成分子中各原子或原子团的空间排布•结构——性质——用途学习的线索：总目录一、碳原子的四面体概念及分子模型1.四面体概念以甲烷为例C—H键长：0.109nm∠HCH键角：109°28′CHHHH第三节烷烃的构型总目录2.分子模型凯库勒模型、斯陶特模型3.构型(configuration)凯库勒模型球棒模型斯陶特模型比例模型具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况——构型总目录（1）为什么碳原子具有四价？（2）4个C—H键是等同的吗？思考总目录二、碳原子的sp3杂化1.碳原子的sp3杂化基态激发态杂化态总目录总目录2.sp3杂化轨道特点方向性更强4个sp3轨道等同最稳定的排列方式：正四面体（4个价键尽可能远离）总目录三、烷烃分子的形成甲烷：CH4C—H键：sp3—s总目录甲烷分子的形成总目录CCHHHHHHC—H键sp3—s乙烷：C2H6•C—C键sp3—sp3总目录乙烷分子的形成总目录四、分子立体结构的表示方法1.楔形（伞形）透视式及书写甲烷：甲烷凯库勒模型楔形透视式总目录乙烷：总目录2.锯架（sawhorseformula)透视式及书写总目录3.纽曼投影式(Newmanprojection)及书写总目录一、构象(conformation)有一定构造的分子通过单键的旋转，形成各原子或原子团的空间排布。第四节烷烃的构象总目录二、乙烷的构象1.两种极限构象的表达重叠式（顺叠式）eclipsedconformation交叉式（反叠式）staggeredconformation思考：写出重叠式和交叉式构象的楔形式、锯架式和纽曼式。前后两个碳上的氢原子处于交叉位置前后两个碳上的氢原子处于重叠位置总目录模型楔形式锯架式纽曼式模型锯架式纽曼式楔形式总目录2.两种极限构象的位能变化•稳定性比较：交叉式＞重叠式总目录思考如何分析交叉式构象和重叠式构象的稳定性？（原子的空间分布、位能）总目录三、正丁烷的构象围绕C2—C3单键旋转形成各种构象总目录1.四种极限构象式的表达对位交叉式（反叠式）部分重叠式（反错式）邻位交叉式（顺错式）全重叠式（顺叠式）总目录2.四种极限构象的位能变化总目录•稳定性比较：对位交叉式＞邻位交叉式＞部分重叠式＞全重叠式•注意：构造、构型、构象和极限构象的概念总目录思考1.写出戊烷（C2—C3）的极限构象式（纽曼式、锯架式、楔形式）2.总结书写纽曼式、锯架式、楔形式的规律总目录一、物态规律：二、沸点boilingpoint规律：三、熔点meltingpoint规律：随相对分子质量的增加，气态—液态—固态A.C数增加，沸点升高；B.正烷烃沸点＞支链烷烃沸点（同碳数）A.C数增加，熔点升高；B.偶数烷烃熔点＞奇数烷烃熔点第五节烷烃的物理性质总目录总目录四、相对密度规律:•C数增加，相对密度(d)升高五、溶解度solubility•规律:•难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃类。•相似相溶•烷烃也是一种溶剂。如石油醚，它是含碳数较低的几种烷烃的混合物，是实验室常用的溶剂。通常以沸程分为•石油醚30-60（bp30～60℃）•石油醚60-90和石油醚90-120等。总目录一、化学性质稳定原因：（1）C—C、C—Hσ键的键能大，不易破裂化学键C—CC—H键能/(kJ·mol-1)345.6415.3（2）C—C键矩为0，C—H偶极矩很小，电子云分布均匀，为非极性分子（3）键的断裂：均裂第六节烷烃的化学性质总目录二、氧化（oxidation）反应（自由基反应）1.燃烧用途：用作燃料（重要能源之一）当体积比CH4∶O2（空气）=1∶2（10）瓦斯爆炸总目录2.控制氧化R：C20～C30代替动植物油脂制造肥皂生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等总目录三、热裂（pyrolysis）反应（自由基反应）1.热裂：在高温及无氧条件下发生键断裂的分解反应。生产燃料和化工原料2.催化热裂：应用催化剂的热裂反应称催化热裂反应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率.总目录四、卤代（helogenation）反应（自由基反应）用途：1）生产氯代甲烷混合溶剂；2）控制条件，制备一氯甲烷。1.甲烷的氯代总目录2.甲烷的卤代卤素的活性：F2Cl2Br2I2（1）为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？（2）反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，如何分离？（3）为什么卤素的活性：F2Cl2Br2I2？思考总目录3.C3以上烷烃的卤代总目录从反应式中可看到：①同一化合物中，不同的氢原子被卤代的产率不同；②同一化合物中，同一氢原子，不同的卤素，氢被卤代的产率不同。讨论：（1）氢原子的卤代反应活性：•每个氢原子的反应概率=产率/氢原子个数总目录氯代反应中氢原子的反应活性：1°H：43/6≈764/9≈72°H：57/2=28.53°H：36/1=36氯代：3°H∶2°H∶1°H=5∶4∶1溴代：3°H∶2°H∶1°H=1600∶82∶1（2）根据反应活性，推测异构体产率(自学)思考：为什么氢原子的卤代反应活性顺序为3°2°1°？总目录反应历程（或反应机理）：化学反应所经历的途径或过程。研究内容：①反应步骤②反应中心③价键变化④影响因素研究思路：第七节烷烃的卤代反应历程（reactionmechanism）总目录一、甲烷的卤代历程1.甲烷和氯气反应的实验事实：总目录2.根据实验事实，提出如下机理：链引发（chaininitiation）：链传递（chainpropagation）：总目录理论上可把所有甲烷分子中的氢原子全夺去。事实上，连锁反应不可能永久传递下去，直到自由基互相结合或与惰性物种结合而失去活性时，这个连续的反应就终止了。总目录链终止（chaintermination）：总目录（1）请你用自由基卤代反应机理解释甲烷氯代的实验事实。（2）为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？思考总目录二、卤素对甲烷的相对反应活性•卤素的相对反应活性为：氟氯溴碘•反应活性的解释：1.反应热（reactionenthalpyΔrHm）解释ΔrHm=(435.1+242.5)－（351.4+431）=-104.8(kJ·mol－1)（放热）反应热：一般来说，放热反应较易进行，而吸热反应较难进行。总目录甲烷卤代的反应热ΔrHm/（kJ·mol－1）反应FClBrI反