有机化学简明教程(高鸿宾)第二章饱和烃

Companyname第2章饱和烃有机化学CompanyLogo烃：只含有C、H两种元素的化合物——碳氢化合物烃不饱和烃:饱和烃：环丙烷环己烷碳原子之间均以C－C单键相连，其余的价键均为H原子所饱和。烷烃：甲烷、乙烷等；环烷烃:含有碳碳重键的烃类化合物。烯烃、炔烃等。CompanyLogo1.烷烃的同分异构2.烷烃的命名3.烷烃的结构4.烷烃的构象5.烷烃的物理性质6.烷烃的化学性质第1节烷烃CompanyLogo2.1.1烷烃的通式2.1烷烃的通式、同系列和构造异构烷烃的通式：CnH2n+2甲烷(CH4)丙烷(C3H8)丁烷(C4H10)乙烷(C2H6)CHHHHCHHCHHHCHHCHHHCHHHCHHCHHHCHHHCHHHCompanyLogo2.1.2烷烃的构造异构C4H10:正丁烷异丁烷CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3C5H12:正戊烷异戊烷新戊烷CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3碳骨架异构直链烷烃支链烷烃构造异构体：分子式相同，分子构造不同的化合物同分异构体：分子式相同，原子的排列方式不同的化合物CompanyLogo2.2烷烃的命名2.2.1伯、仲、叔、季碳原子CCHHHHHCCH3HCCH3CH3CH31°碳原子2°碳原子3°碳原子4°碳原子CompanyLogo2.2.2烷基烷基:从烷烃中去掉一个H原子,剩余的结构部分RHR名称缩写CH3HCH3甲基MeCH3CH2HCH3CH2乙基Et(methyl)(ethyl)CH3CH2CH2HCH3CH2CH2正丙基(propyl)Pr表2.1一些烷基的名称与表示CH3CHCH3异丙基(iso-propyl)i-Pr－CompanyLogoCH3CH2CH2CH2HCH3CH2CH2CH2正丁基(butyl)BuCH3CH2CHCH3仲丁基(sec-butyl)s-BuCCH3CH3CH3叔丁基(tert-butyl)t-BuCH3CHCH3CH3CH3CHCH2CH3异丁基(iso-butyl)i-BuRHR名称缩写CompanyLogo2.2.3烷烃的命名(1)普通命名法•分别用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳原子数在10个以下的碳的数目；C原子数大于10的用十一、十二等数字表示。•用“正”、“异”、“新”分别表示直链、一端具有异丙基或叔丁基的构造异构体。正戊烷异戊烷新戊烷CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3CompanyLogo(2)衍生命名法以甲烷为母体，把其它的烷烃都看作是甲烷的烷基衍生物。•选择连接烷基最多的C原子作为母体甲烷•按照次序规则，将“优先”的基团后列出CH3CHCH2CH3CH3二甲基乙基甲烷二甲基乙基异丙基甲烷CH2CCH3CHCH3CH3CH3CH3CompanyLogo母体取代基的位次与名称化合物的名称碳原子的个数(3)系统命名法系统命名是由三部分构成：InternationalUnionofPureandAppliedChemistry，缩写作IUPAC直链烷烃的命名与普通命名法相同。CompanyLogo•选取最长的碳链作为主链。对于相等长的碳链，选取含支链最多的碳链。•根据主链的碳原子数，称“某”烷。(a)选择主链，确定母体支链烷烃的命名，按以下步骤进行：CHCHCHCH2CH2CH3CH3CH3CH3CHCH3CH2CH3庚烷CompanyLogo(b)为主链上的碳原子编号•从靠近支链一端依次用阿拉伯数字编号。•当编号有几种可能时，要使支链的位次号较小(符合“最低系列”规则)。CHCH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH3CH2CH3CH2CH3987654321(I)CHCH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH3CH2CH3CH2CH3219876543(II)CompanyLogo(c)确定化合物的名称•将取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代基名称的前面，加上它的位次号，并用半字线“–”将两者连接。•当含有几个不同的取代基时，按照“次序规则”，将“优先”的基团列在后面，各取代基之间用半字线“–”连接。•当含有几个相同的取代基时，用“一、二、三、四……”表示其个数，逐个标明其位次号，并用逗号分开。CompanyLogoCH3CH2CH2CHCHCH2CH2CHCH3CH3CH2CH2CH3CH2CH3CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CH3CH3CHCH2CH3CH3用系统命名法命名下列化合物?CompanyLogo2.3烷烃的结构2.3.1碳原子的sp3杂化轨道C:1s22s22px12py12pz0碳原子在基态时的电子构型：sp3杂化轨道:2p2s1s电子跃迁2p2s1s杂化1ssp3图2.1sp3杂化轨道形成过程示意图基态激发态sp3杂化态CompanyLogo图2.2sp3杂化轨道s轨道成分：1/4；p轨道成分：3/4。在甲烷分子中，C原子是sp3杂化。CompanyLogo图2.3sp3杂化的碳原子几何构型：四面体CompanyLogo图2.4甲烷的结构sp3–1sσ键4个C－Hσ键CHHHH2.3.2甲烷等分子的结构CompanyLogo图2.5甲烷的球棒模型图2.6甲烷的比例模型甲烷分子的模型CompanyLogo1个C－Ｃσ键6个C－Hσ键sp3–sp3σ键sp3–1sσ键CompanyLogoσ键的特性：•σ键呈圆柱形对称，键能较大，可极化性小，可沿键轴自由旋转。C－Cσ键是由两个碳原子各以一个sp3杂化轨道沿对称轴方向交盖而成的。如：乙烷分子的结构乙烷的结构由两个和两个以上碳原子组成的烷烃，除了具有C－Hσ键外，还有C－Cσ键。•由于σ键是沿成键轨道方向交盖而成，在碳链中，C－C－C的键角保持接近109.5°。对于直链烷烃，其三维形状是曲折形，而不是直线形。CompanyLogo图2.7乙烷的球棒模型图2.8乙烷的比例模型乙烷分子的模型CompanyLogo由于σ键呈圆柱状对称，C－Ｃ单键能够发生旋转，由此而导致的分子中的其它原子或基团在空间的排布方式不同，分子的这种立体形象——构象。2.4烷烃和环烷烃的构象2.4.1乙烷的构象由此产生的异构体——构象异构体CompanyLogo重叠式HHHHHHHHHHHH乙烷的构象纽曼投影式透视式交叉式HHHHHHHHHHHHCompanyLogo纽曼(Newman)投影式：HHHHHHHHHHHHHHHHHH能量/(kJ·mol-1)060120旋转角度/(°)12.6交叉式与重叠式是乙烷分子的极限构象120°120°CompanyLogoHHCH3HCH3HCH3HHCH3HHHHCH3HCH3HCH3HHH3CHH对位交叉部分重叠邻位交叉全重叠由C2－C3σ键旋转产生的构象：图2.9正丁烷构象的模型2.4.2丁烷的构象固定C2原子，反时针旋转C3原子，得到以下正丁烷的极限构象CompanyLogo稳定性：对位交叉邻位交叉部分重叠全重叠CompanyLogo2.5烷烃的物理性质物理常数：单一纯净的有机化合物在一定的条件下其物理性质为一固定值。t有机化合物的物理性质：物态、熔点(mp)、沸点(bp)、相对密度(d)、折射率()和溶解度(s)等。nD物理常数已知化合物的鉴定不同化合物的分离测定利用CompanyLogo当C原子数相同时，含支链越多的烷烃，相应的沸点越低。CH3CH2CH2CH2CH3CH3CH2CHCH3CH3CH3CCH3CH3CH3沸点/℃36.127.99.5沸点与分子间的作用力——vanderWaals力相关。相对分子质量大的分子，其表面积增大，分子间vanderWaals力——色散力增大，其沸点随之升高。2.5.1沸点直链烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高。CompanyLogo2.5.2熔点烷烃熔点的变化基本上与沸点相似。直链烷烃熔点随相对分子质量的增加而升高。偶数碳原子烷烃与奇数原子烷烃相比，其熔点升高较多。图2.10烷烃的熔点与分子中所含碳原子数的关系图CompanyLogo-300-200-1000100200300温度（℃）1234567891011121314C原子数烷烃熔沸点图熔点沸点图2.11烷烃熔、沸点图温度/℃碳原子数CompanyLogoC原子数相同烷烃的不同异构体，对称性较好的异构体具有较高的熔点。CH3CH2CH2CH2CH3CH3CH2CHCH3CH3CH3CCH3CH3CH3熔点/℃-130-160-17CompanyLogo2.5.5折射率在一定的波长的光源和一定的温度条件下，折射率对确定的化合物是一个常数。2.5.3相对密度烷烃比水轻，其相对密度都小于12.5.4溶解度烷烃几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂CompanyLogo2.6烷烃的化学性质2.6.1自由基取代反应饱和烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应——取代反应。RH+XRX+HXX通过自由基取代H原子的反应——自由基取代反应。(1)卤化反应：在光、高温或催化剂作用下，烷烃、环烷烃(小环烷烃除外)，与卤素分子反应，生成卤代烷和卤化氢。烷烃卤素卤代烷卤化氢RH+X2hν或△RX+HXCompanyLogoCCHHHHHH+ClCl420C°CCHHHHHCl+HCl乙烷氯氯乙烷(78%)H+ClClhCl+HCl环戊烷环戊基氯(93%)工业上洗涤剂原料的合成：C12H26+Cl2120C°C12H25Cl+HCl十二烷氯十二烷CompanyLogo(2)卤化的反应机理反应机理是化学反应所经历的途径或过程。烷烃卤化反应是自由基反应的机理。光或热的作用下，氯分子发生均裂，分解为2个氯原子(自由基)。链的引发阶段：ClClh2Cl第一步氯分子的解离CompanyLogo链的增长阶段：第二步自由基与分子的反应Cl+HCH3ClH+CH3ClCl+CH3ClCH3+ClCl+HCH2ClClH+CH2Cl自由基分别与反应物分子和产物分子反应。ClCl+CH2ClClCH2Cl+ClCompanyLogo链的终止阶段:第三步自由基间的反应CH3Cl+ClCH3H3C+CH3H3CCH3Cl+ClClCl链反应：链的引发是慢步骤，是决定反应速率的一步。自由基一经引发，就会很快连续不断地反应下去。链反应按上述三个阶段进行。CompanyLogo(3)其他烷烃的卤化反应当卤分子同含有不同种类H原子的烷烃反应时，取代的位置不同。CH3CH2CH3+Cl2hCH3CH2CH2Cl+CH3CHCH3Cl丙烷1–氯丙烷(45%)2–氯丙烷(55%)异丁烷的一元氯化反应：CH3CHCH3CH3h25℃/Cl2CH3CHCH2ClCH3+CH3CCH3CH3Cl异丁烷异丁基氯(64%)叔丁基氯(36%)伯氢：9产率：64%叔氢：136%叔氢伯氢=64/936/1≈15氢被取代的反应活性比：CompanyLogo反应的取向与自由基的稳定性相关。CHHRCRHRCRRR自由基稳定性依次增大H原子被取代的次序：叔氢仲氢伯氢反应活性比5.03.51.0(4)反应活性与选择性卤素的反应活性次序：F2Cl2Br2I2CH3CHCH2CH2CH3+Br2h60℃CH3CH3CCH2CH2CH3+HBrCH3Br2–甲基戊烷2–甲基–2–溴戊烷(76%)CompanyLogo(3%)(97%)CH3CH2CH2CH3+Br2CH3CH2CH2CH2Br+CH3CH2CHCH3Br127Ch。CH3-CH-CH3+Br2CH3-CH-CH2Br+CH3-C-Br127Ch。CH3CH3CH3CH3(＞99%)(痕量)Why?CompanyLogo反应活性越大，其选择性越差。溴原子取代活性较大的氢原子，比取代活性较小的氢原子相对容易些。不同卤原子与不同氢原子反应的相对速率(以伯氢为标准)如下：以上的数据说明：烷烃卤化时，卤原子的选择性是I＞Br＞Cl＞FCompanyLogo2.6.2氧化反应烷烃和环烷烃在空气中可