第二章：饱和脂肪烃(烷烃)

第二章饱和脂肪烃（烷烃）§2-1前言§2-2烷烃的通式、同系列、同系物和系差§2-3烷烃的同分异构现象§2-4碳原子和氢原子的类型§2-5命名§2-6烷烃的结构§2-7烷烃的物理性质§2-8烷烃的化学性质§2-9烷烃的来源§2-1前言烃火碳tanqing+氢+碳氢化合物ting+ting苯型芳香烃非苯型芳香烃脂肪烃芳香烃饱和烃—烷烃不饱和烃脂环烃烯烃炔烃链烃环烃烃的类别烷烃是指分子中碳原子之间仅以单键相连，碳剩下的其它价键都与氢结合（被氢完全饱和，故叫烷烃）的一类化合物。§2-2烷烃的通式、同系列、同系物和系差一、通式从上面几个烷烃分子式中我们发现它们的碳和氢原子的数目有一定的关系：n×(CH2)+2H，即CnH2n+2。这个式子可以代表所有的烷烃的分子式，我们将其称之为烷烃的通式。CH2CH2二、同系列凡是具有同一个通式，结构相似，化学性质也相似，物理性质则随碳原子数的增加而有规律地变化的化合物系列为同系列。三、同系物和系差同系物：同系列中的各个化合物互称为同系物。系差：相邻两同系物之间的组成差别。烷烃同系物的系差为CH2。§2-3烷烃的同分异构现象同分异构体:分子式相同，但结构不同的化合物互称同分异构体。这种现象称为同分异构现象。同分异构现象在有机化学中非常普遍。同样的，在烷烃中存在着大量的同分异构现象。甲烷、乙烷和丙烷任你怎样写都是一个结构，它们没有相应的异构体。但从丁烷开始就有异构现象。从丙烷可以导出二个丁烷：CH2正丁烷异丁烷从丁烷可以导出三个戊烷：这种由于分子中碳架不同而引起的同分异构现象称为碳架异构或叫碳链异构。CH3-CH2-CH2-CH3CH3-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-CH2-CH-CH3CH3CH3-CH-CH3CH3CH3-CH-CH3CH3CH3正戊烷异戊烷新戊烷随着碳原子数的增加，异构体的数目增加很快：C原子数67101325异构体数59758023679根据某一个碳原子上所连的碳原子的数目可将碳原子分为伯、仲、叔、季四类，分别用1°、2°、3°、4°表示，连在伯、仲、叔碳原子上的氢分别称为伯氢、仲氢和叔氢。§2-4碳原子和氢原子的类型伯(10)叔(30)仲(20)季(40)CH3―CH2―CH―C―CH3CH3CH3CH3§2-5命名有机化合物的命名法较多，一般有下面三种：俗名、普通命名法和系统命名法。俗名——根据来源或性质等命名，没有规律，只能硬记。HCOOH蚁酸CH2–CH–CH2OHOHOH甘油CH4沼气CH3CH2OH酒精一、普通命名法普通命名法又叫习惯命名法，其命名原则有以下两点：1.根据分子中的总碳数称为“某烷”，10个碳以下的烷烃分别用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，10个碳以上的烷烃用中文数字十一、十二、十三等表示;2.为区别异构体，对碳链异构体则以正、异、新，伯、仲、叔、季等形容词区分之；直链烷烃，在命名时，前面加“正”或“n”，第二个碳上有一个甲基（―CH3）的，命名时前面加“异”或“iso”，第二个碳上有二个甲基的，命名时前面加“新”或“neo”，例：CH3CH2CHCH3CH3CH3CCH3CH3CH3正戊烷或n-戊烷异戊烷或iso-戊烷新戊烷或neo-戊烷“新”只用于五或六个碳的烷烃CH3CH2CH2CH2CH3普通命名法的缺点它仅适用于结构比较简单的烷烃，不能命名结构复杂的其它烷烃，如：CH3CH2CH(CH3)CH2CH3CH3C(CH3)2CH(CH3)CH2CH3象这样的化合物只能用系统命名法来命名。二、系统命名法１．基、亚基、次基一个化合物，形式上去掉一个单价原子或基团，剩余的部分——基。H–CH3H–CH2–CH3CH3–CH2–CH3–CH3–C2H5–CH2–CH3–C3H7–CH(CH3)2CH2–CH甲基亚甲基次甲基CH3–CH2–CH2–CH3–CH–CH3乙基正丙基异丙基–H–H(10)–H(20)–H–H–HCH3–CH2–CH2–CH3–C4H9CH3–CH2–CH–CH3正丁基仲丁基–H(10)–H(20)CH3–CH–CH3CH3正丁烷异丁烷–H(10)–H(30)CH3–CH–CH2–CH3异丁基叔丁基CH3–CH=CH2丙烯基烯丙基CH3–C–CH3CH3CH2=CH2乙烯基CH3–CH=CH––H–CH2–CH=CH2–HCH3–C=CH2–H异丙烯基CH2=CH––H(1)某基：甲基(methyl)CH3-；乙基(ethyl)CH3CH2-；丙基CH3CH2CH2-(2)异某基：异丙基(CH3)2CH-；异丁基(CH3)2CHCH2-(3)仲某基：仲丁基CH3CH2CH(CH3)-(4)叔某基：叔丁基(CH3)3C-4个碳原子（1）直链烷烃（2）支链烷烃——看作直链烷烃的烷基衍生物己烷①选主链——最长碳链、C–C–C–C–C–CC2-甲基与普通命名法相似，去“正”字２．系统命名法的基本步骤和遵循原则2个支链3个支链4个支链支链烷烃命名步骤CH3CH2CHCH3CH2CH35个碳原子C–C–C–C–C–C–CCCC–C–CC连取代基多②编号——编小号，最先碰面，“最低系列编号”CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH324351C12345663+3+4=103+4+4=11绿色编号正确编号错误编号正确3,3,4-三甲基戊烷5-甲基-3-乙基戊烷若有相同编号，则小基团先编号3-甲基-4-乙基己烷“次序规则”4-丙基-8-异丙基十一烷654321顺序规则：（1）按第一原子的原子序数，由大到小排列，如：I＞Br＞Cl＞F＞O＞N＞C＞H“一大全大”（2）“同位素”原则：质量高的,顺序大。如：（3）第一原子相同时，依此类推。D＞H–C–HCH–C–HHH＞–CH2CH3＞–CH3＞–OH–C(CH3)3（4）重键相当于几个相同原子。如比较：―CCH―C(CH3)3―CH=CH2＞＞CH3–CH2–CH–CH–CH2–CH3CH–CH3CH3CH3–CHCH32,5-二甲基-3,4-二乙基己烷321456——“取代基位次”+“取代基个数及名称”+“母体名称”③命名——先小后大，位次和取代基名称之间要用“半字线”隔开。同基合并，位置用2，3……标出,取代基数目用二,三……标出，表示位置的数字间要用逗号隔开。小结：(1)选主链：最长碳链。取代基最多；(2)编号：a:从离支链最近的一端开始编号；b:“最低系列”规则(3)写出名称：a:支链烷基名称和位置写在前；b:小基团在前，大基团在后；c:相同基团合并，以汉字二、三、四等标明数目。注意：(1)数字与汉字间用“—”隔开，数字间用“，”分开；(2)“某基”和“某烷”之间不能用“—”隔开;(3)汉字二、三、四等不能用阿拉伯数字2,3,4等替换12358辛烷3-甲基-5-乙基母体名基名连字符读作：位取代基位次CH3CH3CH3CH3CH2CHCHCH2CH2CH212345674-甲基-3-乙基庚烷（）3-乙基-4-甲基庚烷（×）4-丙基-6-异丙基壬烷课堂习题：1.对下列烷烃进行命名3,3,5-三甲基庚烷2，4-二甲基-4-乙基已烷2.指出下列两化合物的命名不正确的地方并重新命名2，4-二甲基-6-乙基庚烷4-乙基-5,5-二甲基戊烷§2-6烷烃的结构一、甲烷的结构实验测定：①空间结构是正四面体，H–C–H键角都是109.50；②C–H键长都是0.110nm；4个H的位置完全相同。碳原子外层电子排布为：有2个未成对电子，应该是二价的，但碳原子实际上是四价的.提出sp3杂化理论１．sp3杂化由于2S轨道的能量与2p较接近,2S上的1个电子可以激发到2pz空轨道上.激发态的碳原子有4个单电子。xyzxyzHybridize键角109.5o.原子轨道：spsp3CSP3杂化碳原子基态电子排布：1s22s22px12py11s2s2p1s2s2p1s4sp3hybridatomicorbital1s22(sp3)12(sp3)12(sp3)12(sp3)11s22s12px12py12pz1激发态电子排布：杂化态电子排布：109.5o２．甲烷的形成与结构正四面体结构头碰头重叠形成s键比例模型棍球模型３．结构式的书写用正常粗细的线表示在纸平面上，实楔形线表示伸出纸面向前，虚楔形线表示在纸面的后面。用正常粗细的线表示在纸平面上，粗线表示伸出纸面向前，虚纸表示在纸面的后面。HHHHCCHHHH二、乙烷的结构S-SP3σ键SP3-SP3σ键所有饱和烃中的碳都是SP3杂化，乙烷中的二个碳也都是SP3杂化，形成SP3-SP3σ键，其余SP3杂化轨道都与H的1S轨道重叠，１．乙烷的构造２．乙烷的构型C-Cs-键乙烷分子中原子轨道重叠示意图C-Hs-键乙烷的凯库勒模型斯陶特模型乙烷分子的形成头碰头重叠形成C－Cσ键σ键:旋转不影响轨道重叠程度，即σ键可沿键轴“自由”转动；重叠程度大,稳定性高;键的极化度小。三、构象异构因C—C单键旋转，使分子中原子或基团在空间产生不同的排列形象称为构象。每一种空间排列形象就是一种构象,因构象不同而产生的异构现象称为构象异构。由单键旋转而产生的异构体称为构象异构体。单键旋转会产生无数个构象１．乙烷的构象乙烷极限构象的表示方法锯架式(透视式)交叉式重叠式Newman投影式60°0°ＨＨＨ视角：从C—C键轴斜方450角视角：平行于C—C键轴600600227289249306构象的能量分析一些原子或基团的范德华半径(pm)HCNOClCH3120150150140180200乙烷的重叠式内能最高，最不稳定，而交叉式内能最低，最为稳定。这种构象称为优势构象。乙烷不同构象的能量曲线图２．丁烷的构象HCH3HHHCH3HCH3HHHCH3ⅠⅡⅢⅣⅤⅥCH3–CH2–CH2–CH3全重叠式邻位交叉式部分重叠式对位交叉式优势构象HHHHCH3HCH3HHHCH3CH3HHCH3HHHCH3HHH3CHHHCH3大基团彼此相距越远越稳定对位交叉式约占70%，邻位交叉式约占30%，丁烷不同构象的能量曲线图当正烷烃碳原子数增加时，尽管构象也随之更复杂，但仍然主要以对位交叉式构象状态存在。所以直链烷烃绝大多数是锯齿形的。如正戊烷主要以第1种构象形式存在，第3种为全重叠构象，最不稳定。§2-7烷烃的物理性质1．状态：室温下，碳原子数：1—4气态；5—17液态；18以上固态。2.沸点（b.p沸点——物质蒸汽压等于外压(0.1Mpa)时的温度。①是鉴定有机物的依据；②体现同系物的变化规律。①随含C数↑，有规律地↑；②同分异构体中，有支链者沸点低；支链越多，沸点越低。解释：①烷烃是非极性分子，分子间作用力—色散力。②色散力与分子质量成正比。③支链增多，分子不易彼此靠近。(甲)-161.7℃；(乙)-88.6℃(戊)36.1℃；(己)68.7℃(异戊烷)29.9℃(新戊烷)新9.5℃b.p.含C数3.熔点(m.p.)——规则的晶体排列被破坏时的温度①总趋势是C数↑，m.p↑。但偶奇数各循一条变化轨迹，偶数较高。②甲烷特高。③支链较小，对称特高。解释：除分子间引力外，分子对称性越高，晶格能越大，m.p越高；对称性越差，晶格能越小，m.p越低。m.p.含C数.......正戊烷m.p.–129.70C异戊烷m.p.–159.90C新戊烷m.p.–16.60C随C↑，烷烃的相对密度↑，最后接近于0.8。原因:分子量↑，分子间力↑，分子间相对距离↓，最后趋于一极限。(d≤0.8)不溶于水，易溶于有机溶剂如CCl4、(C2H5)2O、C2H5OH等。原因：“相似相溶”，烷烃极性小。三、相对密度四、溶解度§2-8烷烃的化学性质结构是决定性质的内在因素；同系物结构相似，因而化学性质也基本相似。相对于其他有机物来说，烷烃未含官能团而具有较大的稳定性，一般情况下，烷烃和大多数试剂都不发生反应。•烷烃分子中只有碳－碳，碳－氢s-键，故十分稳定•碳－氢键的极性小，不易发生异裂，一般发生均裂烷烃的化学性质一、卤代反应二、氧化反应一、烷烃的氯代反应１．甲烷的氯代反应反应条件