第二章-烷烃

学习目标第二章烷烃掌握烷烃的通式、结构和命名熟悉烷烃的物理、化学性质了解烷烃的来源与用途烃——分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物。烷烃——分子中只有单键的烃。烃开链烃(脂肪烃)不饱和烃烯烃炔烃二烯烃环状烃脂环烃()``......芳香烃(CH3)......``饱和烃烷烃一、烷烃的结构第一节烷烃的结构、异构和命名1、正四面体构型（甲烷）键角109.5°契性透视式：实线表示处在纸平面上的价键，虚契性线表示处在纸面后的价键，实契性线表示处在纸面前的价键。电子云与原子轨道氢原子电子云•给氢原子核外运动电子拍照，并将照片叠加氢原子电子云•给氢原子拍照，并将10000张照片叠加电子云是一个形象的比喻，不是实质性的云雾，不能理解为由无数电子组成的云雾。应该指出，氢原子核外只有一个电子，也仍可以用电子云来描述，电子云表示电子出现的几率。单独一个小黑点没有任何意义。电子云所占据的立体空间，称为轨道。核外电子的运动状态n1234n电子层第一第二第三第四…轨道1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f…轨道数1条4条9条16条n2可容纳电子数2818322n2原子轨道能量高低规律：nsnpndnf1s2s3s4s2px=2py=2pzs原子轨道电子云轮廓图----原子轨道s原子轨道是球形对称的.p原子轨道是纺锤形的,每个p能级有3个原子轨道,它们相互垂直,分别以px,py,pZ表示。xyzxyzxyzP原子轨道原子的电子排布图↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑↑↑洪特规则泡利原理能量最低原理2、碳原子的SP3杂化（1）C原子基态时的核外电子排布：1S22S22P2（2）杂化轨道理论：C原子在成键时，能量相同或相近的原子轨道，可重新组合成新的轨道。新轨道同时具有混合前的各轨道成分，但又和原来的各轨道不同，称为杂化轨道。烷烃中C原子杂化过程2S2P2S2PSP3PxPyPz跃迁杂化基态时C：1S22S22Px12Py12Pz0激发态：SP3杂化轨道的特点能量相同，成分相等（1/4S轨道成分，3/4P轨道成分）杂化轨道的电子云分布更集中，使成键轨道间的重叠部分增大，成键能力增强SP3杂化轨道在空间尽量伸展，呈最稳定的正四面体型。3、σ键的形成和特点C-Hσ键：H原子的S轨道和C原子的一条SP3杂化轨道正面重叠所形成的键C-Cσ键：C原子两条SP3杂化轨道对称轴正面重叠所形成的键（1）σ键:沿轨道对称轴方向重叠而形成的共价键（2）σ键的特点:轨道重叠程度大，键比较牢固，成键电子云呈圆柱形对称头碰头重叠HHHHHHHHCsp3Csp3Csp3H1sσσ(s-sp3)(sp3-sp3)二、烷烃的通式和同系列烷烃的通式：CnH2n+2每增加一个C原子，必然增加两个H原子，相邻的两个烷烃在组成上相差一个CH2，CH2称为系差；通式----表示某一类化合物分子式的式子。结构相似、具有同一通式、在组成上相差一个或者几个系差的一系列化合物称为同系列;同系列中的各个化合物互称为同系物。三、烷烃的同分异构现象烷烃的同分异构现象是由于分子中C原子的排列方式不同而引起的，所以烷烃的同分异构又叫做构造异构。甲烷、乙烷、丙烷没有构造异构体丁烷有2种异构体；戊烷有3种异构体H3CCH3H3CH2CCH3H3CH2CH2CCH3H3CHCCH3CH3乙烷丙烷正丁烷异丁烷烷烃异构体的推导1、写出最长的碳链为直链2、写出少一个C原子的直链作为主链，剩余的一个C原子作为支链连在主链中可能位置3、写出少两个C原子的直链作为主链，剩余的两个C原子作为支链连在主链中可能位置，并以此类推4、最后补写上H原子主链有长到短支链由整到散位置由心都边主链有长到短支链由整到散位置由心到边CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC主链有长到短支链由整到散位置由心到边烷烃的同分异构体种类•CH41C8H1818•C2H61C9H2035•C3H81C10H2275•C4H102C15H324,347•C5H123C20H42366,319•C6H145C40H8262,491,178,805,831•C7H1691、C、H原子类型四、烷烃的命名H3CCCH3CH3CH2CHCH3CH3与一个碳原子相连的碳为一级碳原子（伯）；与二个碳原子相连的碳为二级碳原子（仲）；与三个碳原子相连的碳为三级碳原子（叔）；与四个碳原子相连的碳为四级碳原子（季）。1oH2oH3oH1oC2oC3oC4oC(伯)(仲)(叔)(季)按照C原子在分子中所处位置不同分：CH3CCH2CHCH3CH3CH3CH3CH3CHCH2CHCH2CCH3CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH3伯仲叔季2、普通命名法（习惯命名法）CCCCCCCCCCCCCCCCCCC正辛烷正十一烷适用于简单化合物。对直链烷烃，叫正某(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二)烷。例：注：有一个化合物的名称是例外情况，就是用来衡量汽油质量的异辛烷，它的构造式为：H3CHCCH3H2CCCH3CH3CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CH3CH3CCH2CH3CH3CH3CH3正己烷异己烷新己烷正：表示无支链，即直链烷烃异：表示在第二个碳上有一个甲基支链新：表示在第二个碳上有两个甲基支链3、烷基的命名烷基：烷分子中去掉一个H原子后剩余的部分称为烷基，通式：-CnH2n+1，-R表示CH3CH3CH2CH3CH2CH2H3CH3C甲基乙基正丙基异丙基正丁基二级(仲)丁基异丁基CH3CH2CH2CH2CHCH2H3CH3CCH3CH2CHCH34、系统命名法（1）直链烷烃的命名：与普通命名法基本相同，只是把“正”字去掉。CH3CH2CH2CH3普通命名法正丁烷系统命名法丁烷①选择最长的碳链作为主链（母体），支链作为取代基。按照主链中所含的C原子数目称为“某烷”。②给主链C原子编号，编号从靠近支链的一端开始③写出烷烃的名称：按照取代基的位次（阿拉伯数字表示）、相同基的数目（中文数字表示）、取代基的名称、母体名称的顺序，写出烷烃全称。阿拉伯数字间用“，”隔开，阿拉伯数字与文字之间用“-”隔开。(2)、支链烷烃的命名①当分子中含有两条以上相等的最长碳链时，应选择含支链最多的最长碳链作为主链（母体）②当碳链两端相应位置都有支链的时候，编号遵守最低序列规则，即：顺次逐项比较第二个、第三个…支链所在的位次，以位次最低者为最低序列③常见烷基排列见P21（“”表示“优先于”），写名称时将优先基团排在后面，靠近母体（3）特殊情况的处理甲基乙基丙基丁基戊基己基异戊基异丁基异丙基CH3CH2CCH2CH2CH3CH3CH31234563,3-二甲基己烷（3,3-Dimethylhexane）CH3CH2CHCHCH2CH2CH2CHCH2CH3CH3CH3CH33,4,8-三甲基癸烷（3,4,8-Trimethyldecane）CH3CH2CHCHCH2CHCH2CH3CH3CH3CH2CH3123456783,4-二甲基-6-乙基辛烷CH3CH2CH2CHCH2CHCH2CH3CH2CH3CH3876543215-甲基-3-乙基辛烷CH3CH2CH2CHCHCH2CH3CH3CH2CH376543213-甲基-4-乙基庚烷（4-Ethyl-3-methylheptane）（A）确定主链：链的长短（长的优先），侧链数目（多的优先),侧链位次大小（小的优先）。（B）编号：按最低系列原则编号。最低系列原则：使取代基的位置号码尽可能小。若有多个取代基，逐个比较，直至比出高底为止。（C）按命名的基本格式写出全名，取代基位置号+个数+名称。命名步骤小结CH3CHCH2CHCHCH3CH3CH3H3C6543212,3,51234562,4,5实例一2,3,5-三甲基己烷实例二CH3CH2CH2CHCHCHCHCH3CH2CH2CH3CH3CH3CH387654321123456786782,3,5-三甲基-4-丙基辛烷烷烃命名H3CH2CCH2CCH3H2CCH3CH2H3C3,3-二乙基戊烷H3CH2CCH2H2CCH2CCH2CH3CHH3CCH2CH3CH3H3CCHCH3CH2CCHCH3CH3CCH3CH3HCCH3CH3CH34-乙基-4-异丙基辛烷2，2，5，-三甲基-3,3-二异丙基己烷2,3—二甲基庚烷2,4—二甲基—4—乙基庚烷第二节烷烃的性质一、烷烃的物理质纯有机物的物理性质在一定条件下是不变的，其数值为一常数。可以利用物理常数来鉴别有机化合物或检验其纯度。在常温下，C1~C4的烷烃为气态；C5~C8的烷烃为液态；C17以上的烷烃为固体1、物态原因：相对分子量增大，分子间的范德华力增强，气化时所需的能量越多，沸点越高。随着支链的增加，空间阻力增大，分子间作用力越小，沸点就越低。2、沸点烷烃沸点的特点（1）沸点一般很低（非极性，只有色散力）。（2）随相对分子质量增大而增大（运动能量增大，范德华引力增大）。（3）相对分子质量相同、叉链多、沸点低（叉链多，分子不易接近）。烷烃的熔点亦随分子量的增加而有规律地增加：（1）总趋势是分子量增大，熔点升高。两条熔点曲线，偶碳数者熔点高，奇碳数者熔点低。3、熔点（2）烷烃的熔点变化除与分子量有关，还与分子的形状有关对于分子式相同的同分异构体：对称性越高，熔点越高；对称性越差，熔点越低。偶数碳奇数碳偶数碳例：正-C5H12(沸点36°C)异-C5H12(沸点28°C)新-C5H12(沸点9.5°C)CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH3m.p/oC-130-160-173、相对密度随分子量增大，烷烃的相对密度减小。同分异构体中，直链的相对密度比支链的大些4、溶解度不溶于水，易溶于有机溶剂如CCl4、C2H5OH等。原因：“相似相溶”，烷烃是非极性化合物。烷烃的密度均小于1（0.424-0.780)二、烷烃的化学性质1、取代反应（卤代反应）：有机化合物分子中的H原子被卤素原子取代的反应。RH+X2RX+HX(X=F、Cl2、Br2、I2)光照或加热化学性质：物质化学稳定性和能够发生的化学反应C12H26+Cl2C12H25Cl+HCl120℃实验证明：烷烃卤代反应是自由基反应，不同位置的H原子被取代的难易程度不同。烷烃中氢原子的活泼性顺序是：叔氢＞仲氢＞伯氢！25℃+Cl2+CH3CH2CH3光CH3CH2CH2ClCH3CHCH3Cl57%43%设伯氢的活泼性是1，仲氢的活泼性x，则有：x5762434624357x即仲氢的氯代反应活性是伯氢的4倍。25℃+Cl2+光36%64%CH3CHCH3CH3CH3CClCH3CH3CH2ClCHCH3CH336649xx?36964=5.06即叔氢原子的氯代反应活泼性是伯氢原子的5倍。所以，烷烃中氢原子的活泼性顺序是：叔氢＞仲氢＞伯氢！分子中引入或增加O原子的反应（1）完全氧化(燃烧)CnH2n+2+O2nCO2+（n+1）H2O3n+12点燃（2）控制氧化（部分氧化）CH4+O2HCHO+H2O工业上制甲醛NO600℃RCH2CH2RˊRCOOH+RˊCOOHO2催化剂，△2、氧化反应加氧去氢OHO钴催化剂150~160C，0.8~1MPa。+O2+环己醇环己酮环己烷•在有机化学中，判断氧化还原的方法•引进氧或脱去氢的反应叫做氧化反应•引进氢或脱去氧的反应叫做还原反应3、裂化反应烷烃在高温和无氧条件下，分子中的C-C键、C-H断裂，生成较小的分子的反应称为裂化反应。CH3CH2CH2CH3→CH4+CH2=CH2CH3CH2CH2CH3→CH3CH3+CH2=CH2CH3CH2CH2CH3→CH2=CHCH2CH3+H2①热裂化：5.0MPa,500～700℃,可提高汽油产量；②催化裂化：450～500℃，常压，硅酸铝催化，除断C—C键外还有异构化、环化、脱氢等反应，生成带有支链的烷、烯、芳烃，使汽油、柴油的产、质量