高四2章_飽和烴.ppt

1、第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.1烷烴和環(huán)烷烴的通式和構造異構,2.2烷烴和環(huán)烷烴的命名,2.3烷烴和環(huán)烷烴的結構,2.4烷烴和環(huán)烷烴的構象,2.5烷烴和環(huán)烷烴的物理性質,2.6烷烴和環(huán)烷烴的化學性質,2.7烷烴和環(huán)烷烴的主要來源和制法,第二章 目 錄,烴：“火”代表碳，“ ”代表氫，所以“烴”的含義就是碳和氫。 烴分子中只含有碳和氫兩種元素的有機化合物。 烷烴碳原子完全被氫原子所飽和的烴。 烴是有機化合物的母體。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.1 烷烴和環(huán)烷烴的通式和構造異構,烷烴的通式為CnH2n+2 。,2.1.1烷烴和環(huán)烷烴的通式,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,環(huán)烷烴的通式為Cn

2、H2n,通式-表示某一類化合物分子式的式子。 同系列-結構相似，而在組成上相差CH2的整數倍的 一系列化合物。 同系物-同系列中的各個化合物叫做同系物。 同系物化學性質相似，物理性質隨分子量增加而有規(guī)律地變化。 舉例：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷均屬烷烴系列。 環(huán)丙烷、環(huán)丁烷、環(huán)戊烷均屬環(huán)烷烴系列。 乙酸、丙酸、月桂酸、硬脂酸均屬脂肪酸系列。,烷烴和環(huán)烷烴的通式和構造異構,2.1.2 烷烴和環(huán)烷烴的構造異構,這兩種不同的丁烷,具有相同的分子式和不同的結構式，互為同分異構體。 同分異構體分子式相同，結構式不同的化合物。 同分異構現象分子式相同，結構式不同的現象。,丙烷中的一個氫原子被甲基取代，可得到兩

3、種不同的丁烷：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,烷烴和環(huán)烷烴分子中，隨著碳原子數增加，同分異構體迅速增加。 舉例(同分異構體的寫法)：,C6H14：,烷烴和環(huán)烷烴的構造異構,C7H16有9個同分異構體：,C10H22可寫出75個異構體； C20H42可寫出366319個異構體。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,C5H10(環(huán)烷烴)有5個異構體：,C6H12(環(huán)烷烴)有12個異構體 !,同分異構現象是造成有機化合物數量龐大的重要原因之一。,烷烴和環(huán)烷烴的構造異構,2.2 烷烴和環(huán)烷烴的命名,2.2.1 伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氫,2.2.2 烷基和環(huán)烷基,2.2.3 烷烴的命名,2.2.4 環(huán)烷

4、烴的命名,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.2 烷烴的命名,與三個氫原子相連的碳原子,叫伯碳原子(第一碳原子、一級碳原子),用1表示 與二個氫原子相連的碳原子,叫仲碳原子(第二碳原子、二級碳原子),用2表示 與一個氫原子相連的碳原子,叫叔碳原子(第三碳原子、三級碳原子),用3表示 與四個碳原子相連的碳原子,叫季碳原子(第四碳原子、四級碳原子),用4表示,烷烴和環(huán)烷烴的命名,2.2.1 伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氫,連在伯碳上氫原子叫伯氫原子(一級氫，1H) 連在仲碳上氫原子叫仲氫原子(二級氫，2H) 連在叔碳上氫原子叫叔氫原子(三級氫，3H),第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,烷烴分子從形式上去

5、掉一個氫原子所剩下的基團叫做烷基，用R表示。 如：,2.2.2 烷基和環(huán)烷基,烷烴和環(huán)烷烴的命名,烷烴分子從形式上去掉兩個氫原子所剩下的基團叫做亞烷基。例如：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.2.3 烷烴的命名,(1) 普通命名法 普通命名法亦稱為習慣命名法，適用于簡單化合物。 對直鏈烷烴，叫正某(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸、十一、十二)烷。例：,對有支鏈的烷烴：有 結構片斷者叫異某烷； 有 結構片斷者叫新某烷。例：,烷烴和環(huán)烷烴的命名,(2) 衍生物命名法,衍生物命名法適用于簡單化合物。 衍生物命名法是以甲烷為母體，選擇取代基最多的碳為母體碳原子。 例如:,第二章 飽和烴:烷烴

6、和環(huán)烷烴,(3) 系統命名法,b. 有支鏈時： 取最長碳鏈為主鏈,對主鏈上的碳原子標號。從距離取代基最近的一端開始編號,用阿拉伯數字表示位次。如：,烷烴和環(huán)烷烴的命名,a. 直鏈烷烴： 與普通命名法相似,省略“正”字。如:,c. 多支鏈時： 合并相同的取代基。用漢字一、二、三表示取代基的個數，用阿拉伯數字1,2,3表示取代基的位次，按官能團大小次序(小的在前,大的在后)命名。例如：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,d. 其它情況,ii. 在保證從距離取代基最近一端開始編號的前提下，盡量使取代基的位次和最小。例：,i. 含多個長度相同的碳鏈時，選取代基最多的鏈為主鏈：,烷烴和環(huán)烷烴的命名,e. 復

7、雜情況（不常見，不常用）,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.2.4 環(huán)烷烴的命名,(1) 單環(huán)環(huán)烷烴,烷烴和環(huán)烷烴的命名,(2) 二環(huán)環(huán)烷烴,分子中含有兩個碳環(huán)的是雙環(huán)化合物。,兩環(huán)共用一個碳原子雙環(huán)化合物的叫做螺環(huán)化合物； 兩環(huán)共用兩個或更多個碳原子的叫做橋環(huán)化合物。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,(A) 橋環(huán)烷烴的命名,固定格式：雙環(huán)a.b.c某烷 (abc) 先找橋頭碳（兩環(huán)共用的碳原子），從橋頭碳開始編號。沿大環(huán)編到另一個橋頭碳，再從該橋頭碳沿著次大環(huán)繼續(xù)編號。分子中含有雙鍵或取代基時，用阿拉伯數字表示其位次：,烷烴和環(huán)烷烴的命名,(乙) 螺環(huán)烷烴的命名,固定格式：螺a.b某烷 (ab

8、) 先找螺原子，編號從與螺原子相連的碳開始，沿小環(huán)編到大環(huán)。例：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.3 烷烴和環(huán)烷烴的結構,2.3.1 鍵的形成及其特性,2.3.2 環(huán)烷烴的結構與環(huán)的穩(wěn)定性,飽和烴的結構,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.3 烷烴和環(huán)烷烴的結構,2.3.1 鍵的形成及其特性,實驗事實： CH2性質極不穩(wěn)定，非?；顫?，有形成4價化合物的傾向； CO也很活潑，具有還原性，易被氧化成4價的CO2，而CH4和CO2的性質都比較穩(wěn)定； CH4中的4個C-H鍵完全相同。 即： 碳有形成4價化合物的趨勢，在絕大多數有機物中，碳都是4價。,兩個成單電子， 呈2價？,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷

9、烴,對實驗事實的解釋：,sp3軌道具有更強的成鍵能力和更大的方向性。 4個sp3雜化軌道間取最大的空間距離為正四面體構型，鍵角為109.5(動畫，sp3雜化碳)。 構型原子在空間的排列方式。 四個軌道完全相同。,雜化的結果：,鍵的形成及其特性, CH4中的4個雜化軌道為四面體構型(sp3雜化) H原子只能從四面體的四個頂點進行重疊(因為頂點方向電子云密度最大),形成4個sp3-s鍵。 （動畫）,鍵電子云圍繞兩核間連線呈圓柱體的軸對稱,可自由旋轉。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,由于sp3雜化碳的軌道夾角是109.5，所以烷烴中的碳鏈是鋸齒形的而不是直線。,乙烷、丙烷、丁烷中的碳原子也都采取sp

10、3雜化：,丁烷,鍵的形成及其特性,鍵的特點：, 鍵電子云重疊程度大，鍵能大，不易斷裂； 鍵可自由旋轉(成鍵原子繞鍵軸的相對旋轉不改變電子云的 形狀)； 兩核間不能有兩個或兩個以上的 鍵。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,燃燒熱-1mol化合物完全燃燒生成二氧化碳和水所放出的熱量。 燃燒熱的大小可以反映分子能量的高低。 開鏈烷烴中每個CH2的燃燒熱(Hc/n)/KJmol-1平均為658.6KJ/mol。 環(huán)烷烴：環(huán)越小，每個CH2的燃燒熱越大，說明環(huán)越小，環(huán)張力越大。,2.3.2 環(huán)烷烴的結構與環(huán)的穩(wěn)定性,環(huán)烷烴的結構與環(huán)的穩(wěn)定性,一些環(huán)烷烴的燃燒熱如下所示：,環(huán)烷烴的環(huán)張力越大，表明分子的能量

11、越高，穩(wěn)定性越差，越容易開環(huán)加成。 為什么環(huán)的穩(wěn)定性順序有：環(huán)丙烷環(huán)丁烷環(huán)戊烷環(huán)己烷？ 結構所致！!,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,環(huán)丙烷的結構：,物理方法測得，環(huán)丙烷分子中三個碳原子共平面。 顯然，環(huán)丙烷中沒有正常的CC鍵，而是形成“彎曲鍵”：,環(huán)烷烴的結構與環(huán)的穩(wěn)定性,由于環(huán)丙烷分子中的CC鍵不是沿軌道對稱軸實現頭對頭的最大重疊，而重疊較少，張力較大，具有較高的能量。 根據結構與性能的關系，環(huán)丙烷的化學性質應該活潑，容易開環(huán)加成。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,環(huán)丁烷的結構：,C：sp3雜化， 軌道夾角109.5 若四個碳形成正四邊形，內角應為90 角張力：109.59019.5 109.

12、56049.5 環(huán)丁烷中的CC鍵也是“彎曲鍵”，但彎曲程度較小。 環(huán)丁烷較環(huán)丙烷穩(wěn)定，但仍有相當大的張力，屬不穩(wěn)定環(huán)，比較容易開環(huán)加成。,事實上，環(huán)丁烷中四個碳原子不共平面，這樣可使部分張力得以緩解。(動畫),環(huán)烷烴的結構與環(huán)的穩(wěn)定性,環(huán)戊烷的結構：,C：sp3雜化， 軌道夾角109.5 正五邊形內角為108 角張力：109.51081.5 可見，環(huán)戊烷分子中幾乎沒有什么角張力，故五元環(huán)比較穩(wěn)定，不易開環(huán)，環(huán)戊烷的性質與開鏈烷烴相似。,事實上，環(huán)戊烷分子中的五個碳原子亦不共平面，而是以“信封式”構象存在，使五元環(huán)的環(huán)張力可進一步得到緩解。 (動畫),第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.4 烷烴和

13、環(huán)烷烴的構象,2.4.1 乙烷的構象,2.4.2 丁烷的構象,2.4.3 環(huán)己烷的構象,飽和烴的構象,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.4.1 乙烷的構象,構象由于圍繞C-C單鍵旋轉而產生的分子中各原子或原子團在空間的排列方式。 例如：乙烷的構象(動畫) 常用Newman投影式 表示烷烴的構象。,2.4 烷烴和環(huán)烷烴的構象,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,Newman投影式的寫法：,(1). 從C-C單鍵的延線上觀察： 前碳 后碳,(2). 固定“前”碳，將“后”碳沿鍵軸旋轉，得到乙烷的各種構象。 最典型的有兩種：重疊式和交叉式。,乙烷的構象,重疊式:,注意： 室溫下不能將乙烷的兩種構象分離，因

14、單鍵旋轉能壘很低(12.6KJ/mol),交叉式:,能量高，不穩(wěn)定(因非鍵張力大)，一般含0.5%,非鍵張力小，能量低，穩(wěn)定。一般含99.5%,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,以能量為縱坐標，以單鍵的旋轉角度為橫坐標作圖，乙烷的能量變換曲線如下：,乙烷的構象,2.4.2 丁烷的構象,丁烷有下列四種典型構象：,動畫(丁烷的構象),注意：常溫下，丁烷主要是以對位交叉式存在，全重疊式實際上不存在。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,丁烷的能量圖如下：,丁烷的構象,2.4.3 環(huán)己烷的構象,環(huán)己烷分子中的六個碳不共平面，且六元環(huán)是無張力環(huán)，鍵角為109.5。 環(huán)己烷有兩種典型構象(動畫，船式與椅式的翻轉)：

15、,兩種構象通過C-C單鍵的旋轉，可相互轉變； 室溫下，環(huán)己烷主要在椅型構象存在(99.9%以上)。 為什么椅型構象穩(wěn)定?,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,椅型構象：(動畫),所有兩個相鄰的碳原子的碳氫鍵都處于交叉式位置； 所有環(huán)上氫原子間距離都相距較遠，無非鍵張力。,船型構象：(動畫),C2-C3及C5-C6間的碳氫鍵處于重疊式位置； 船頭和船尾上的兩個碳氫鍵向內伸展，相距較近，比較擁擠，存在非鍵張力。 我們重點掌握椅型構象。,環(huán)己烷的構象,椅式構象的特點,六個碳原子分布在相互平行的兩個平面上(上三，下三)： 十二個碳氫鍵分為兩種類型：a鍵(直立鍵)和e鍵(平伏鍵)，每個碳原子上都有一個a鍵和和

16、一個e鍵：,由一種椅型構象可翻轉為另一種椅象(動畫)。同時，a、e 鍵互換：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,環(huán)上有取代基時，e鍵取代比a鍵取代更穩(wěn)定。(動畫),環(huán)己烷的構象,例：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.5 烷烴和環(huán)烷烴的物理性質,2.5.1 沸點,2.5.2 熔點,2.5.3 相對密度,2.5.4 溶解度,2.5.5 折射率,烷烴的物理性質,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.5 烷烴的物理性質,2.5.1 沸點 沸點化合物的蒸汽壓等于外壓(0.1Mpa)時的溫度。 烷烴的b.p隨分子量的而有規(guī)律地：(P47圖2-17),第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,每增加一個CH2，b.p的升高值

17、隨分子量的增加而減小。例： CH4 b.p -162C C2H6 b.p -88C (沸差為74C) C14H30 b.p251C C15H32 b.p268C (沸差為17C) 原因： 分子間色散力(瞬間偶極間的吸引力)與分子中原子的大小和數目成正比，分子量，色散力，因而b.p。 正構者b.p高。支鏈越多，沸點越低。 例： n- C5H12 (b.p 36C) i- C5H12 (b.p 28C) 新- C5H12:( b.p 9.5C) 原因：支鏈多的烷烴體積松散，分子間距離大，色散力小。,烷烴的物理性質,烷烴在結晶狀態(tài)時，碳原子排列很有規(guī)律，碳鏈為鋸齒形：,分子間距離松散，分子間力小，晶

18、格能低,分子間距離緊湊，分子間力大，晶格能高,原因：,分子動能能夠克服晶格能時，晶體便可熔化。 烷烴的m.p亦隨分子量的增加而有規(guī)律地增加： 總趨勢是分子量，m.p。 但仔細觀察:兩條熔點曲線，偶碳數者m.p 高， 奇碳數者m.p低。(P48圖2-18),2.5.2 熔點,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴, 烷烴的熔點變化除與分子量有關，還與分子的形狀有關。 對于分子式相同的同分異構體： 對稱性越高，晶格能越大，m.p越高； 對稱性越差，晶格能越小，m.p越低。,例如：,烷烴的物理性質,2.5.3 相對密度 隨分子量，烷烴的相對密度，最后接近于 0.8(d0.8) 原因:分子量，分子間力，分子間相

19、對距離，最后趨于一極限。 2.5.4 溶解度 不溶于水，易溶于有機溶劑如CCl4、(C2H5)2O、C2H5OH等。 原因：“相似相溶”，烷烴是非極性化合物。 2.5.5 折射率 折射率反映了分子中電子被光極化的程度，折射率越大，表示分子被極化程度越大。 正構烷烴中，隨著碳鏈長度增加，折射率增大。(P45表2-3),第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.6 烷烴和環(huán)烷烴的化學性質,2.6.1 自由基取代反應,2.6.2 氧化反應,2.6.3 異構反應,2.6.4 裂化反應,2.6.5 小環(huán)環(huán)烷烴的加成反應,烷烴的化學性質,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,(1) 鹵化反應

20、,(2) 鹵化反應的機理,(4) 反應活性與選擇性,(3) 鹵化反應的取向與自由基的穩(wěn)定性,2.6.1 自由基取代反應,烷烴和環(huán)烷烴的化學性質,2.6 烷烴和環(huán)烷烴的化學性質,烷烴和環(huán)烷烴分子中的C-C、C-H都是鍵 ，極性小，鍵能大，因而烷烴和環(huán)烷烴的化學性質穩(wěn)定。 室溫下，烷烴和環(huán)烷烴(除三元、四元環(huán)烷烴)不與強酸、強堿、強還原劑(Zn+HCl、 Na+C2H5OH)、強氧化劑(KMnO4、K2Cr2O7)起反應或反應很慢。 但高溫、高壓、光照或有催化劑存在時(除三元、四元環(huán)烷烴) ，烷烴和環(huán)烷烴可發(fā)生一些化學反應。這些反應在石油化工占有重要的地位。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.6.

21、1 取代反應,(1) 鹵化反應 在光、熱或催化劑的作用下，烷烴和環(huán)烷烴(小環(huán)環(huán)烷烴除外)分子中的氫原子被鹵原子取代，生成烴的鹵素衍生物和鹵化氫。 例：,烷烴和環(huán)烷烴的自由基取代反應,高碳烷烴的氯代反應在工業(yè)上有重要的應用。例如：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,根據反應事實，對反應做出的詳細描述和理論解釋叫做反應機理。 研究反應機理的目的是認清反應的本質，掌握反應的規(guī)律，從而達到控制和利用反應的目的。 反應機理是根據大量反應事實做出的理論推導，是一種假說。對某一個反應可能提出不同的機理，其中能夠最恰當地說明實驗事實的，被認為是最可信的，而那些與實驗事實不太相符的機理則需要進行修正或補充。因此，反

22、應機理是在不斷發(fā)展的。 此外，并不是對所有的反應目前都能提出明確的反應機理。但烷烴的鹵代反應機理是比較清楚的。,(2) 鹵化反應的機理,烷烴和環(huán)烷烴的自由基取代反應,以甲烷氯代反應為例：,加熱或光照下進行，一經開始便可自動進行； 產物中有少量乙烷； 少量氧的存在會推遲反應的進行。 以上實驗事實，說明該反應是一自由基反應! 自由基反應大多可被光照、高溫、過氧化物所催化，一般在氣相或非極性溶劑中進行。 烷烴的氧化和裂化都是自由基反應。,實驗事實,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,甲烷氯代反應歷程如下：,鏈引發(fā)的特點是只產生自由基不消耗自由基。, 鏈增長的特點是：消耗一個自由基的同時產生另一個自由基。,

23、烷烴和環(huán)烷烴的自由基取代反應,鏈終止的特點是只消耗自由基而不再產生自由基。,只有在大量甲烷存在時才能得到一氯甲烷為主的產物。當CH3Cl達到一定濃度時，Cl可與之反應，生成CH2Cl2，進而有CHCl3、CCl4生成。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,(3) 鹵化反應的取向與自由基的穩(wěn)定,丙烷的氯代反應如下：,丙烷中，伯氫仲氫 = 62 ，那么正丙基氯應為異丙基氯的三倍，其實不然! 顯然仲氫比伯氫活潑。, ,烷烴和環(huán)烷烴的自由基取代反應,設伯氫的活潑性是1，仲氫的活潑性x，則有：,即仲氫的氯代反應活性是伯氫的4倍。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,即叔氫原子的氯代反應活潑性是伯氫原子的5倍。,異丁

24、烷的氯代反應如下：,所以，烷烴中氫原子的活潑性順序是：叔氫仲氫伯氫！,烷烴和環(huán)烷烴的自由基取代反應,伯、仲、叔氫的活性不同，與C-H鍵的解離能有關。鍵的解離能越小，其均裂時吸收的能量越少，因此也就容易被取代。有關鍵的解離能如下：,上述解離能數據說明： 形成自由基所需能量：CH3123自由基 自由基的穩(wěn)定性順序：321 CH3,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,自由基反應過程中生成的自由基中間體越穩(wěn)定，則相應的過渡態(tài)能量越低，反應所需的活化能越小，反應越容易進行。 丙烷氯代時，形成的(CH3)2CH(二級自由基)比CH3CH2CH2(一級自由基)穩(wěn)定，過渡態(tài)II的能量也比過渡態(tài)I的能量低，因此，途經

25、(CH3)2CH的反應速度也較快，產物中(CH3)2CHCl也較多。,烷烴和環(huán)烷烴的自由基取代反應,所以：,同理：,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,(4) 反應活性與選擇性,不同鹵素與烷烴進行鹵化反應的活性順序為：,烷烴的溴代反應較氯代反應放熱少、速率慢、選擇性高：,Why?,烷烴和環(huán)烷烴的自由基取代反應,反應活性越大，其選擇性越差。溴原子取代活性較大的氫原子，比取代活性較小的氫原子相對容易些。 不同鹵原子與不同氫原子反應的相對速率(以伯氫為標準)如下：,以上的數據說明： 烷烴鹵化時，鹵原子的選擇性是I Br Cl F。,第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,2.6.2 氧化反應,(1) 完全氧化反應,烷烴和環(huán)烷烴的化學性質,(2) 部分氧化反應,C10C20的脂肪酸可代替天然油脂制肥皂。,(重要的化工原料),第二章 飽和烴:烷烴和環(huán)烷烴,利用