有機化學 2烷烴.ppt

1、第二章烷烴(alkane )，教學目的：掌握烷烴的命名和同分異構現(xiàn)象的烷烴結構和構象物理化學性質烷烴鹵化的自由基反應機制及各種自由基的相對穩(wěn)定性。 教育重點：鏈烷的系統(tǒng)命名、鏈烷的化學性質和鏈烷鹵化反應的歷史。 教育難點：烷烴鹵化反應的歷史；烷烴的構象、透視式和紐曼投影式的寫法。2-1鏈烷的通式、同系列和結構異構2-2鏈烷的命名法2-3鏈烷的結構2-4鏈烷的結構2-5鏈烷的物理性質2-6鏈烷的化學性質、組成上僅含有碳和氫兩種元素的化合物也稱為烴化合物。 脂肪族烴分子中僅含有C-C單鍵和C-H鍵的分子稱為烷烴。 通式為CnH2n 2。 根據(jù)烴分子中碳原子間的連接方式，在2-1鏈烷烴的通式、同系列

2、和結構異構、1、鏈烷烴的通式和同系列2、鏈烷烴的同分異構現(xiàn)象、1、鏈烷烴的通式和同系列、表2-1一部分鏈烷烴的名稱和分子式、鏈烷烴的一系列化合物中，鏈烷烴通式： CnH2n 2 CH2稱為同系列差。 具有相同通式、組成僅CH2或其整數(shù)倍不同的一系列化合物稱為同系列。 同系物具有相似的化學性質，其物理性質(如沸點、熔點、相對密度、溶解度等)一般隨著相對分子質量的變化而呈規(guī)律變化。 二、烷烴的同分異構化現(xiàn)象、同分異構化現(xiàn)象：分子式相同的化合物稱為同分異構體(簡稱異構體)。 這種現(xiàn)象稱為同源現(xiàn)象。 同分異構體有碳鏈異構體、位置異構體、官能團異構體、顯示差異構體、旋光異構體等。 丁烷中出現(xiàn)同質、h、h

3、、同質的現(xiàn)象是有機化合物中存在的普遍現(xiàn)象。 隨著化合物分子中含有的碳原子數(shù)的增加，同質氣體的數(shù)量也增多。 表2-2的鏈烷烴異構體的數(shù)量，例如戊烷C5H12，通過逐步縮短已知分子式的鏈烷烴中有多少異構體的碳鏈的方法，導出異構體的數(shù)量及其結構式。2-2鏈烷的命名法、一、一級、二級、三級及四級碳原子二、烷基三、鏈烷的命名、一、一級、二級、三級及四級碳原子，將與一個碳原子直接相連的稱為一級(或一級)碳原子，可以用1表示的兩個碳原子直接連接可以用2表示的被稱為與3個碳原子直接連接的3級(或3級)碳原子，可以用3表示的被稱為與4個碳原子直接連接的四級(或四級)碳原子，用4表示。1級、2級、3級、4級表示鏈

4、或碳原子不同取代程度的形容詞：上述4種碳原子中，4級碳原子以外的全部氫原子連接。 因此，將分別與1級、2級、3級碳原子結合的氫原子稱為1級、2級、3級氫原子，不同類型的氫原子的反應性能存在一定的差異。 C=1 H 1 C=2 H 2 C=3 H 3 C=4、二、烷基、烷烴分子從形狀中除去一個氫原子后剩馀的原子團稱為烷基。 在這里，“基”有價格的意思。 烷基的通式為CnH2n 1，常用r表示烷基。 烷基的名稱從對應的烷烴中得到。 三、烷烴的命名、1 .普通命名法：以烷烴為母體，10個碳原子以下用“天干”甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，為了區(qū)別10個以上用數(shù)字表示的異構體，用“正”、“

5、異”、“新”。 例如，ch3c h2ch2ch3n -己烷(n-hexane )是測量汽油質量的標準物質異辛烷的例外，因為其名稱每天都使用，所以已經(jīng)習慣。 一般的命名方法很簡單。 但是，只適用于結構比較簡單的烷烴。 對于比較復雜的烷烴必須使用系統(tǒng)命名法。 2 .衍生物命名法以甲烷為母體，其他烷烴視為甲烷氫原子被烷基取代的化合物。通常選擇烷基連接最多的碳原子作為母體甲烷。 例如，二甲基仲丁基甲烷，*3.系統(tǒng)命名法是根據(jù)國際純粹應用化學聯(lián)合會(internationalunionofpureandappliedchemistry簡稱為IUPAC )簡稱為IUPAC命名法的命名原子，是中國的順式命名

6、法(*命名原則：1234567、2，5 -二甲基- 3，4 -二乙基己烷、2，3，5 -三甲基-4-丙基庚烷、2，3 -二甲基-4以外的“最低系列”是從碳鏈不同的方向編號，將兩個以上的不同編號例如，2，7，8 -三甲基癸烷3，4，9 -三甲基癸烷、123456，75431、(3)主鏈上存在幾種取代基時，按照“順序規(guī)則”，將優(yōu)異的基單原子取代基按原子序號從大到小排列，原子序號從大到小，原子序號從小到大： 如果兩個多原子基的第一個原子相同，比較與其相連的其他原子時，按原子序號排列，第一個比較最大的，還是相同的，然后按順序比較中央的，最小的。 例如，-CH2C1和-CHF2中的-CH2C1大小和-C

7、HF2大小。 含有雙鍵或叁鍵的基團被認為是同一原子連續(xù)2個或3個。 名稱的寫法：“取代基順序”“取代基名稱”“母體名稱”補充說明： (1)結合相同的分支鏈，在阿拉伯數(shù)字之間加上逗號“，”，在阿拉伯數(shù)字和漢字之間加上短線“-”。 (2)多個分支鏈的表記順序：“順序規(guī)則”從小到大。 (3)取代基過于復雜，用大括號括起來寫在位次之后。小結節(jié)：*開殘奧翅命名原則：以側鏈最多的最長碳鏈為主鏈，主鏈以最低的系列原則編號，按順序規(guī)定側鏈順序。 例1、(1)、(2)、(3)、2，2 -二甲基戊烷、3-甲基-4-乙基己烷、2，5，6 -三甲基辛烷，用系統(tǒng)命名法命名，2-3烷烴的配置，一、碳原子的四面體概念及分子

8、模型二、碳原子的sp3混合物三、堿2、碳正四面體的概念：范霍夫和水平同時提出碳正四面體的概念。 他們根據(jù)許多實證材料認為，碳原子相連的4個原子或原子團不是在一個平面上，而是在空間上分布在四面體上。 碳原子位于四面體的中心，4個原子或原子團位于四面體的頂點。 從碳原子到4個頂點的結是碳的4個價鍵的分布。 甲烷分子的配置是正四面體。 現(xiàn)代物理實驗方法測定結果內容充實，4個碳氫鍵鍵長均為0.109nm，鍵角為10928。 將甲烷的分子模型、甲烷的正四面體配置、甲烷克拉爾模型、甲烷斯特模型、二、碳原子的sp3混合、重新組合到新軌道的過程稱為混合。 將一個s軌道和三個p軌道混合而形成的4個能量相等的新軌

9、道稱為sp3軌道，將該混合方式稱為sp3混合。圖sp3軌道模式圖、4個sp3雜交軌道、三、鏈烷分子的形成、1 .鍵的形成：原子軌道以對頭的方式重合而形成的共價鍵稱為鍵。 其特征是在結合軸方向上最大限度地重疊，所形成的價鍵比較穩(wěn)定，結合的2個原子以可以結合的軸為軸相對旋轉。 原子軌道像“頭頂”一樣重疊形成鍵，鍵是以鍵軸為對稱軸的鍵。 結合時軌道的交叉程度大。 鑰匙比較牢固。 鑰匙上的電子叫電子。乙烷分子結構為四面體，但不是正四面體，結合角也不是109. 5，接近109. 5。 2、混合軌道理論的重要結果：混合軌道比s軌道和p軌道有更強的方向性，最佳軌道4個sp3軌道完全等值；正四面體的排列方式使

10、4個鍵間盡可能遠離(保里不相容原理)，形成最穩(wěn)定的分子。 實驗證明，含有氣體或液態(tài)多個碳原子的鏈烷可以通過鍵的自由旋轉形成多個蛇行形態(tài)。 碳鏈如正戊烷有幾種代表性的形式。 在結晶狀態(tài)下，烷烴的碳鏈排列整齊，呈鋸齒狀。 四、分子立體結構表示法，1 .楔形式表示：有機化合物具有三維立體形狀，以甲烷為例，原子間的關系可以用楔形式表示。 這個方法很麻煩。 2 .鋸齒透視式：3 .紐曼投影式、2-4鏈烷的構象、構象：指具有一定結構的分子通過單鍵的旋轉，各原子或原子團在空間上形成不同的排列方式。 另一方面，烷烴的構象二、正丁烷的構象在20世紀30年代乙烷分子的兩個甲基沒有被固定，不能完全自由旋轉，存在一定

11、的能量勢壘(約12.5kJmol1)，對CC單鍵的旋轉產生了一定的阻力。 但是，由于能壘不高，因此，常溫下分子熱運動產生的能量并非將兩甲基固定在一定位置，而是能夠在旋轉中形成大量的構象。 乙烷眾多星座中的2個極限星座如下所示。一、乙烷的構象、透視式：紐曼式：重疊式或順序式(將Synperiplanar簡稱為sp )、交叉式或重疊式(將antiperiplanar簡稱為sp )、以圖2-8乙烷C2C3的單鍵為中心進行旋轉從、2-5烷烴的物理性質、正烷烴的物理常數(shù)可知，正烷烴的物理性質隨著相對分子量的增加呈現(xiàn)一定的推移規(guī)律。 1、物質狀態(tài)：物質的狀態(tài)可以從化合物的沸點和熔點判斷，室溫和大氣壓下含有

12、14個碳原子的是氣體，含有516個碳原子的是液體，含有17個以上碳原子的是固體。 2、沸點：同數(shù)的烷烴，直鏈的沸點比支鏈高。 分子間的力量就是范德華力量。 3、融點：正構烷烴的融點，同系列的前幾個不太規(guī)則，4以上隨碳原子數(shù)的增加而上升。 分子結構的對稱性越好，熔點越高。 因此偶數(shù)碳的直鏈烷烴比奇數(shù)碳的直鏈烷烴高。 4 .相對密度：正烷烴的相對密度也隨碳原子數(shù)的增加而逐漸增大，二十烷以下的接近0.78。 這也與分子間引力有關，分子間引力增大，相應地分子間的距離減少，因此相對密度增大。 5 .溶解度：烷烴不溶于水，可溶于某些有機溶劑，特別是烴類。 例如，殘奧芬蠟和汽油兩者的結構非常相似，分子間的引

13、力也相似，很容易溶解。 這是“相似相容”經(jīng)驗法則的實例之一。 2-6烷烴的化學性質，一、氯化二、氧化反應三、異構化反應四、裂解反應、一、氯化、1 .鹵化反應：烷烴的氫原子被氯取代可以分別稱為氯化反應。 反應不能在室溫和黑暗中進行。2 .氯與甲烷的反應歷史： (1)鏈的誘發(fā)： (2)鏈的生長(傳遞):進一步生成CHCl3、CCl4等，(3)鏈的終止：自由基反應的碳鏈的長鏈烷烴氯化時，可以得到不同的氯化烴代替氫原子。 在室溫下，t-、2-級、1級氫原子被氯原子奪走的相對速度為5 : 4 : 1。 3 .自由基的穩(wěn)定性順序，越是321CH3即三級二級一級CH3越容易產生穩(wěn)定的自由基。烷烴的鹵化反應是自由基取代反應，決定反應速度的重要步驟是產生烷基自由基的步驟。 二、氧化和燃燒，1 .在空氣中燃燒：烷烴在空氣中燃燒，生成二氧化碳和水，釋放出大量的熱能。 例如，這是汽油和柴油作為內燃機燃料的基本變化和依據(jù)。 但是，這種燃燒通常是不完全的，特別是O2不足時，會產生大量的CO！ 2 .引發(fā)劑開始下部分氧化，可以生成醇、醛、酸等各種含氧衍生物。 現(xiàn)在重要的成功例子有使用正丁烷和低級正烷烴制造醋酸等。 高級烷烴(例如含有殘奧翅蠟的約C20C30的烷烴)被氧化成高級脂肪酸，并工業(yè)化。 這樣得到的脂肪酸的混合物可以代替動植物油脂用于制造肥皂，可以節(jié)省大量的食用油脂。 烷烴的氧化過程作為自由基反應