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1、第2章 烷烃,2.1 烷烃的通式和同分异构现象 2.2 烷烃的命名和结构 2.3 烷烃的物理性质 2.4 烷烃的化学性质 2.5 烷烃的来源和制备方法,返回,2.1 烷烃的通式和同分异构现象,由碳和氢两种元素所形成的碳氢化合物叫作烃。烃是有机化合物的母体。烃分子中的氢原子被其他原子或基团取代生成烃的一系列衍生物。开链的碳氢化合物叫作脂肪烃，在脂肪烃分子中，如果仅含有CC键和CH 键，叫作饱和烃或烷烃，也叫作石蜡烃。 2.1.1 烷烃的通式 最简单的烷烃是甲烷(CH4)，甲烷分子中的一个氢原子被甲基取代，就得到乙烷(C2H6)，乙烷分子中的氢原子再被甲基所取代，就得到丙烷(C3H8)，丙烷分子中
2、的氢原子再被甲基取代，就得到丁烷(C4H10)，依此类推，就可以得到碳原子数逐渐增加的烷烃系列化合物。从这几个烷烃的分子式可以看出，在烷烃分子中，碳原子数和氢原子数之间的数量关系是一定的，每增加一个碳原子，就,下一页,返回,2.1 烷烃的通式和同分异构现象,相应增加两个氢原子，因此，可以用CnH2n2(n表示碳原子数)来表示烷烃分子的组成，这个式子叫作烷烃的分子式通式。具有相同的分子式通式，但组成上相差一个CH2或多个CH2的一系列化合物叫作同系列。甲烷、乙烷、丙烷等这一系列化合物称为烷烃的同系列。同系列中的每个化合物互称为同系物。例如，甲烷和乙烷互称同系物，己烷和庚烷互称同系物等，其中CH2
3、称为同系列的系差。 同系物具有相似的化学性质，其物理性质(如熔点、沸点、密度等)一般随着碳原子数的增加而呈现规律性的变化。这具有很重要的意义，当知道了同系列中某些物质的性质后，就可以推测其他同系物的性质。 在有机化学中，同系列现象是普遍存在的。如以后要学到的烯烃、炔烃等系列。,上一页,下一页,返回,2.1 烷烃的通式和同分异构现象,2.1.2 烷烃的同分异构现象 分子中原子之间连接的顺序和方式叫作分子的构造，表示分子构造的化学式叫作构造式。分子构造式能够明确形象地表示分子中原子之间的连接，因此，在书写有机化合物结构时一般都用构造式表示。 分子式相同，构造式不同的化合物，是同分异构体，互称为构造
4、异构体，这种现象叫作同分异构现象。同分异构现象在有机化合物中普遍存在，这也是有机化合物种类繁多、数目庞大的一个很重要的原因。下面给出一些烷烃的分子构造和名称：,上一页,下一页,返回,2.1 烷烃的通式和同分异构现象,上一页,下一页,返回,2.1 烷烃的通式和同分异构现象,从其中可以看出，甲烷、乙烷、丙烷只有一种构造式，没有构造异构体。再增加一个碳原子，丁烷就有两个构造异构体，分别是正丁烷和异丁烷。如果再增加一个碳原子，即增加到5个，此时，戊烷就有了三个构造异构体，分别是正戊烷、异戊烷和新戊烷。表2-1给出了一些烷烃的构造异构体的数目。 可见随着烷烃分子中碳原子数的增加，其构造异构现象越来越复杂
5、，构造异构体的数目也越来越多。,上一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,2.2.1 烷烃的命名 1)碳原子的类型 烷烃分子中的碳原子，按照它们所连接的碳原子数目不同，可以分为以下四类。 (1)伯碳原子(或一级碳原子)。仅与一个碳原子直接相连的碳原子叫作伯碳原子，常用1表示。伯碳原子所连接的氢原子叫作伯氢原子，也叫一级氢原子，常用1H表示。 (2)仲碳原子(或二级碳原子)。与两个碳原子直接相连的碳原子叫作仲碳原子，常用2表示。仲碳原子所连接的氢原子叫作仲氢原子，也叫二级氢原子，常用2H表示。 (3)叔碳原子(或三级碳原子)。与三个碳原子直接相连的碳原子,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,叫
6、作叔碳原子，常用3表示。叔碳原子所连接的氢原子叫作叔氢原子，也叫三级氢原子，常用3H表示。 (4)季碳原子(或四级碳原子)。与四个碳原子直接相连的碳原子叫作季碳原子，常用4表示。季碳原子上没有氢原子，所以也就没有季氢原子。 例如： 2)烷基 从烃分子中去掉一个氢原子后所剩余的基团叫作烃基。从烷烃分子中,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,去掉一个氢原子后所得到的基团叫作烷基，通式为“CnH2n1”，常用“r”表示。烷基的名称是根据相应的烷烃的名称以及去掉的氢原子的类型而得来的。以下是常用的取代基：,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,3)烷烃的命名方法 烷烃的命名方法包
7、括习惯命名法、衍生命名法和系统命名法。 (1)习惯命名法。 习惯命名法是按照分子中碳原子数目命名为“某烷”。碳原子数在十以内的，用天干甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，碳原子数在十以上的，用中文数字十一、十二、十三、表示。例如，C8H18叫作辛烷，C11H24叫作十一烷。通常把直链烷烃叫作“正”某烷；在链端第二个碳原子上连有一个“CH3”的烷烃叫作“异”某烷；在链端第二个碳原子上连有2 个“CH3”的烷烃叫作“新”某烷。例如：,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,在石油工业上，用作测定汽油辛烷值的基准物质之一的异辛烷，是一个商品名称，不属于上述习惯命名法的名称。它的结构式
8、如下：,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,习惯命名法简单方便，但只适用于结构比较简单的烷烃，难以命名碳原子数较多、结构比较复杂的烷烃。 (2)衍生命名法。 衍生命名法是以甲烷为母体，把其他烷烃看作是甲烷的衍生物进行命名的。命名时，一般是把含支链最多的碳原子(连有烷基最多的碳原子)作为母体碳原子，把其他的烷基作为取代基。例如： 这种命名法和习惯命名法相比，能形象地反映分子的结构，但对于结构复杂的烷烃，常常难以采用这种方法进行命名。,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,(3)系统命名法。 这是采用国际上通用的IUPAC(InternAtIonAlUnIonofPUreAn
9、dAPPlIedCHemIstry，国际纯粹与应用化学联合会)命名原则，并结合我国的文字特点制定的一种命名方法。 直链烷烃的命名。 直链烷烃的系统命名和习惯命名法相似，按照所含有的碳原子数叫作某烷，只是不加“正”字。例如： 支链烷烃的命名。 对于带支链的烷烃看作是直链烷烃的烷基衍生物，按照下列步骤和,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,规则进行命名。 选取主链作为母体。选择构造式中最长的碳链作为主链，把支链作为取代基，根据主链所含有的碳原子数称为某烷，作为母体名称。 对主链碳原子进行编号。从靠近支链的一端对主链碳原子编号，依次用阿拉伯数字1，2，3，表示。取代基的位置，由它所在的碳
10、原子的号数表示。 写出烷烃的名称。按照取代基的位次、相同取代基的数目、取代基的名称、母体名称的顺序，写出烷烃的名称。如果主链上带有几个不同的取代基，则把次序规则中的“优先”基团写在后面；如果含有几个相同的取代基，则合并书写，在取代基名称前面用二、三、四、表示其数目，其位置须逐个注明。例如：,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,当主链上有几个取代基，并有几种编号的可能时，应当选取取代基具有“最低系列”的那种编号。所谓“最低系列”指的是碳链以不同方向编号，得到两种或两种以上的不同编号的系列，则逐次比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者
11、，定为“最低系列”。例如： 上述化合物有两种编号方法，从左向右编号，取代基的位次为2，2，4，5；从右向左编号，取代基的位次为2，3，5，5。逐个比较每个取代基的位次，第一个均为2，第二个取代基编号分别为2和3，因此应该从左向右编号。,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,2.2.2 烷烃的结构 烷烃是分子中仅含有CC键和CH 键的饱和烃，没有官能团。 1)甲烷的结构 甲烷是最简单的烷烃，它的分子式为CH4。近代物理方法测定，甲烷分子为正四面体结构，碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子则位于正四面体的四个顶点。四个碳氢键的键长都为0.109nm，键能为414.9kJmol1，彼此间的
12、键角都是109.5。甲烷分子的正四面体构型如图2-1所示。 碳原子的价层电子为2s22P1x2P1y，只有两个未成对电子，按照价键理论，只能与两个氢原子形成两个CH 键。但实际上在甲烷分子中有4个等同的碳氢键，那么，用传统的价键理论已经不能,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,解释甲烷分子的结构了，在1931年鲍林(PAUlIngl.C.)和斯莱特(slAterJ.C.)提出了杂化轨道理论。可以用碳原子的杂化轨道理论解释甲烷分子的正四面体结构。 碳原子的价电子构型是2s22P1x2P1y，在成键过程中，经过激发，一个电子从2s轨道激发到2P轨道，成为2s12P1x2P1y2P1 构
13、型。如果碳原子分别用这四个未成对电子与氢原子的电子进行配对成键，显然形成的四个碳氢键是不相同的。但实际上这四个碳氢键是完全等同的(键长和键能等)。杂化轨道理论认为，碳原子以四个单键分别与其他的四个氢原子配对形成分子时，并不是用它的一个s轨道和三个P轨道成键，而是用一个2s轨道和3个2P轨道进行杂化，重新组合形成4个新的等价的sP3杂化轨道。在sP3杂化轨道中，s轨道占14，P轨道占34，如图2-2所示。,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,因此，sP3杂化轨道可以形象地看作是由14的s轨道和34的P轨道“混合”而成的。杂化轨道间的夹角都是109.5，呈正四面体型。4个H 原子的s轨
14、道以“头碰头”方式与碳原子的4个sP3杂化轨道的大头重叠，形成了4个完全等同的CH键，从而形成了CH4分子，所以甲烷分子的几何构型为正四面体构型。 2)其他烷烃的结构 其他烷烃分子中的碳原子也是采取sP3杂化方式进行成键的。例如乙烷分子中的两个碳原子各以一个sP3轨道重叠形成CC键，两个碳原子又各以三个sP3杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重叠形成六个等同的CH键。 需要注意的是，由于烷烃分子中的碳原子都是四面体构型，所以除,上一页,下一页,返回,2.2 烷烃的命名和结构,甲烷、乙烷外，其他烷烃分子中的碳链并不是直线型排列的，而是排列成锯齿状，以保持正常的键角。但为方便起见，在书写构造式时，我们
15、还是写成直链形式。例如正戊烷的实际结构为：,上一页,返回,2.3 烷烃的物理性质,物质的物理性质通常包括它们常温常压时的状态、颜色、气味、熔点、沸点、溶解性、相对密度等。纯的有机化合物的物理性质，在一定条件下是不变的，其数值一般为常数。因此可以利用测定物理常数来鉴别有机化合物或检验其纯度。 同系列的有机化合物，其物理性质往往随着分子量的增加而呈现规律性变化。一些常见的直链烷烃的物理性质见表2-2。 (1)物态。常温常压下，C1C4的直链烷烃是气体，C5C17的直链烷烃是液体，C18以上的直链烷烃是固体。 (2)熔点。从表2-2可以看出：直链烷烃的熔点基本上是随着碳原子数的增加而升高(甲烷到丙烷
16、的熔点变化不规则)。但含偶数碳原子的烷烃比相邻奇数碳原子烷烃的熔点升高多一些。所以直链烷烃的熔点曲线不是一条直线，而是一条折线。但是把所有偶数碳原子的,下一页,返回,2.3 烷烃的物理性质,直链烷烃的熔点连接起来，则是一条平滑的曲线，同样，把除甲烷之外的所有奇数碳原子的直链烷烃的熔点连接起来也是一条平滑的曲线。其中，偶数碳原子的直链烷烃的熔点曲线在上，奇数碳原子的直链烷烃的熔点曲线在下，如图2-3所示。 这是因为熔点的大小不仅与分子的大小有关，而且还与分子在晶体中的排列情况有关。一般偶数碳原子的烷烃链端的两个甲基排列在两侧，而奇数碳原子的烷烃链端的两个甲基排列在同侧。所以，含偶数碳原子的烷烃比含有奇数碳原子的烷烃的对称性高，碳链之间的排列比较紧密，分子间距离小，分子间作用力比较大，因此熔点较高。 (3)沸点。从表2-2还可以看出：随着碳原子数的增加，直链烷烃的沸点逐渐升高。将直链烷烃的沸点随着碳原子数的增加的变化作图，可以得到一条比较平滑的曲线，如图2-4所示。,上一页,下一页,返回,2.3 烷烃
