高分子化学 第二章

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1、第二章 饱和烃(烷烃) 2.1 烷烃的通式和构造异构 2.2 烷烃的命名 2.3 烷烃的结构 2.4 烷烃的物理性质 2.5 烷烃的化学性质 2.6 烷烃的主要来源和制法 第二章 饱和烃(烷烃) 分子中只含有C、H两种元素的有机化合物叫碳氢化合物,简称烃.2.1 烷烃的通式和构造异构 烷烃的通式为CnH2n+2 。定义： 烷烃符合通式CnH2n+2的一系列化合物。(注意：此定义涉及了两个概念，通式、同系列) 通式表示某一类化合物分子式的式子。 同系列结构相似，而在组成上相差CH2的整数 倍的一系列化合物。 同系物同系列中的各个化合物叫做同系物。同系物化学性质相似，物理性质随分子量增加而有规 律

2、地变化。举例：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷均属烷烃系列。乙酸、丙酸、月桂酸、硬脂酸均属脂肪酸系列。 烷烃的构造异构这两种不同的丁烷,具有相同的分子式和不同的结构式， 互为同分异构体。同分异构体分子式相同，结构式不同的化合物。同分异构现象分子式相同，结构式不同的现象。 丙烷中的一个氢原子被甲基取代，可得到两种不同的丁烷： 烷烃分子中，随着碳原子数增加，同分异构体迅速增加。举例(同分异构体的写法)： C6H12：C7H14：C10H22可写出75个异构体； C20H42可写出366319个异构体。 2.2烷烃的命名 1.烷基的概念 (1) 伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢 (2) 烷基 2. 烷烃的命名

3、(1) 普通命名法 (2) 衍生物命名法 (3) 系统命名法 2.2烷烃的命名 1. 烷基的概念 (1) 伯、仲、叔、季碳及伯、仲、叔氢伯碳原子(第一碳原子),用“1”表示；仲碳原子(第二碳原子),用“2”表示；叔碳原子(第三碳原子),用“3”表示；季碳原子(第四碳原子),用“4”表示。与伯,仲,叔碳原子相连的H原子,分别称为 伯,仲,叔H原子(2) 烷基烷烃去掉一个氢原子后的原子团。常用R-，或 (CnH2n+1-)表示，所以烷烃又可用通式RH表示。:去掉一个直链烷烃末端氢原子所得的原子团。命名时“正”字常用n-代表。甲基，乙基; 正丙基：CH3CH2CH2-， n-丙基:去掉一个仲氢原子所

4、得的烷基。用“sec-”表示。CH3CH2CH- , sec-丁基CH3正烷基仲烷基而 CH3CH(CH2) n- (n0) 型的烷基叫异烷基CH3 用“iso-”表示。iso-丙基iso-戊基 CH3CHCH2CH2-CH3 去掉一个叔氢原子所得的烷基。 用“t-”或“tert-”表示。CH3叔丁基: CH3-C- t-丁基CH3异烷基:叔烷基:CH3CH3-CH2-C- t-戊基CH3CH3CH3-C-CH2- nec-戊基CH3 叔戊基:新戊基:烷烃分子从形式上去掉两个氢原子所剩下的基团叫 做亚烷基。 如： 烷基（Alkyl）烷烃分子中从形式上消除一个氢的 部分，通常用 R- 表示，英文

5、 用 “ yl ” 替代 “ ane ”lMethane Methyl CH3- Mel Ethane Ethyl CH3CH2- Etl n-Propane n-Propyl CH3CH2CH2- n-Pro lCH3CH2CH3 isopropyl (CH3)2CH- i-Proln-Butane n-Butyl CH3CH2CH2CH2- n-BulCH3CH2CH2CH3 sec-Butyl CH3CH2CHCH3 sec-Buliso-Butane iso-Butyl (CH3)2CHCH2- i-Bu l(CH3)2CHCH3 tert-Butyl (CH3)3C- tert-Bu

6、 部分烷基的英文表示：Et乙基；Pr丙基；i-Pr异丙基；n-Bu正丁基t-Bu叔丁基（三级丁基）；Me甲基；Ar芳基Ph苯基；Ac乙酰基；R烷基常用基团的英文简写2. 烷烃的命名 (1) 普通命名法 普通命名法亦称为习惯命名法，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：对有支链的烷烃：有 结构片断者叫异某烷；有 结构片断者叫新某烷。例： (2) 衍生物命名法 衍生物命名法适用于简单化合物。衍生物命名法是以甲烷为母体，选择取代基最多的碳为 母体碳原子。 例如: (3) 系统命名法 a. 直链烷烃：与普通命名法相似,省略“正”字。如 :

7、b. 有支链时：取最长碳链为主链,对主链上的碳原 子标号。从距离取代基最近的一端开始编号,用 阿拉伯数字表示位次。如：c. 多支链时：合并相同的取代基。用汉字一、二、三 表示取代基的个数，用阿拉伯数字 1,2,3表示取代基的位次，按官能团大小次 序(小的在前,大的在后)命名。例如： d. 其它情况i. 含多个长度相同的碳链时，选取代基最多的链为主链 ：ii. 在保证从距离取代基最近一端开始编号的前提下，尽 量使取代基的位次和最小。例： e. 复杂情况（不常见，不常用） 练 习2,4,5-三甲基-4-乙基庚烷 练 习3,4-二甲基己烷 3,6-二甲基-4-丙基辛烷练 习2.3 烷烃的结构 1.碳

8、原子轨道的sp3杂化 2. 键的形成及其特性 3. 乙烷的构象 4. 丁烷的构象 2.3 烷烃的结构 1. 碳原子轨道的sp3杂化 实验事实： CH2性质极不稳定，非常活泼，有形成4价化合物的 倾向； CO也很活泼，具有还原性，易被氧化成4价的CO2 ，而CH4和CO2的性质都比较稳定； CH4中的4个C-H键完全相同。即：碳有形成4价化合物的趋势，在绝大多数有机物中， 碳都是4价。两个成单电子， 呈2价？对实验事实的解释：sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。 4个sp3杂化轨道间取最大的空间距离为正四面体构型 ，键角为109.5(动画，sp3杂化碳)。构型原子在空间的排列方式。四个轨

9、道完全相同。 杂化的结果：2. 键的形成及其特性 CH4中的4个杂化轨道为四面体构型(sp3杂化)H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠(因为顶点 方向电子云密度最大),形成4个sp3-s键。 （动画） 键电子云围绕两核间连线呈圆柱体的轴对称,可自由 旋转。由于sp3杂化碳的 轨道夹角是109.5 ，所以烷烃中的碳 链是锯齿形的而不 是直线。 乙烷、丙烷、丁烷中的碳原子也都采取sp3杂化： 丁烷键的特点： 键电子云重叠程度大,键能大,不易断裂； 键可自由旋转(成键原子绕键轴的相对旋 转不改变电子云的形状)； 两核间不能有两个或两个以上的 键。 3. 乙烷的构象 构象由于围绕C-C单键旋转而产生的

10、分子中各原子 或原子团在空间的排列方式。例如：乙烷的构象(动画) (2)纽曼投影式重叠式构象 交叉式构象重叠式构象 交叉式构象(1)透视式表示乙烷的构象常用Newman投影式 表示烷烃的构象。 Newman投影式的写法： (1)从C-C单键的延线上观察：前碳 后碳(2)固定“前”碳，将“后”碳沿键轴旋转，得到乙 烷的各种构象。最典型的有两种：重叠式和交叉式。 重叠式:能量高，不稳定(因非键张力大)，一般含0.5%交叉式:注意：室温下不能将乙烷的两种构象分离，因单键旋转 能垒很低(12.6KJ/mol) 以能量为纵坐标，以单键的旋转角度为横坐标作图，乙 烷的能量变换曲线如下： 4. 丁烷的构象

11、丁烷有下列四种典型构象：动画(丁烷的构象)注意：常温下，丁烷主要是以对位交叉式存在，全 重叠式实际上不存在。 丁烷的能量图如下：2.4 烷烃的物理性质 1.沸点 2. 熔点 3. 相对密度 4. 溶解度 5. 折射率2.4 烷烃的物理性质1. 沸点 沸点化合物的蒸汽压等于外压(0.1Mpa)时的温度。烷烃的b.p随分子量的而有规律地：(P26图2-11)每增加一个CH2，b.p的升高值随分子量的增加而减小。例 ：CH4 b.p -162C C2H6 b.p -88C (沸差为74C)C14H30 b.p251C C15H32 b.p268C (沸差为17C)原因： 分子间作用力与分子中原子的大

12、小和数目成正比， 分子量，分子间作用力，因而b.p。正构者b.p高。支链越多，沸点越低。 例： n- C5H12 (b.p 36C) i- C5H12 (b.p 28C) 新- C5H12:( b.p 9.5C) 原因：支链多的烷烃体积松散，分子间距离大，色散力小。2. 熔点 分子动能能够克服晶格能时，晶体便可熔化。烷烃的m.p亦随分子量的增加而有规律地增加： 总趋势是分子量，m.p。但仔细观察:两条熔点曲线，偶碳数者m.p 高， 奇碳数 者m.p低。(P26图2-12)原因：烷烃在结晶状态时，碳原子排列很有规律，碳链为锯 齿形：分子间距离紧凑，分子间力大，晶格能高分子间距离松散，分子间力小，

13、晶格能低 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，晶格能越大，m.p越高；对称性越差，晶格能越小，m.p越低。 3. 相对密度随分子量，烷烃的相对密度，最后接近于 0.8(d0.8)原因:分子量，分子间力，分子间相对距离，最后 趋于一极限。 (4) 溶解度不溶于水，易溶于有机溶剂如CCl4、(C2H5)2O、C2H5OH 等。原因：“相似相溶”，烷烃极性小。 (5) 折射率折射率反映了分子中电子被光极化的程度，折射率越 大，表示分子被极化程度越大。正构烷烃中，随着碳链长度增加，折射率增大。(P26表2-2) 2.5 烷烃的化学性质 1.取代反

14、应 (1) 卤化反应 (2) 卤化反应的机理 (3) 卤化反应的取向与自由 基的稳定性 (4) 反应活性与选择性 (5) 其它取代反应 A 硝化反应 B 氯磺酰化反应 2. 氧化反应 (1) 完全氧化反应 (2) 部分氧化反应 3. 异构反应 4. 裂化反应2.5 烷烃的化学性质 烷烃中的C-C、C-H都是键 ，极性小，键能大，因 而烷烃的化学性质稳定。室温下，烷烃不与强酸、强碱、强还原剂(Zn+HCl 、 Na+C2H5OH)、强氧化剂(KMnO4、K2Cr2O7)起 反应或反应很慢。但高温、高压、光照或有催化剂存在时，烷烃可发 生一些化学反应。这些反应在石油化工占有重要的地 位。 1. 取代反应 (1) 卤化反应CH4与Cl2在黑暗中不发生反应；在强烈日光照射下，发生爆炸： 在漫射光、热或某些催化剂作用下，氢被氯取代：控制甲烷与氯气的体积比或控制反应时间，可控 制产物的氯代程度。 高碳烷烃的氯代反