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1、第二章 饱和烃,烷 烃,2.1 烷 烃（Alkanes）的结构和同分异构,碳氢化合物,烃,（hydrocarbons）,完全,烷,饱和,烃类（烷烃、烯烃、炔烃、芳烃）,1. 烷烃的通式：CnH2n+2,同系列：有相同通式、组成上相差一个或多个 CH2的一系列化合物。 同系物：同系列中的化合物为同系物。,2 烷烃的结构,构成烷烃的碳原子以sp3杂化轨道成键，为键。,（1）形状：一头大，一头小。 （2）成分：每一个轨道含1/4S，3/4P成分。 （3）易于成键：成键时，轨道重叠程度大于单纯S或P轨道。 （4）键角：等性杂化，各轨道间夹角均为10928。,sp3 杂化轨道特点,复习,结 构 模 型,
2、C: sp3 杂化，成 键,键：轴对称，键可“旋转”。CC单键是可以旋转的.,单键的旋转使分子中的原子或基团在空间产生不同的排列（构象）,3. 同分异构现象和同分异构体,（CONSTITUTIONAL ISOMERS， STRUCTURAL ISOMERS）,C4 以上烷烃出现同分异构现象,C4H10,C5H12,C6H14,C20H42,366,319,同分异构体数,2,3,5,化合物含有的碳原子数和原子种类越多, 同分异构体越多。,构造异构体的含义,构造异构体是指分子式相同,分子中各原子连接次序不同的化合物，又叫碳架异构。,正丁烷,异丁烷,普通命名法 用于简单化合物的命名：乙醇（酒精）、甲
3、酸（蚁酸） 系统命名法 (IUPAC命名法) （IUPAC: 国际纯粹与应用化学联合会）,2.2 烷烃的命名,基础：普通命名法,IUPAC会标 议会烷,2.2.1 烷基概念 1. 碳、氢原子的四种类型,1 C（伯碳，一级碳）,primary carbon,2 C （仲碳，二级碳）,secondary carbon,tertiary carbon,3 C （叔碳，三级碳）,4 C （季碳，四级碳）,quaternary carbon,二种类型 2 C,二种类型 1 C,二种类型 1 C,分析下列化合物所含碳原子种类,一些常见的烷基,2.2.2 烷烃的命名 1 普通命名法,中文名,英文名,甲烷,乙
4、烷,丙烷,methane,ethane,propane,碳原子数目 + 烷 英文命名用词尾- ane表示烷烃,碳原子数为110用天干（甲、乙、丙、壬、 癸）表示,C1,C2,C3,异构词头用词头“正”、“异”和“新”等区分 相应的英文词头为 n- (normal)、iso和neo（注意不加“-”）,中文名,英文名,正丁烷,异丁烷,正戊烷,异戊烷,新戊烷,n-butane,isobutane,n-pentane,isopentane,neopentane,C4,C5,C6,正己烷,异己烷,新己烷,n-hexane,isohexane,neohexane,中文名,英文名,如何命名？,如何命名？,正
5、庚烷,正辛烷,正壬烷,正癸烷,正十一烷,正十二烷,正十三烷,正二十烷,n-heptane,n-octane,n-nonane,n-decane,n-undecane,n-dodecane,n-tridecane,n-eicosane,碳原子数为10以上时用大写数字表示,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C20,中文名,英文名,最长链为主链 取代基编号数最小,2. IUPAC命名法（系统命名法）,不同基团编号相同时，使小取代基编号最小,支链上连有取代基，则从和主链相连的碳原子开始将支链碳原子依次编号，并将取代基位号、名称连同支链名写在括号内。,2-甲基 5 -（1,1-二甲基丙基
6、）癸烷 2-甲基 5 - 1,1-二甲基丙基癸烷,例题：,命名下列烷烃,1 2 3 4 5 6 7 8 9,-4-异丙基,A）选主链。,B）编号码。,C）名取代。,壬烷,2，6，6-三甲基,用系统命名法命名下列烷烃：,1,2.3 烷烃的构象（conformation）,构象：一已知构型的分子，仅由单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定排列形式称为构象。,构象异构体：单键旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体。,描述立体结构的几种方式,Ball and Stick Model,不方便,伞形式(透视式)锯架式 (从斜侧面看分子模型的形象) Newman投影式(从碳碳键轴的延长线上来
7、观察 ),构象有无数种，主要研究典型位置的构象：重叠式、交叉式。,2.3.1 乙烷的构象,交叉式构象,扭曲式构象,重叠式构象,原子间距离最远,内能较低 （最稳定）,（有无数个）,重叠式能量比交叉式高12.1KJ/mol,乙烷构象能量变化图,分子由一个交叉式转到另一个交叉式需经过能量较高的重叠式，亦称能垒。因此，碳碳单键的旋转并非自由。,说 明,旋转中须克服能垒扭转张力 电子云排斥 相邻两H间的von der waals排斥力,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。或固定“后”碳，将“前”碳
8、沿键轴旋转，得到乙烷的各种构象。,2.3.2 丁烷的构象,丁烷的构象,交叉式（anti） （反交叉式）,部分重叠式,邻位交叉式 （gauche）,全重叠式,邻位交叉式 （gauche）,甲基间距离最远(最稳定),较不稳定,较稳定,甲基间距离最近 （最不稳定）,丁烷构象转换与势能关系图,稳定性：对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式,室温下，构象异构体处于迅速转化的动态平衡，不能分离。 对位交叉占68%， 邻位交叉占32%，其余含量极少。,其它烷烃的构象,规律: 大基团总是占据反是对位交叉,最稳定,最不稳定,沸点： 化合物的蒸汽压等于外压(0.1Mpa)时的温度。 常温常压下，C4以下为气
9、体， C5-C16 液体，C16固体,烷烃的b.p随分子量的而有规律地,2.4 物理性质,每增加一个CH2，b.p的升高，但升高值随分子量的增加而减小。 CH4 b.p -162C C2H6 b.p -88C (沸差为74C) C14H30 b.p251C C15H32 b.p268C (沸差为17C) 原因： 分子间色散力(瞬间偶极间的吸引力)与分子中原子的大小和数目成正比，分子量，色散力，因而b.p。 正构者b.p高。支链越多，沸点越低。 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
10、距离大，接触面积小，色散力小,2. 熔点,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。 但偶碳数者m.p 高， 奇碳数者m.p低。,原因1： 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，晶格能低,原因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：,m.p. 对称性高，晶格能高,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,
11、(C2H5)2O, C2H5OH等。 原因：“相似相溶”，烷烃极性小。,烷烃的结构,2.5 烷烃的化学性质,又称为石蜡。一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐强酸碱、 不与氧化剂反应（常用作低极性溶 剂） 烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应!）,sp3 杂化 已饱和 不能加成,低极性共价键 H 酸性小 不易被置换,2.5.1 氧化和燃烧反应（了解）,燃烧反应：,用途：内燃机,汽油,柴油等发生热能的基本反应,热源利用(沼气等).,2.5.2（3） 异构化和裂化（自学）,化合物从一种构造转变成另一种构造的反应称为异构化反应。,正构烷烃异构成带支链的烷烃，可以提高油品的质量。,烷烃在没有氧气存
12、在下进行的热分解反应叫裂化反应,利用裂化反应，可以提高汽油(C6C9)的产量和质量。,辛烷值也称为抗爆震能力，辛烷值越大，抗震性好，质量也好。,正庚烷 2,2,4-三甲基戊烷,辛烷值 0 100,辛烷值,汽油：C4C10，支链烷烃、烯烃及某些芳烃具有较好的抗震性，异构化和裂解反应可以改善油品辛烷值，提高油品质量。,1、 甲烷的氯代反应,反应特点: (1)反应需紫外光光照或加热。 (2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。 (3)反应的时间、原料的组成影响产物 (4)有O2存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与O2量有关。,定义：烷烃中氢原子被其它基团取代的反应,2.5.4 烷
13、烃的取代反应,甲烷与其它卤素的反应,反应速率: F2 Cl2 Br2 I2 （不反应）,F2 ：反应过分剧烈、较难控制，无价值。 Cl2 ：正常（常温下可发生反应） Br2 ：稍慢（加热下可发生反应） I2 ：不反应。即使反应, 其逆反应易进行,主要讨论的内容,解释：1反应活性 2 反应热,2.5.5 甲烷的卤代反应机理（反应机制，反应历程） （Reaction Machanism）,什么是反应机理： 反应机理是对反应过程的详细描述，应解释以下问题：,研究反应机理的意义： 了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。 发现反应的一些规律，指导研究的深入。,甲烷的卤代机理 自由基取代机理,
14、机理需要解释的几个主要问题：,光或加热的作用,反应的链现象（为何光照时，吸收一个光子可产生几千个 CH3X？）,有 O2 时反应的延迟现象 反应速率：氯代 溴代,产物CH3X和HX生成的合理途径,甲烷的氯代反应过程分析,氯自由基,接上页,自由基完全消失，反应终止,甲烷的氯代反应机理的表达,自由基型链反应（chain reaction）,链反应 = 连锁反应,甲烷的溴代反应机理,甲烷卤代机理的循环表达式,机理应解释的实验现象,O2 存在时有延迟现象 反应速率：氯代 溴代,产物的生成 光或加热的作用 链现象,甲基自由基的结构,O2存在时反应的延迟现象,O2 ：自由基抑制剂,机理的决速步骤（以氯代为
15、例）,2.5.6 甲烷的卤代反应过程中的能量变化,甲烷氯代的势能变化图,过渡态: 势能最高处的原子排列，,Ea：活化能（ activation energy）； DH: 反应热,氯代和溴代反应速率的差别 决速步骤速率的差别,氯代,溴代,2.5.7 烷烃卤代反应的选择性问题,3o H, 2o H, 1o H：哪种氢易被取代？ Cl 和 Br：哪个卤素的选择性好？,如:,自由基的稳定性与不同类型H的反应活性,考虑反应的决速步骤,自由基生成的相对速度决定反应的选择性,自由基稳定性：,2o 自由基 较易生成,3o 自由基 较易生成,自由基的相对稳定性：3o 2o 1o,1o 自由基 较难生成,1o 自由基 较难生成,不同类型自由基的相对稳定性,键离解能（DH）, 电子转移，使电荷更分散，有利于体系 的稳定,-p 0 3 6 9,自由基稳定性：3 R 2 R 1 R CH3,氯代反应的选择性,只考虑氢原子的类型, 忽略烷烃结构的影响,氯代选择性（25oC）： 3o H : 2o H :
