清华大学李艳梅有机化学课件资料

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1、烷 烃,一 烃的定义,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.,二 烃的分类:,根据烃分子中碳原子连接方式 1) 脂肪烃：饱和烃和不饱和烃 2) 脂环烃：分子中碳原子联结成闭合碳环 3) 芳香烃： 含芳香环的一大类烃化合物，如苯环,(1)烷烃碳原子的四个共价键，除以单键与其他碳原子相互结合成碳链外，其余的价键也都和氢原子相结合，即完全为氢原子所饱和。又叫饱和烃,石蜡是烷烃的混合物 例如:甲烷,乙烷,丙烷,丁烷(正丁烷,异丁烷),戊烷 (正戊烷,异戊烷,新戊烷),2.1 烷烃的通式,同系列和同分异构,丙烷 C3H8,丁烷 C4H10,戊烷 C5H12,CH3CH2CH3,C

2、H3(CH2)2CH3,CH3(CH2)3CH3,CH4,CH3CH3,甲烷 CH4,乙烷 C2H6,名称 分子式 结构式 结构简式,为了方便，只要写出锯齿形骨架,用锯齿形线的角及其端点代表碳原子.不写出每个碳上所连的氢原子.但其它原子必须写出.,注意:键线式书写烷烃的分子结构:,(2)烷烃的通式直链烷烃分子中，一个或几个-CH2-基团（亚甲基）连成碳链，碳链的两端再连有两个氢原子，因此直链烷烃的通式可写为: H-(-CH2-)n-H 或： CnH2n+2,同分异构体由于分子式相同,但它们的构造不同(分子中各原子相连的方式和次序不同). 又叫构造异构体。,戊烷可看成是正丁烷和异丁烷上的一个 H

3、被甲基-CH3 取代的产物: (正戊烷,异戊烷,新戊烷),烷烃分子中，随着碳原子数的增加,烷烃的构造异构体的数目也越多. 写出C10H22的同分异构体？,烷烃的通式 CnH2n+2, 直链烃的通式可写为: H-(-CH2-)n-H 同系物在组成上相差一个或多个 CH2,且结构和性质(官能团种类和个数相同)相似的一系列化合物称为同系列.同系列中的各化合物互称同系物.系差同系列相邻的两个分子式的差值 CH2 称为系差.,(3)同系物,在烃分子中仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子（或一级碳原子，用1表示） 与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2表示） 与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（

4、或三级碳原子，用3表示） 与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4表示）,(4)烷烃中碳原子的分类:,与伯,仲,叔碳原子相连的H原子,分别称为 伯,仲,叔H原子,如：,有机化合物的命名的基本要求是必须能够反映出分子结构，使我们看到一个不很复杂的名称就能写出它的结构式，或是看到构造式就能叫出它的名称来。烷烃的命名法是有机化合物命名的基础，应很好的掌握它。,2.2 烷烃的命名,常用的命名法,习惯命名法,系统命名法,（1）含有10个或10个以下碳原子的直链烷烃，用天干顺序“甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸”10个字分别表示碳原子的数目，后面加烷字。 例如： CH3CH2CH2CH3

5、 命名为正丁烷。 （2）含有10个以上碳原子的直链烷烃，用小写中文数字表示碳原子的数目。 如CH3（CH2）10CH3命名为正十二烷。,一. 习惯命名法,（3）对于含有支链的烷烃，则必须在某烷前面加上一个汉字来区别。在链端第2位碳原子上连有1个甲基时，称为异某烷，在链端第二位碳原子上连有2个甲基时，称为新某烷。 CH3 CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3 CH3-C-CH3 CH3 正戊烷 异戊烷 新戊烷,烷基：烷烃分子去掉一个氢原子后余下的部分。其通式为CnH2n+1-，常用R-表示。 常见的烷基有： 甲基 CH3 乙基 CH3CH2 正丙基 CH3CH2CH2

6、异丙基 （CH3）2CH 正丁基 CH3CH2CH2CH2 异丁基 （CH3）2CHCH2 仲丁基 叔丁基 （CH3）3C,三. 系统命名法(IUPAC),(1) 直链烷烃按碳原子数命名 10以内：依次用天干:甲乙丙丁戊己庚辛壬癸. 10以上：用中文数字:十一烷.,（1）选择分子中最长的碳链作为主链，按这个链所含的碳原子数称为某烷，并以此作为母体。,选择主链,(2)带有支链的烷烃,（2） 分子中有两条以上等长碳链时，则选择支链多的一条为主链。,(1) 从最接近取代基的一端开始，将主链碳原子用1、2、3编号,碳原子的编号,（2） 若第一个支链的位置相同，则依次比较第二、第三个支链的位置，以取代基

7、的系列编号最小（最低系列原则）为原则。,A 将支链（取代基）写在主链名称的前面 B 取代基按“次序规则”小的基团优先列出 烷基的大小次序： 甲基乙基丙基丁基戊基己基异戊基异丁基异丙基。 C 相同基团合并写出，位置用2，3标出, 取代基数目用二,三标出。 D 表示位置的数字间要用逗号隔开，位次和取代基名称之间要用“半字线”隔开。 E 如果支链上还有取代基时，则必须从与主链相连接的碳原子开始，给支链上的碳原子编号。然后补充支链上烷基的位次、名称及数目。,烷烃名称的写出,2.3 烷烃的结构,2.3.1 甲烷的结构和sp3杂化轨道,甲烷的球棒模型,烷烃分子之中碳原子为正四面体构型 。甲烷分子 之中，碳

8、原子位于正四面体构的中心，四个氢原子在四面体的四个顶点上，四个C-H键长都为0.109nm，所有键角 H-C-H都是109.28,甲烷的正四面体构型,sp3杂化轨道,一个s轨道与三个p轨道形成四个sp3杂化轨道,杂化就是由若干个不同类型的原子轨道混合起来，重新组合成数目相等的.能量相同的新轨道的过程。 C的电子构型：1S22S22P2,sp3杂化轨道的特点：,(1) 具有更强的方向性，能更有效地与别的原子轨道重叠形成稳定的化学键。每个sp3杂化轨道，各含1/4 S成份3/4 P成份。 (2) sp3杂化轨道的空间取向是指向正四面体的顶点。 (3) sp3杂化轨道夹角是10928，使四个键角之间

9、尽可能的远离。,4. 在形成甲烷分子时，4个氢原子的S轨道分别沿着碳原子的SP3杂化轨道的对称轴靠近，当它们之间的吸引力与斥力达到平衡时，形成了4个等同的碳氢 键。 键：沿键轴旋转，它的形状和位相符号不变。 键的特点： （1）重叠程度大，不容易断裂，性质不活泼。 （2）能围绕其对称轴进行自由旋转。,乙烷分子中C-C键(C-H键用直线表示),2.3.2 其它烷烃的结构,乙烷的C- C 键,（Stuart ）比例模型,其他烷烃：据测定，除乙烷外，烷烃分子的碳链并不排布在一条直线上，而是曲折地排布在空间。这是烷烃碳原子的四面体结构所决定的。如丁烷的结构：,烷烃分子中各原子之间都以键相连接的，所以两个

10、碳原子可以相对旋转，形成了不同的空间排布。实际上，在室温下烷烃（液态）的各种不同排布方式经常不断地互相转变着。,丁烷的球棍模型,烷烃的构象,由于单键可以“自由”旋转。使分子中原子或基团在空间产生不同的排列，这种特定的排列形式称为构象。由单键旋转而产生的异构体，称为构象异构体或旋转异构体。几种构象的表示形式：,伞形式 锯架式 纽曼投影式 表示前碳 表示后碳,乙烷的构象,由于碳碳键可以旋转，所以按照每旋转60可得到的构象分别为：,(1) 球棒模型,乙烷的重叠式构象,重叠式、交叉式构象比较,(3)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,(2)透视式表示乙烷的构象,乙烷分子各种构象

11、的能量曲线,12.6kJ/mol,烷烃的物理性质：,1、状态：在常温常压下，1至4个碳原子的直链烷烃是气体，5至16（17）个碳原子的是液体，17个以上的是固体。 2、熔沸点：随分子量的增大而升高，原因： 分子量大，接触面积大，范德华力大 A 烷烃的沸点 随C数增加的变化： 1) 直链烷烃的沸点随着分子量(碳数)的增加而有规律地升高,并且升高的趋势渐缓； 2) 在含同数碳原子的烷烃异构体中,直链异构体的沸点最高,支链越多,沸点越低.,B 烷烃的熔点： 1）直链烷烃的熔点随分子量(碳数)的增加而升高. 2）支链烷烃的熔点比直链烷烃低. 3溶解度：烷烃是非极性分子，又不具备形成氢键的结构条件，所以

12、不溶于水，而易溶于非极性的或弱极性的有机溶剂中。 4密度：烷烃是在所有有机化合物中密度最小的一类化合物。无论是液体还是固体，烷烃的密度均比水小。随着分子量的增大，烷烃的密度也逐渐增大。,烷烃的化学性质稳定（特别是正烷烃）。在一般条件下（常温、常压），与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及金属钠等都不起反应，或反应速度极慢。 原因： （1） 其共价键都为键，键能大 C-H 390435KJ/mol C-C 345.6KJ/mol （2）分子中的共价键不易极化（电负性差别小C2.5， H2.2） 但稳定性是相对的、有条件的，在一定条件下（如高温、高压、光照、催化剂），烷烃也能起一些化学反应

13、。,2.6 烷烃的化学性质,2.6.4 取代反应,烷烃与某试剂可以发生反应，分子中原子或原子团可被其他原子或原子团取代，这种反应叫做取代反应。,烷烃卤代反应一般指 氯代和溴代, 而氟代剧烈（爆炸性反应），碘代很难直接发生 卤素反应的活性次序为：F2 Cl2 Br2 I2,在紫外光漫射或高温下，甲烷易与氯、溴发生反应。,甲烷的卤代反应较难停留在一元阶段，氯甲烷还会继续发生氯化反应，生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。 若控制一定的反应条件和原料的用量比，可得其中一种氯代烷为主要的产物。 比如 甲烷 ：氯气 = 10 ：1 （400450时）CH3Cl占98% = 1 ：4 （400时）主要为CCl

14、4,2其他烷烃的氯代反应 1） 反应条件与甲烷的氯代相同（光照），但产物更为复杂，因氯可取代不同碳原子上的氢，得到各种一氯代或多氯代产物。例如：,2） 伯、仲、叔氢的相对反应活性,分子中，有六个等价伯氢，两个等价仲氢，若氢的活性一样，则两种一氯代烃的产率，理论上为 6 ：2 = 3 ：1 但实际上为 43 ：57 = 1 ：1.33这说明在室温氯代时，各类氢的反应活性是不一样的， 氢的相对活性 = 产物的数量被取代的等价氢的个数。这样可知：,即仲氢与伯氢的相对活性为4 ：1。,异丁烷一氯代物,同理可求得叔氢的相对反应活性：,即叔氢的反应活性为伯氢的5倍。,烷烃的卤代反应历程,反应历程 化学反应

15、所经历的途径或过程，又称为反应机理。 反应历程是根据大量的实验事实作出来的理论推导，实验事实越丰富，可靠的程度就越大。到目前为止，有些已被公认确定下来，有些尚欠成熟，有待于理论化学工作者的进一步努力。,2.7 甲烷氯代反应历程,从上可以看出，一旦有自由基生成，反应就能连续的进行下去，这样周而复始，反复不断的进行反应，故又称为链锁反应（free radical chain reaction）。 凡是自由基反应，都是经过链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的。,2.6.1 氧化反应,1、燃烧 燃烧反应的机制非常复杂，但也是自由基反应。 1、完全燃烧 用途：可用燃烧来测定它们的C、H含量。 很好的燃料。 2、不完全燃烧 烷烃的不完全燃烧会产生有毒的CO和黑烟C，是汽车尾气所造成的空气污染之一。 用途：炭黑是黑色的颜料。 可作为橡胶的填料，具有补强作用,3、 部分氧化 在控制条件时,烷烃可以部分氧化,生成烃的含氧衍生物。例如石蜡（含2040个碳原子的高级烷烃的混合物）在特定条件下氧化得到高级脂肪酸。 RCH2CH2R + O2 RCOOH + RCO