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1、第第 二二 章章 烷烷 烃烃(Alkane)一、一、烷烃的命名和异构烷烃的命名和异构（Nomination and Isomerization)AlkanesAlkanes: Compounds with C-C single bonds and C-H bonds only (no functional groups)Connecting carbons can lead to large or small moleculesThe formula for an alkane with no rings in it must be CnH2n+2 where the number of Cs
2、 is nAlkanes are saturated with no more hydrogen can be addedThey are also called aliphatic compoundsAlkane IsomersCH4 = methane, C2H6 = ethane, C3H8= propaneThe molecular formula of an alkane with more than three carbons can give more than one structureC4 (butane) = butane and isobutaneC5 (pentane)
3、 = pentane, 2-methylbutane, and 2,2-dimethylpropaneAlkanes with Cs connected to no more than 2 other Cs are straight-chain or normal alkanesAlkanes with one or more Cs connected to 3 or 4 Cs are branched-chain alkanes Constitutional IsomersIsomers that differ in how their atoms are arranged in chain
4、s are called constitutional isomersCompounds other than alkanes can be constitutional isomers of one anotherThey must have the same molecular formula to be isomersAlkyl GroupsAlkyl group remove one H from an alkane (a part of a structure)General abbreviation “R” (for Radical, an incomplete species o
5、r the “rest” of the molecule)Name: replace -ane ending of alkane with -yl ending CH3 is “methyl” (from methane)CH2CH3 is “ethyl” from ethaneSome Complex Alkyl GroupsTypes of Alkyl groupsClassified by the connection site a carbon at the end of a chain (primary alkyl group)a carbon in the middle of a
6、chain (secondary alkyl group)a carbon with three carbons attached to it (tertiary alkyl group)Naming AlkanesCompounds are given systematic names by a process that usesPrefix-Parent-SuffixFollows specific rulesNamed as longest possible chainCarbons in that chain are numbered in sequencesubstituents a
7、re numbered at their point of attachmentCompound name is one word (German style)Complex substituents are named as compounds would beStep 1: Choose the longest carbon chain with maximum substituents as main chainlongest carbon chain with maximum substituentsStep 2: Number the main chain starting from
8、 the end nearer the substituentIf there is branching an equal distance away from both ends, begin numbering at the end nearer the second substituentStep 3: Identify and number the substituentStep 4: Write the name as a single wordName a complex substituent as though it were itself a compound构象：通过旋转单
9、键，一个分子 产生不同的空间排列二、烷烃的构象烷烃的构象（Conformation）Conformations of EthaneConformers interconvert rapidly and a structure is an average of conformersMolecular models are three dimensional objects that enable us to visualize conformers Representing three dimensional conformers in two dimensions is done with s
10、tandard types of drawings Representing ConformationsSawhorse representations show molecules at an angle, showing a molecular modelC-C bonds are at an angle to the edge of the page and all C-H bonds are shownNewman projections show how the C-C bond would project end-on onto the paperBonds to front ca
11、rbon are lines going to the centerBonds to rear carbon are lines going to the edge of the circleInterconversion EnergyThere barrier to rotation between conformations is small (12 kJ/mol; 2.9 kcal/mol) The most stable conformation of ethane has all six CH bonds away from each other (staggered)The lea
12、st stable conformation has all six CH bonds as close as possible (eclipsed) in a Newman projection energy due to torsional strainStaggered conformersConformations of PropanePropane (C3H8) torsional barrier around the carboncarbon bonds 14 kJ/molEclipsed conformer of propane has two ethane-type HH in
13、teractions and an interaction between CH and CC bondConformations of Butaneanti conformation has two methyl groups 180 away from each otherRotation around the C2C3 gives eclipsed conformationStaggered conformation with methyl groups 60 apart is gauche conformation直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间都是反交叉型直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间
14、都是反交叉型直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间都是反交叉型直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间都是反交叉型己烷己烷己烷己烷重重重重 叠叠叠叠 式式式式乙烷的构象分析乙烷的构象分析重叠式重叠式重叠式重叠式乙烷交叉式交叉式交叉式交叉式乙烷乙烷交叉式交叉式交叉式交叉式乙烷乙烷乙烷乙烷乙烷交叉式构象的投影式乙烷交叉式构象的投影式乙烷交叉式构象的投影式乙烷交叉式构象的投影式NewmanNewman式式锯架式锯架式H HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH H反交叉型反交叉型反交叉型反交叉型H HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH H当两个键间的夹角为当两个键间
15、的夹角为180180，称为反交叉型，称为反交叉型180180邻交叉型邻交叉型邻交叉型邻交叉型H HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH H当两个键间的夹角为当两个键间的夹角为6060，称为邻交叉型，称为邻交叉型606000 60 60 120 120 180 240 180 24030030036036012 kJ/mol12 kJ/mol 乙烷的重叠构象比交叉构象能量高出乙烷的重叠构象比交叉构象能量高出乙烷的重叠构象比交叉构象能量高出乙烷的重叠构象比交叉构象能量高出 12 kJ/mol12 kJ/mol。 重叠构象由于扭应力而不稳定。重叠构象由于扭应力而不稳定。重叠
16、构象由于扭应力而不稳定。重叠构象由于扭应力而不稳定。 扭应力的不稳定是由键的重叠产生的。扭应力的不稳定是由键的重叠产生的。扭应力的不稳定是由键的重叠产生的。扭应力的不稳定是由键的重叠产生的。扭应力扭应力丁烷的构象分析丁烷的构象分析: C2-C3 旋转旋转00 60 60 120 120 180 240 180 2403003003603603 kJ/mol3 kJ/mol14 kJ/mol14 kJ/mol 丁烷的丁烷的丁烷的丁烷的 邻交叉型邻交叉型邻交叉型邻交叉型 构象比构象比构象比构象比反交叉型反交叉型反交叉型反交叉型构象能量构象能量构象能量构象能量 高出高出高出高出 3 kJ/mol.3
17、 kJ/mol. 邻交叉型邻交叉型邻交叉型邻交叉型 构象的不稳定是由于构象的不稳定是由于构象的不稳定是由于构象的不稳定是由于van van derder Waals Waals 应力应力应力应力 ( (也称为空间应力也称为空间应力也称为空间应力也称为空间应力) ) ，是由于原子过于靠近，是由于原子过于靠近，是由于原子过于靠近，是由于原子过于靠近 产生的。产生的。产生的。产生的。van van derder Waals Waals 应力应力应力应力邻交叉型邻交叉型反交叉型反交叉型 两个甲基重叠的构象是丁烷所有构象中最不稳定的两个甲基重叠的构象是丁烷所有构象中最不稳定的两个甲基重叠的构象是丁烷所有
18、构象中最不稳定的两个甲基重叠的构象是丁烷所有构象中最不稳定的 这种不稳定源于扭应力这种不稳定源于扭应力这种不稳定源于扭应力这种不稳定源于扭应力( (重叠键重叠键重叠键重叠键) )和和和和van van derder Waals Waals 应力两者应力两者应力两者应力两者van van derder Waals Waals 应力应力应力应力重叠式重叠式重叠式重叠式直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间都是反交叉型直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间都是反交叉型直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间都是反交叉型直链烷烃最稳定的构象是碳碳之间都是反交叉型己烷己烷己烷己烷复杂烷烃的构象分析复杂烷烃的构象分析三、烷烃的物理
19、性质三、烷烃的物理性质Physical PropertiesBoiling points and melting points increase as size of alkane increasesForces between molecules (temporary dipoles, dispersion) are weak烷烃的物理性质烷烃的物理性质沸点沸点: 同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高熔点熔点: 两条熔点曲线两条熔点曲线密度：密度： 1溶
20、解性溶解性: 不溶于水，溶于有机溶剂，特别是非极性溶剂不溶于水，溶于有机溶剂，特别是非极性溶剂戊烷戊烷bpbp 98C 98C辛烷辛烷bpbp 125C 125C壬烷壬烷bpbp 150C 150C烷烃的沸点烷烃的沸点烷烃的沸点烷烃的沸点1 1） 直链烷烃沸点随着碳原子数的增加而增加。直链烷烃沸点随着碳原子数的增加而增加。直链烷烃沸点随着碳原子数的增加而增加。直链烷烃沸点随着碳原子数的增加而增加。辛烷辛烷辛烷辛烷: : bpbp 125C 125C2-2-甲基庚烷甲基庚烷甲基庚烷甲基庚烷: : bpbp 118C 118C2,2,3,3-2,2,3,3-四甲基丁烷四甲基丁烷四甲基丁烷四甲基丁烷
21、: : bpbp 107C 107C2 2 ）含同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高，）含同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高，）含同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高，）含同数碳原子的烷烃异构体中，直链异构体沸点最高， 支链越多，沸点越低。支链越多，沸点越低。支链越多，沸点越低。支链越多，沸点越低。烷烃的沸点烷烃的沸点烷烃的沸点烷烃的沸点烷烃是非极性的，分子间的吸引力只有诱导偶极烷烃是非极性的，分子间的吸引力只有诱导偶极烷烃是非极性的，分子间的吸引力只有诱导偶极烷烃是非极性的，分子间的吸引力只有诱导偶极- -诱导偶极作用力。诱导偶极作用力。诱导偶极作用力。诱导偶极作用
22、力。诱导偶极诱导偶极诱导偶极诱导偶极- -诱导偶极吸引力诱导偶极吸引力诱导偶极吸引力诱导偶极吸引力+ + 两个非极性分子其正负电荷的中心重合在一起两个非极性分子其正负电荷的中心重合在一起+ + 电子的运动在一个分子中产生瞬间的偶极电子的运动在一个分子中产生瞬间的偶极 ( (左边左边) )+ + 一个分子暂时的偶极一个分子暂时的偶极 ( (左边左边) ) 诱导另一个分子产生互补的诱导另一个分子产生互补的偶极偶极 ( (右边右边) )，其结果两个分子间就产生微弱的吸引力，其结果两个分子间就产生微弱的吸引力四、烷烃的反应四、烷烃的反应Properties of AlkanesCalled paraf
23、fins (low affinity compounds) because they do not react as most chemicalsThey will burn in a flame, producing carbon dioxide, water, and heatThey react with Cl2 in the presence of light to replace Hs with Cls (not controlled)烷烃的反应烷烃的反应1、 烷烃的燃烧烷烃的燃烧2、 烷烃的热解烷烃的热解3、 烷烃的卤化烷烃的卤化C Cn nH H2n+22n+2 + ( + (3
24、n3n+1)/2 O+1)/2 O2 2 n CO n CO2 2 + + （n+1n+1） H H2 2OO烷烃的燃烧烷烃的燃烧燃烧热：燃烧热：- Hc ， 为正值为正值4817 kJ/mol4817 kJ/mol5471 kJ/mol5471 kJ/mol6125 kJ/mol6125 kJ/mol654654 kJ/mol kJ/mol654654 kJ/mol kJ/mol庚烷庚烷庚烷庚烷辛烷辛烷辛烷辛烷壬烷壬烷壬烷壬烷（1 1）燃烧热随着碳原子数的增加而增加）燃烧热随着碳原子数的增加而增加）燃烧热随着碳原子数的增加而增加）燃烧热随着碳原子数的增加而增加8CO8CO2 2 + 9H +
25、 9H2 2OO5452 kJ/mol5452 kJ/mol5458 kJ/mol5458 kJ/mol5471 kJ/mol5471 kJ/mol5466 kJ/mol5466 kJ/molOO2 2+ +25252 2OO2 2+ +25252 2OO2 2+ +25252 2OO2 2+ +25252 2（2 2 2 2）碳原子相同时，）碳原子相同时，）碳原子相同时，）碳原子相同时，直链烷烃的燃烧热最大，支链越多，燃烧热越小。直链烷烃的燃烧热最大，支链越多，燃烧热越小。直链烷烃的燃烧热最大，支链越多，燃烧热越小。直链烷烃的燃烧热最大，支链越多，燃烧热越小。支链分子比其直链异构体位能更低，
26、更加稳定支链分子比其直链异构体位能更低，更加稳定支链分子比其直链异构体位能更低，更加稳定支链分子比其直链异构体位能更低，更加稳定烷烃的氯化和溴化烷烃的氯化和溴化烷烃的氯化和溴化烷烃的氯化和溴化烷烃的卤化烷烃的卤化烷烃与烷烃与 Cl2 或或 Br2反应反应影响产物分布的因素影响产物分布的因素 总反应的决速步是氢的提取。总反应的决速步是氢的提取。考虑烷基游离基的相对稳定性：考虑烷基游离基的相对稳定性：稳定的游离基生成速度快，所以稳定的游离基生成速度快，所以2-氯丁烷的生成速度快。氯丁烷的生成速度快。pg 341 middle在确定所得产物的相对量，必须同时考虑概率和反应性。在确定所得产物的相对量，
27、必须同时考虑概率和反应性。概概 率率: 得到特定产物所能提取氢的数量；得到特定产物所能提取氢的数量；反应性反应性: 特定氢提取的相对速率。特定氢提取的相对速率。溴游离基反应性较氯游离基低，选择性较氯游离基高溴游离基反应性较氯游离基低，选择性较氯游离基高溴游离基反应性较氯游离基低，选择性较氯游离基高溴游离基反应性较氯游离基低，选择性较氯游离基高为什么溴游离基和氯游离基形成的相对速率不同？为什么溴游离基和氯游离基形成的相对速率不同？放热反应放热反应吸热反应吸热反应反应性越高，选择性越低。反应性越高，选择性越低。氟化和碘化情况如何？氟化和碘化情况如何？烷烃可以进行氯化和溴化，但不能碘化。烷烃可以进行
28、氯化和溴化，但不能碘化。氟化过于激烈，该反应没有实际用途。氟化过于激烈，该反应没有实际用途。游离基相对稳定性游离基相对稳定性稳定游离基的生成速度快稳定游离基的生成速度快苄基氢和烯丙基氢的游离基取代反应苄基氢和烯丙基氢的游离基取代反应苄基氢和烯丙基氢的游离基取代反应苄基氢和烯丙基氢的游离基取代反应由于烯丙基氢的反应性，可以使用温和的溴化试剂。由于烯丙基氢的反应性，可以使用温和的溴化试剂。由于烯丙基氢的反应性，可以使用温和的溴化试剂。由于烯丙基氢的反应性，可以使用温和的溴化试剂。优点优点: 低浓度的低浓度的 Br2 和和 HBr 存在，不会与双键加成存在，不会与双键加成游离基取代反应的立体化学游离基取代反应的立体化学为什么会形成两个对映异构体为什么会形成两个对映异构体?首先看链增长的第一步首先看链增长的第一步
