烷烴 有機化學

1、第二章第二章 烷烴烷烴(Alkanes(Alkanes) ) 一、烷烴分子的結(jié)構(gòu)一、烷烴分子的結(jié)構(gòu)二、烷烴的命名法二、烷烴的命名法三、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象三、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象四、烷烴的物理性質(zhì)四、烷烴的物理性質(zhì)五、烷烴的化學性質(zhì)五、烷烴的化學性質(zhì)一、烷烴分子的結(jié)構(gòu)一、烷烴分子的結(jié)構(gòu)1.1.碳原子價鍵的構(gòu)型及鍵的特征碳原子價鍵的構(gòu)型及鍵的特征 2.2.鍵的特點鍵的特點 3. C3. C和和H H的類型的類型 碳原子價鍵的構(gòu)型及鍵的特征碳原子價鍵的構(gòu)型及鍵的特征C C四價的空間排列：四價的空間排列： C sp3C sp3雜化雜化 四面體結(jié)構(gòu)，四面體結(jié)構(gòu)， 鍵角鍵角10910928,28, sp3s

2、 鍵pp 鍵ps 鍵鍵鍵: : 兩個軌道沿著軌道對稱軸方向兩個軌道沿著軌道對稱軸方向 重疊形成的鍵。重疊形成的鍵。2.2.鍵的特點鍵的特點 特點：特點：1 1、電子云可以達到最大程度的重疊，所以比較牢固。、電子云可以達到最大程度的重疊，所以比較牢固。 2 2、 鍵旋轉(zhuǎn)時不會破壞電子云的重疊，所以鍵旋轉(zhuǎn)時不會破壞電子云的重疊，所以 鍵可以鍵可以 自由旋轉(zhuǎn)。自由旋轉(zhuǎn)。pp 鍵 C C和和H H的類型：的類型：C C的類型的類型伯碳原子（一級碳原子）：伯碳原子（一級碳原子）：1 1C C仲碳原子（二級碳原子）：仲碳原子（二級碳原子）：2 2C C叔碳原子（三級碳原子）：叔碳原子（三級碳原子）：3 3

3、C C季碳原子（四級碳原子）：季碳原子（四級碳原子）：4 4C CCH3 CH2 CH CH2 C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 1 14 43 31 11 11 11 11 11 12 22 2二、烷烴的命名法二、烷烴的命名法普通命名法普通命名法 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)命名法 烷基的命名烷基的命名 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)命名法 普通命名法普通命名法 C C1 1C C1010的烷烴的烷烴: : 天干（甲、乙、丙、丁天干（甲、乙、丙、丁壬、癸）壬、癸） 作詞頭作詞頭 “ “烷烷”作作詞尾詞尾 C C1111的烷烴：小寫中文數(shù)字的烷烴：小寫中文數(shù)字 C C5 5H H12 12 戊烷戊烷 C C121

4、2H H26 26 十二烷十二烷 異構(gòu)體異構(gòu)體 “ “正正”、“異異”、“新新”詞頭詞頭 直鏈：名稱前冠以直鏈：名稱前冠以“正正”字字 支鏈：碳鏈一端具有（支鏈：碳鏈一端具有（CHCH3 3）2 2CHCH 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， 其余為直鏈的冠以其余為直鏈的冠以“異異”字；字； 碳鏈一端具有碳鏈一端具有（CHCH3 3）3 3C C結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， 其余為直鏈的冠以其余為直鏈的冠以“新新”字字CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 正戊烷或戊烷正戊烷或戊烷(n(n-Pentane) CH3 CH2 CH CH3 CH3 CH3 異戊烷異戊烷(iso(iso- Pentane) CH3 C CH3 CH3

5、CH3 新戊烷新戊烷(neo(neo- Pentane) 烷基的命名烷基的命名 烴分子中去掉一個氫原子，所剩下的部分叫做烴基烴分子中去掉一個氫原子，所剩下的部分叫做烴基脂肪烴基常用脂肪烴基常用 R表示，表示，一價烷基的通式為一價烷基的通式為CnH2n+1 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)命名法常見烷基的結(jié)構(gòu)和名稱常見烷基的結(jié)構(gòu)和名稱CH3 甲基甲基 C2H5乙基乙基CH3CH2CH2 （正）丙基（正）丙基CH3 CHCH3異丙基異丙基異丁基異丁基CH3 CHCH3CH2CH3CH2CH2CH2（正）丁基正）丁基叔丁基叔丁基CH3 CCH3CH3或(CH3)3CCH3CHCH2CH3仲丁基仲丁基CH2二價烷基稱為

6、二價烷基稱為亞基亞基，最常見的為亞甲基，最常見的為亞甲基 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)命名法( (IUPACIUPAC法法) ) IUPAC IUPAC是是International Union of Pure International Union of Pure and Applied Chemistryand Applied Chemistry的簡稱的簡稱烷烴系統(tǒng)命名法的基本要點：烷烴系統(tǒng)命名法的基本要點： 選擇主鏈選擇主鏈 確定母體烷烴：確定母體烷烴： 被選碳鏈應被選碳鏈應 最長、支鏈最多最長、支鏈最多 編號編號 確定取代基的位次：確定取代基的位次： 從靠近取代基的一端開始從靠近取代基的一端開始 書

7、寫格式書寫格式 “ “烷基名稱烷基名稱+ +母體烷烴名稱母體烷烴名稱” 相同取代基合并相同取代基合并 用二、用二、 三、四等數(shù)字表明取代基的個數(shù)三、四等數(shù)字表明取代基的個數(shù) 各取代基的位次要標出各取代基的位次要標出 各位次間的數(shù)字用各位次間的數(shù)字用“，”隔開隔開 取代基的位次與名稱間用半字線取代基的位次與名稱間用半字線“”連接連接 不同取代基名稱前也用半字線隔開不同取代基名稱前也用半字線隔開不同取代基列出的順序不同取代基列出的順序 按按“次序規(guī)則次序規(guī)則”將取代基先后列出將取代基先后列出 較優(yōu)基團后列出較優(yōu)基團后列出 常見烷基的優(yōu)先順序：常見烷基的優(yōu)先順序： 異丙基異丙基 丙基丙基 乙基乙基

8、甲基甲基 2- -甲基甲基-6-6-乙基辛烷乙基辛烷8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 CH3CH2CHCH2CH2CH2CHCH3CH2CH3CH3 兩個不同的取代基位于相同位次時，兩個不同的取代基位于相同位次時， 次序規(guī)則中排列小的取代基具有較小的編號次序規(guī)則中排列小的取代基具有較小的編號編號編號的的補補充充說說明明CH3CH2CHCH2CHCH2CH3C2H5CH3CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CH3CH2CHCH2CHCH2CH3C2H5C2H5CH3CH37 76 65 543 32 21 17 76 65 543 32 27 76 65 543

9、32 21 13-甲基甲基-5-乙基庚烷乙基庚烷 兩個相同取代基位于相同位次時，兩個相同取代基位于相同位次時， 使第三個取代基的位次最小使第三個取代基的位次最小CH3CH3CHCHCH2CHCH3CH3CH31 2 3 4 5 6 2,3,5-2,3,5-三甲基己烷三甲基己烷 概述概述 碳鏈異構(gòu)碳鏈異構(gòu) 構(gòu)象異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu) 1. 1. 乙烷的構(gòu)象乙烷的構(gòu)象 2. 2. 正丁烷的構(gòu)象正丁烷的構(gòu)象三、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象三、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象 概述概述 化合物分子式相同而結(jié)構(gòu)不同的現(xiàn)象稱為化合物分子式相同而結(jié)構(gòu)不同的現(xiàn)象稱為同同分異構(gòu)現(xiàn)象分異構(gòu)現(xiàn)象。分子式相同而結(jié)構(gòu)不同的化合物。分子式相同而結(jié)構(gòu)不同的

10、化合物 間間互稱互稱同分異構(gòu)體同分異構(gòu)體構(gòu)造構(gòu)造: 分子中的原子或基團的分子中的原子或基團的連接順序和方式連接順序和方式構(gòu)型構(gòu)型: 分子中的原子或基團在分子中的原子或基團在空間固有空間固有的排列方式的排列方式構(gòu)象構(gòu)象: 由于單鍵的由于單鍵的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)或或扭曲扭曲而引起分子中的云子或而引起分子中的云子或基團在空間所呈現(xiàn)的形象基團在空間所呈現(xiàn)的形象有機分子結(jié)構(gòu)的三層含義有機分子結(jié)構(gòu)的三層含義構(gòu)造構(gòu)造異構(gòu)體、異構(gòu)體、構(gòu)型構(gòu)型異構(gòu)體和異構(gòu)體和構(gòu)象構(gòu)象異構(gòu)體異構(gòu)體（1） 兩面角兩面角 單鍵旋轉(zhuǎn)時，相鄰碳上的其他鍵單鍵旋轉(zhuǎn)時，相鄰碳上的其他鍵會交叉成一定的角度會交叉成一定的角度( ( ) )，稱為兩，稱為兩

11、面角。面角。兩面角為兩面角為0 0 時的構(gòu)象為重疊式構(gòu)象。時的構(gòu)象為重疊式構(gòu)象。兩面角為兩面角為6060 時的構(gòu)象為交叉式構(gòu)象。時的構(gòu)象為交叉式構(gòu)象。兩面角在兩面角在0-600-60o o之間的構(gòu)象稱為扭曲式構(gòu)象。之間的構(gòu)象稱為扭曲式構(gòu)象。HH 、 乙烷的構(gòu)象乙烷的構(gòu)象傘式傘式 鋸架式鋸架式 紐曼式紐曼式交叉式構(gòu)象交叉式構(gòu)象重重疊疊式構(gòu)象式構(gòu)象HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH傘式，鋸架式與紐曼式的畫法也適合于其它有機化合物傘式，鋸架式與紐曼式的畫法也適合于其它有機化合物（2）乙烷交叉式構(gòu)象與重）乙烷交叉式構(gòu)象與重疊疊式構(gòu)象的表示方法式構(gòu)象的表示方法（3）

12、乙烷交叉式構(gòu)象與重）乙烷交叉式構(gòu)象與重疊疊式構(gòu)象的能量分析式構(gòu)象的能量分析C-H 鍵長鍵長C-C 鍵長鍵長 鍵鍵 角角 兩面角兩面角兩氫相距兩氫相距110.7 pm154 pm109.5o60o250 pm110.7 pm154 pm109.5o0o229 pm250 pm 240 pm 229 pmE重疊重疊 E交叉交叉 E=12.1KJmol-1每個每個C-H、C-H重疊的能量約為重疊的能量約為4 KJ mol-1當二個氫原子的間距少于當二個氫原子的間距少于240pm240pm（即二個氫原子的半徑和）（即二個氫原子的半徑和）時，氫原子之間會產(chǎn)生排斥力，從而使分子內(nèi)能增高，所以時，氫原子之間

13、會產(chǎn)生排斥力，從而使分子內(nèi)能增高，所以重疊式比交叉式內(nèi)能高。重疊式比交叉式內(nèi)能高。12.1 KJ0 KJ060180300360能量旋轉(zhuǎn)角（4）乙烷）乙烷構(gòu)象勢能關(guān)系圖構(gòu)象勢能關(guān)系圖 以單鍵的旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標，以單鍵的旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標，以各種構(gòu)象的勢能為縱坐標。如以各種構(gòu)象的勢能為縱坐標。如果將單鍵旋轉(zhuǎn)果將單鍵旋轉(zhuǎn)360度，就可以畫出度，就可以畫出一條構(gòu)象的勢能曲線。由勢能曲一條構(gòu)象的勢能曲線。由勢能曲線與坐標共同組成的圖為構(gòu)象的線與坐標共同組成的圖為構(gòu)象的勢能關(guān)系圖。勢能關(guān)系圖。穩(wěn)定構(gòu)象穩(wěn)定構(gòu)象位于勢能曲線谷位于勢能曲線谷底的構(gòu)象底的構(gòu)象非鍵連相互作用非鍵連相互作用不直接相連的原子不直接相連

14、的原子間的排斥力。間的排斥力。轉(zhuǎn)動能壘轉(zhuǎn)動能壘 分子由一個穩(wěn)定的交叉式構(gòu)分子由一個穩(wěn)定的交叉式構(gòu)象轉(zhuǎn)為一個不穩(wěn)定的重疊式象轉(zhuǎn)為一個不穩(wěn)定的重疊式構(gòu)象所必須的最低能量。構(gòu)象所必須的最低能量。（2525時轉(zhuǎn)速達時轉(zhuǎn)速達10101111次次/ /秒）秒） 扭轉(zhuǎn)張力扭轉(zhuǎn)張力 非穩(wěn)定構(gòu)象具有恢復成穩(wěn)非穩(wěn)定構(gòu)象具有恢復成穩(wěn)定構(gòu)象的力量定構(gòu)象的力量；2、正丁烷的構(gòu)象、正丁烷的構(gòu)象正丁烷的構(gòu)象比較乙烷要較為復雜一些。正丁烷的構(gòu)象比較乙烷要較為復雜一些。正丁烷的極端典型構(gòu)象有四種：正丁烷的極端典型構(gòu)象有四種： 全重疊式全重疊式 鄰位交叉鄰位交叉 部分重疊式部分重疊式 對位交叉式對位交叉式CH3H3CHHHHCH

15、3CH3HHHHH3CH3CHHHH246CH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHH6 0o1 2 0o1 8 0o2 4 003 0 0o3 6 0o0 K J3 .8 K J 1 4 .6 K J2 2 .6 K J能能量量旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角4 全重疊全重疊2，6 部分重疊部分重疊3，5 鄰位交叉鄰位交叉1=7 對位交叉對位交叉2, 4, 6 是不穩(wěn)定構(gòu)象，是不穩(wěn)定構(gòu)象，1, 3, 5, 7 是穩(wěn)定構(gòu)象。是穩(wěn)定構(gòu)象。1=7 是優(yōu)勢構(gòu)象（能是優(yōu)勢構(gòu)象（能量最低的穩(wěn)定構(gòu)象稱量最低的穩(wěn)定構(gòu)象稱為優(yōu)勢構(gòu)象）為優(yōu)勢構(gòu)象）沿沿C2-C3鍵軸旋轉(zhuǎn)鍵

16、軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動能壘的轉(zhuǎn)動能壘 22.6 kJmol-1（）正丁烷的構(gòu)象勢能關(guān)系圖）正丁烷的構(gòu)象勢能關(guān)系圖五、烷烴的化學性質(zhì)五、烷烴的化學性質(zhì) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 燃燒反應燃燒反應 鹵代反應鹵代反應 甲烷的鹵代反應甲烷的鹵代反應 鹵代反應機制鹵代反應機制 C CC C鍵和鍵和C CH H鍵均很牢固鍵均很牢固 C CH H鍵的極性小，鍵的極性小，C C和和H H都很難被都很難被極化極化 在常溫下，與強酸、強堿、強氧化劑、強還原劑在常溫下，與強酸、強堿、強氧化劑、強還原劑都不發(fā)生反應都不發(fā)生反應 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 燃燒燃燒 燃燒產(chǎn)物為燃燒產(chǎn)物為COCO2 2和和H H2 2O O，并放出大量的熱，因，并放出大量

17、的熱，因此烷烴成為可作為重要的能源此烷烴成為可作為重要的能源. .鹵代反應鹵代反應 RH + X2 RX + HX (X = Cl、Br) 鹵素的活潑性鹵素的活潑性：F2Cl2Br2I2 鹵代通常指氯代和溴代鹵代通常指氯代和溴代. 鹵代烴（鹵代烴（RX）是合成其它有機化合物的中）是合成其它有機化合物的中 間體間體. 甲烷的鹵代甲烷的鹵代CHCH4 4 + Cl+ Cl2 2 CHCH3 3Cl + CHCl + CH2 2ClCl2 2 + + CHClCHCl3 3+ + CClCCl4 4 光光blue lightl 產(chǎn)物是產(chǎn)物是混合物混合物l 若甲烷大大過量，產(chǎn)物以若甲烷大大過量，產(chǎn)物以

18、一氯甲烷一氯甲烷為主；為主； 若氯氣大大過量，產(chǎn)物以若氯氣大大過量，產(chǎn)物以四氯化碳四氯化碳為主為主2. 反應熱反應熱 根據(jù)鍵離解能數(shù)據(jù)計算得到根據(jù)鍵離解能數(shù)據(jù)計算得到kJ/mol 435 243 351 431CH3H + ClClCH3Cl + HClH = (435+243) (351+431) = 104kJ/mol3.鹵代反應機制鹵代反應機制l 反應機制又稱反應機制又稱反應歷程反應歷程， 是化學反應所經(jīng)歷的是化學反應所經(jīng)歷的具體途徑具體途徑. .l 了解反應機制，可以了解反應機制，可以掌握反應規(guī)律掌握反應規(guī)律，達到，達到利用和利用和控制反應控制反應的目的的目的. . 甲烷氯代反應機制甲

19、烷氯代反應機制自由基自由基鏈鎖反應鏈鎖反應 分為分為3 3個個步驟步驟 鏈引發(fā)鏈引發(fā)：形成自由基：形成自由基Cl .Cl .+Cl Cl . . .光或熱光或熱Ea Ea 243243 kJkJmolmol-1-1 = = +243+243 kJkJmolmol-1-1rHm鏈增長鏈增長：延續(xù)自由基，形成產(chǎn)物：延續(xù)自由基，形成產(chǎn)物EaEa16.816.8 kJkJmolmol-1-1 EaEa 8 kJmol-1 ClCl + CH + CH4 4. . . . .CHCH3 3 + HCl+ HCl .= = +4+4 kJkJmolmol-1-1rHm= = -108-108 kJkJmo

20、lmol-1-1rHmCHCH3 3 + Cl+ Cl2 2. .CHCH3 3ClCl + + ClCl. . . . .CHCl3 + CCl3 + HCl Cl .CHCl3 + CCl3 + HCl Cl .CCl3 + Cl2 CCl4 + .Cl .CCl3 + Cl2 CCl4 + .Cl .（3 3）鏈終止）鏈終止：消除自由基，終止反應：消除自由基，終止反應Cl Cl . . .Cl + .Cl .Ea Ea 0 0 rHm= 243 kJmol-1CH3 + .CH3 .H3C CH3 rHm= 368 kJmol-1Ea Ea 0 0 Ea Ea 0 0rHm= 351 k

21、Jmol-1Cl .+CH3 .Cl .CH3 Ea Ea 0 0rHm= 351 kJmol-1rHm= 351 kJmol-1Cl .+CH3 .Cl .CH3 鏈增長過程是放熱的鏈增長過程是放熱的 ； 每一步的每一步的EaEa很小，因此連增長很容易進行；很小，因此連增長很容易進行； 每一步消耗一個自由基，同時產(chǎn)生一個新每一步消耗一個自由基，同時產(chǎn)生一個新 的自由基。的自由基。說明說明4. 烷烴鹵代反應的取向烷烴鹵代反應的取向(1) 各種氫活性各種氫活性h36% 64%159/%641/%3613的活性的活性HH + Cl2CH3CHCH3CH3CH3CCH3CH3+ CH3CHCH2ClCH3Cl254. 烷烴鹵代反應的取向烷烴鹵代反應的取向(1) 各種氫活性各種氫活性 室溫下進行室溫下進行氯代氯代反應時反應時, 烷烴各種氫相對烷烴各種氫相