飽和脂肪烴課件

1、第二章 飽和脂肪烴Alkane第1頁，共59頁。一、同系列最簡單的烷烴叫甲烷。 甲烷乙烷CH4C2H6CnH2n第2頁，共59頁。 所以，烷烴的通式為：CnH2n+2 。給你一個分子式，你就可以通過通式來判別是不是烷烴。 通過上式也可以看出：結構相似而在組成上相差CH2或它的倍數(shù)的許多化合物組成一個系列同系列。 CH2叫作系差，同系列中各化合物叫作同系物。 第3頁，共59頁。 由于同系列中同系物的結構相似性，因此具有相似的化學性質，所以只要研究幾個同系物的性質以后就可以推斷同系物其它化合物的性質。 但也必須指出，在同系列中，對于低級和高級同系物之間由于碳原子的增加，有個量變到質變的過程，性質上

2、也有很大的區(qū)別。第4頁，共59頁。二、同分異構體 分子式相同，構造式不同同分異構體，簡稱異構體。 同分異構是有機化學中一個普遍的現(xiàn)象。 我們來觀察可發(fā)現(xiàn)甲烷、乙烷中H原子所處的環(huán)境是完全相同的，如果用甲基取代它們中的任一個氫則能得到一種化合物。第5頁，共59頁。 在丙烷中有兩種不同環(huán)境的氫，其中有6個H相同，另有2個H相同，所以用甲基去取代氫時有兩種途徑，如下：正丁烷異丁烷 隨著C原子數(shù)目增多，同分異構體也增多。10個C有75種；20個C有366319種；30個C有62491178805831種。第6頁，共59頁。 如何推同分異構體是本章重點，下面以6個C為例推導C6H14分子式的同分異構體，

3、共5種。第7頁，共59頁。1.寫出最長的碳鏈 C-C-C-C-C-C2.寫出少一個碳原子的主鏈，把減少的一個碳 原子作為支鏈連接在主鏈上并依次交換在主 鏈上的位置，但注意不能將支鏈連接在碳鏈 的兩側。3.寫出少兩個碳原子的主鏈，把減少的兩個碳 原子作為支鏈連接在主鏈上并依次交換在主 鏈上的位置。第8頁，共59頁。課堂練習：請寫出分子式為C7H16的同分異構體？（9種）答案:第9頁，共59頁。第10頁，共59頁。伯碳原子：又稱一級C原子10 ，C和3個H原子相連，相連的氫也叫伯氫；仲碳原子：又稱二級C原子20 ，C和2個H原子相連，相連的氫也叫仲氫；叔碳原子：又稱三級C原子30 ，C和1個H原子

4、相連，相連的氫也叫叔氫；季碳原子：又稱四級C原子40 。此外在這里還要介紹幾個名詞：第11頁，共59頁。三、烷烴的命名（一）取代基的名稱：烷烴分子中從形式上去掉一個氫原子后剩下的原子團叫作烷基，通常用R-表示。如：甲烷去掉一個氫 CH3 甲基；乙烷去掉一個氫 CH3CH2 乙基；異丙烷去掉一個氫稱異丙基，依次類推。（二）命名法：普通命名法、系統(tǒng)命名法、俗名（根據(jù)來源或某種性質命名）第12頁，共59頁。1.普通命名法：（1）用甲、乙、丙、丁十個字來表示十個碳以下的數(shù)目，如CH3CH2CH2CH2 CH3稱為正戊烷。（2）十個碳以上烷烴是用數(shù)字表示，如C11H24直鏈烷烴叫作正十一烷。（3）對于相

5、同碳原子并帶有支鏈的烷烴，則用異、新加以區(qū)別同分異構體。如異戊烷、新戊烷。第13頁，共59頁。普通命名法只適用于簡單的含碳較少的烷烴，如 就無能為力了。第14頁，共59頁。2. 系統(tǒng)命名法：采用國際通用的命名原則，并根據(jù)我國文字特點采用的一種命名方法。選擇一條最長的碳鏈作主鏈，將主鏈以外的其它烷基看作是主鏈上的取代基（或叫支鏈）。定主鏈由距離支鏈最近的一端開始，將主鏈上的碳原子用阿拉伯數(shù)字編號，支鏈所在的位置就以它所連接的碳原子的號數(shù)表示。定編號第15頁，共59頁。支鏈烷基的名稱及位置寫在母體名稱的前面，按“次序規(guī)則”排列多個支鏈。定順序“次序規(guī)則”：原子序數(shù)大的為較優(yōu)基團；第一個原子相同時，

6、比較第二個原子，依次類推。含有雙鍵和叁鍵的基團，把雙鍵和叁鍵的基團看作單鏈原子的重復，然后進行比較。滿足最低系列原則。 第16頁，共59頁。命名的幾個實例：4-甲基-3-乙基庚烷2,2,3,5-四甲基己烷最低系列例子第17頁，共59頁。四、烷烴的結構 前面所寫化合物的結構式，只能告訴我們分子中原子之間的連接次序。例如，甲烷的結構式只能說明分子中有四個氫原子與碳原子直接相連，而沒有表示出氫原子與碳原子在空間的相對位置，也就是不能說明分子的立體形狀。 實際烷烴的分子結構是怎樣的，即它的原子在空間如何分布呢？我們拿最簡單的甲烷來剖析一下。第18頁，共59頁。據(jù)近代物理儀器X-射線結構分析發(fā)現(xiàn)：四個C

7、-H鍵長完全相等；H-C-H間夾角都是109.50。這些數(shù)據(jù)說明甲烷的分子不是像結構式畫的那樣一個平面正方形，而是正四面體型的，即四個氫原子在正四面體的四個頂點，碳原子在正四面體的中心。（照書講述，簡單介紹一下球棍模型、斯陶特模型）第19頁，共59頁。 我們知道碳原子基態(tài)電子層結構是1S22S22Px12Py1，按照電子配對法規(guī)則，碳原子可以接受兩個電子，也就是說化合價應為2，而實際上碳原子化合價為4。第20頁，共59頁。 對于上述現(xiàn)象，化學家鮑林提出了雜化軌道理論，認為碳原子的一個S軌道與三個P軌道經過雜化后形成了四個等同的SP3雜化軌道，四個SP3雜化軌道的軸在空間的取向相當與從四面體的中

8、心伸向四個頂點的方向，只有這樣價電子對間的互斥作用才最小，即鍵角均為109.50。第21頁，共59頁。第22頁，共59頁。第23頁，共59頁。 乙烷的分子結構：碳原子同樣進行SP3雜化，其中一個碳原子的SP3和另一個碳原子的SP3軌道沿著軌道對稱軸方向重疊，這樣可達到電子云的最大重疊，形成一個CC鍵，余下的六個SP3軌道分別和六個H原子1S重疊形成六個CH鍵。第24頁，共59頁。 以上介紹了甲烷和乙烷和分子結構，丙烷的分子結構和上述大致相同。從上面軌道重疊來看，不管是CH鍵還是CC鍵中成鍵原子的電子云是沿著它們對稱軸方向互相重疊而成，即在兩個原子核的連線方向上重疊，這樣形成的鍵叫鍵。鍵的特點：

9、鍵能大（重疊多）； 可以自由旋轉。第25頁，共59頁。五、烷烴的構象1.乙烷的構象上面講了鍵可以自由旋轉而不影響電子云的重疊，如果使乙烷分子中一個碳原子不動，另一碳原子繞CC鍵軸旋轉，則一個碳原子上的三個氫相對于另一碳原子上的三個氫，可以有無數(shù)的空間排列形式，這種由于圍繞單鍵旋轉而產生的分子中的原子或基團在空間的不同排列形式叫做構象(conformation)。第26頁，共59頁。 由于C-C鍵的自由旋轉，乙烷可以有無限數(shù)目的構象，但從能量上來說只有一種構象的內能最低，因而穩(wěn)定性也最大，這種構象就叫做優(yōu)勢構象。乙烷的優(yōu)勢構象是交叉式。在交叉式構象中，兩個碳原子上的氫原子間的距離最遠，相互間的排

10、斥力最小，因而分子的內能最低。第27頁，共59頁。內能最高的一種構象則是重疊式。在重疊式構象中兩個碳原子上的氫原子兩兩相對，距離最近，相互間的排斥作用最大，因而內能最高，也就最不穩(wěn)定。交叉式與重疊式是乙烷的兩種極端構象。其它構象的內能都介于這二者之間。第28頁，共59頁。乙烷的交叉式構象（staggered conformation）乙烷的重疊式構象（eclipsed conformation）第29頁，共59頁。乙烷的構象：第30頁，共59頁。 交叉式與重疊式的內能雖不同，但差別較小，約為12.5kJ/mol。在接近絕對零度的低溫時，分子都以交叉式存在，而在室溫情況下的熱能就足以使兩種構象之

11、間以極快的速度互相轉化（克服扭轉能），因此在室溫時，可以把乙烷看作是交叉式與重疊式以及介于這二者之間的無數(shù)構象異構體的平衡混合物，而不可能分離出構象異構體。第31頁，共59頁。但假若某一化合物的兩種構象之間的內能差別較大，由一種構象轉變?yōu)榱硪环N構象需要較大的能量時，就有可能用一定的方法分出不同的構象異構體。由于不同構象的內能不同，構象之間相互轉化是需要克服一定能障的，所以所謂單鍵的自由旋轉，并不是完全自由的。第32頁，共59頁。2. 丁烷的構象丁烷可以看作是乙烷的二甲基衍生物，用如下投影法表示全重疊式的丁烷及其四個碳原子：由全重疊式構象開始，固定C1與C2，而使C3繞C2一C3間的鍵軸作相對旋

12、轉，則每旋轉600，可以得到一種有代表性的構象，旋轉3600 則復原。第33頁，共59頁。第34頁，共59頁。動畫演示：第35頁，共59頁。 在上述六種構象中，()與()相同，()與(V)相同，所以實際上有代表性的構象為(I)、()、()、()四種。它們分別叫做全重疊式、鄰位交叉式、部分重疊式及對位交又式。 這幾種構象的內能高低為全重疊式部分重疊式鄰位交叉式對位交叉式，但它們之間的能量差別仍是不大的，因此不能分離出構象異構體。由于甲基比氫原子大得多，所以丁烷的全重疊式構象與對位交叉式構象間的能量差要比乙烷的重疊式構象與交叉式構象間的能量差高。第36頁，共59頁。 由于對位交叉式是最穩(wěn)定的構象，

13、所以三個碳以上烷烴的碳鏈應以鋸齒形為最穩(wěn)定。 第37頁，共59頁。六、烷烴的性質1. 物理性質：純物質的物理性質在一定條件下都有固定的數(shù)值，所以也常把這些數(shù)值稱作物理常數(shù)，通過物理常數(shù)的測定，可以鑒定物質的純度，或鑒別個別的化合物。 請看書P19-21頁，后回答以下問題：待定 一般說來，同系列中各物質的物理常數(shù)是隨相對分子質量的增加而遞變的。例如，烷烴的沸點和相對密度都隨相對分子質量的增加而升高。在室溫下，烷烴系列中前四個化合物是氣體，由戊烷開始是液體，十七烷以上是固體。第38頁，共59頁?？偨Y如下：碳原子數(shù)增加，分子量增加，熔沸點增加，折射率也緩慢增大。對于同分異構體，分支程度越高，熔沸點越

14、低。但也不是絕對的，而是相對的。 第39頁，共59頁。密度也隨分子量的增加而增加，但都小于1。溶解度，不溶于水等極性溶劑中，而易溶于非極性或弱極性的物質中。解釋：碳原子數(shù)增加，分子的表面積就越大，則色散力越強。分子熱運動需一定動能，E=1/2MV2，所以碳原子數(shù)增加，分子量增加，所需的動能也越大。對于同分異構體，分支程度越高，分子的接觸面積就越少，則色散力越小。第40頁，共59頁。2. 化學性質： 在所有的有機物中，烷烴是不含官能團的化合物，分子中除了CC鍵，就只有CH鍵，所以烷烴的化學性質是最不活潑的。S穩(wěn)定性：一般條件下，烷烴不與大多數(shù)試劑如強酸、強堿、強氧化劑等反應。（注意：一般條件與高

15、溫高壓、催化劑等的區(qū)別）第41頁，共59頁。鹵代反應游離基反應 在日光（紫外線）照射或在高溫下，烷烴分子中氫原子能逐步被氯取代，得到不同氯代烷的混合物。 這反應是怎樣進行的呢？是通過游離基歷程進行的，它一般經過下列三個步驟：第42頁，共59頁。動畫演示：第43頁，共59頁。需光照或高溫鏈的引發(fā)游離基產生：鏈的增長：(需光照或高溫)如此循環(huán)，可以得到三氯甲烷及四氯化碳。第44頁，共59頁。鏈的終止：有關活化能部分同學們自學！ 如果甲烷和氯氣在強光照條件下，反應更為激烈，以至發(fā)生爆炸。第45頁，共59頁。烷烴對鹵代反應的相對反應活性與烷基自由基的穩(wěn)定性：結構：CH3sp2 平面構型甲基自由基的結構

16、 其它烷烴進行鹵化反應，也是按游離基歷程進行的，但由于結構不同，其氫原子被取代的難易也不同。一般說來活性是，叔氫仲氫伯氫。 第46頁，共59頁。舉例推出以下結論： 丙烷分子中有6個伯氫、兩個仲氫，按理說取代產物比例應為31，然而實際上取代產物比例為11。這和產生的中間體游離基的穩(wěn)定性有關，含單電子的碳上連接的烷基越多，這樣的游離基越穩(wěn)定。幾種游離基的穩(wěn)定性為： 第47頁，共59頁。氧化反應和燃燒完全氧化：烷烴在高溫和足夠的空氣燃燒 這就是汽油內燃機工作的原理部分氧化：如果改變氧化條件和催化劑存 在下，可以達到部分氧化，這反應主要用 于制備高級醇和高級脂肪酸的制備。 第48頁，共59頁。氧化：在

17、有機分子中加入氧或去掉氫；還原：在有機分子中加入氫或去掉氧。低級烷烴蒸氣與空氣混合至一定比例時，遇到明火或火花發(fā)生爆炸，比如煤礦瓦斯爆炸。第49頁，共59頁。熱裂：有機化合物在高溫和無氧條件下發(fā)生鍵斷裂的反應。溫度在450 以上。為自由基反應。催化熱裂的溫度可以低些。裂化在煉油工業(yè)上是一個很重要的反應。第50頁，共59頁。七、過渡狀態(tài)理論基元反應：反應物過渡態(tài)產物第51頁，共59頁。第52頁，共59頁。中間體和過渡態(tài)的異同：相同點：能量高、壽命短、活性高；不同點：中間體處能谷，能證實。過渡態(tài)處能 峰，不能分離出來第53頁，共59頁。八、烷烴的制備 1. 偶聯(lián)反應 Wurtz合成法僅適合對稱烷烴的制備第54頁，共59頁。Corey-House和成法Kolbe電解法自由基氧化還原反應，只適合制備C6以下對稱烷烴。2. 還原反應第55頁，共59頁。九、自然界的烷烴烷烴的來源：1. 沼氣：甲烷為主要成分，另有硫化氫、氫氣 等。沼氣作為一種燃料，是與地熱、太陽能并 列為當代三大新能源。