烷烴和環(huán)烷烴課件完整版

1、第二章烷烴和環(huán)烷烴(alkane)重點(diǎn)講解內(nèi)容一、烷烴的同系列和構(gòu)造異構(gòu) 二、烷烴的命名三、烷烴的結(jié)構(gòu)四、烷烴的物理性質(zhì) 五、烷烴的化學(xué)性質(zhì) 六、烷烴的構(gòu)象異構(gòu)一、烷烴的同系列和構(gòu)造異構(gòu)烴（hydrocarbon）：僅由碳和氫兩種元素組 成的有機(jī)化合物。烷烴（alkane）：烴分子中的碳原子彼此以C-C單鍵連接，碳的其余鍵都與氫原子相連。最簡(jiǎn)單的烷烴為甲烷：Molecular formula CH4HHCHHH CHHH:a Lewis dotstructureHH : C : H Ha Sawhorse representationKekul structure一、烷烴的同系列和構(gòu)造異構(gòu)名稱

2、分子式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式甲烷CH4CH4乙烷C2H6CH3CH3丙烷C3H8CH3CH2CH3丁烷C4H10CH3CH2CH2CH3己烷C6H14CH3(CH2)4CH3辛烷C8H18CH3(CH2)6CH3一、烷烴的同系列和構(gòu)造異構(gòu)任何兩個(gè)烷烴之間相差整數(shù)倍的 CH2(亞甲 基)。通式為：H(CH2)nH 或CnH2n+2同系列（homologous series） ：具有同一 分子通式，組成上相差CH2及其倍數(shù)的一系 列化合物。同系物（homolog）：具有同一分子通式， 結(jié)構(gòu)相似，化學(xué)性質(zhì)相似，物理性質(zhì)隨碳原 子數(shù)增加而有規(guī)律變化的化合物。有機(jī)物中除烷烴同系物外，還有其他同系物。一、烷烴的同系列和

3、構(gòu)造異構(gòu)烷烴同系列中，甲、乙、丙無(wú)同分異構(gòu)，丁烷有：C4H10 C4H10b.p. -0.5b.p. -10.2構(gòu)造異構(gòu)（constitutional isomerism）：具有 相同分子式，僅由于原子間的連接順序和方式不 同引起的同分異構(gòu)隨碳原子數(shù)目增加，構(gòu)造異構(gòu)體的數(shù)目將大大增 加。例如丁烷有兩個(gè)同分異構(gòu)體，戊烷將有三 個(gè)，己烷有五個(gè)，(都是指的鏈烴)。CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3 CH3一、烷烴的同系列和構(gòu)造異構(gòu)碳原子和氫原子的分類烷烴中的碳原子大多數(shù)可根據(jù)與其相連的碳原子數(shù) 目的多少分為四類，即伯、仲、叔和季碳原子伯（primary）碳原子 仲(secondary) 碳原子

4、 叔 (tertiary) 碳原子 季(quaternary)碳原子10203040只與一個(gè)碳原子相連 與兩個(gè)碳原子相連 與三個(gè)碳原子相連 與四個(gè)碳原子相連叔丁基tert-butyl丁基butyl1oCH3CH2CH2CH22oCH3CH2CHCH3仲丁基sec-butylCH3 H3CC3oCH33o2o2o1o1oCH3H3CC4oCH2CHCH2CH2CH3 CH3CH3134111分別把與伯、仲、叔 碳原子 相連的氫原子稱為伯、仲、叔 氫原子21提問(wèn)： 1.有無(wú)季氫原子？2.甲烷碳原子是何類型碳原子？只有甲烷碳原子，不屬于任何一種碳原子，這 就是剛開(kāi)始時(shí)所說(shuō)的大多數(shù)碳原子的原因。二、烷

5、烴的命名（一）普通命名法對(duì)于碳數(shù)為C1 C10的烷烴甲、乙、丙、丁、 戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳數(shù)，稱為“某烷對(duì)于碳數(shù) C10的烷烴直接用中文數(shù)字表示碳數(shù)對(duì)于構(gòu)造異構(gòu)體，則使用“正”、“異”、“新”等表示 如“正（normal或n- ）”表示直鏈烷烴、“異（iso或-）”表示碳鏈一端有異丙基(CH3)2CH- 、“新(neo)”表示碳鏈一端有新戊基 (CH3)3CCH2-等。3CH3CH3CHCCH3CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH3正丁烷異丁烷新戊烷烷基（alkyl substituent）：烷烴分子中去掉個(gè)原子后所余下的原子團(tuán)，通式為CnH2n+1通常用 R- 表示，英文用

6、“ yl ” 替代 “ ane ”Methane MethylEthane Ethyln-Propane n-PropylCH3CH2CH3n-Butane isopropyln-ButylCH3CH2CH2CH3sec-Butyliso-Butane(CH3)2CHCH3iso-Butyl tert-ButylCH3- CH3CH2- CH3CH2CH2- (CH3)2CH-CH3CH2CH2CH2- CH3CH2CHCH3 (CH3)2CHCH2-(CH3)3C-Me Etn-Pro i-Pro n-Bu sec-Bui-Butert-Bu（二）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）（二

7、）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）仲戊基CH3CH2CH2CHCH3CH3CH2CHCH2CH3和CH CH CH32CH3CH3CH CH C32CH3（仲）（叔）(CH3)2CH CH2(CH3)3CCH2（異）（新）烷烴去掉一個(gè)H生成的一價(jià)原子團(tuán)叫烷基R-,CnH2n+1去掉兩個(gè)H生成的二價(jià)原子團(tuán)叫亞某基去掉三個(gè)H生成的三價(jià)原子團(tuán)叫次某基CH2CHCH3C(CH3)2CHCHCH3亞甲基亞乙基亞異丙基次甲基次乙基兩個(gè)價(jià)不在同一碳原子上時(shí)需標(biāo)出位置，例如：-CH2CH2-1,2-亞乙基-CH2CH2CH2-1,3-亞丙基（二）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）一）直鏈烷烴命名

8、法與“普通命名法”基本 相同，但在命名中沒(méi)有“正”。例：CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3普通命名：正庚烷IUPAC命名：庚烷二）含支鏈的烷烴主鏈的選擇：最長(zhǎng)的碳鏈主鏈的編號(hào)書寫取代基的規(guī)則（二）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）（A）如果具有不止一條可選擇的等長(zhǎng)的碳鏈,優(yōu)先 選擇取代基多的作為主鏈正確名稱為： 2-甲基-3-乙基戊烷3-ethyl-2-methylpentane而不是： 3-異丙基戊烷not： 3-isopropylpentaneCH2CH3CH3CH2CH CHCH CHCH3CH3CH3CH2CH32,3,5-trimethyl-4- propylhepta

9、nenot 3-methyl-4-(1,2- dimethylpropyl)heptaneCH3CH2CHCH2CH3543321542CHCH31CH3（二）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）(B)主鏈的編號(hào)原則：從最靠近支鏈的一端開(kāi)始編號(hào)，用1，2，3表示，即取代基位次最小。有幾個(gè)取代基時(shí)，取代基位次的和最小。和相同時(shí)，小 的取代基位次小為宜。 1234 5 6CH3CHCH2CH2CHCH2CH3CH2CH3CH2CH2CH33 456789216543 21CH3CH2CH2CHCH2CH3CH33-甲基己烷3-甲基-6-乙基壬烷（二）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）(C

10、)書寫取代基的規(guī)則按取代基在前、母體在后的順序?qū)懗鋈?。取代基的位次用阿拉伯?dāng)?shù)字寫在取代基前面，與取代基 用“-”隔開(kāi)。取代基的先后次序按“優(yōu)先次序”排列(最優(yōu)先的排在最 前,不是按取代基的位次由小到大排列)。相同取代基合并，用大寫一、二、三等表示數(shù)目，分別的位次在前面標(biāo)明，位次數(shù)碼之間用逗號(hào)隔開(kāi)。CH3 CHCH2CHCH2CH2CHCH2CH2CH3 CH3CH2CH3CH3（二）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）（D）復(fù)雜取代基的命名：該取代基的編號(hào)要從 與主鏈相連的碳原子開(kāi)始，沿最長(zhǎng)的一條鏈以 1，2，3 編號(hào)，如：CH3CH2CH2CH2CHCHCH2CH2CH2CHCH3CH

11、3CH3CHCH2CHCH3CH3CH312346位上取代基為：6-(1,3-二甲基丁基)或6-1,3-二甲基丁基2,7-二甲基-6-(1,3-二甲基丁基)-十一烷（二）系統(tǒng)命名法（ IUPAC Rules ）CH3CH2CHCHCHCHCH333CH3 CH2CH2CH31CH 4CH 25763623 45712143567三、烷烴的結(jié)構(gòu)：碳的最外層電子為2S22P2，排布為碳原子雜化解釋：2S軌道中的一個(gè)電子激發(fā)到P軌 道中，然后四個(gè)電子軌道能量平均化，空間結(jié)構(gòu)重 新排布，形成四個(gè)新的SP3雜化軌道，軌道取向是 指向正四面體的頂點(diǎn)，軌道間的夾角為109028。Sp3雜化軌道激發(fā)態(tài)激發(fā)Sp

12、3雜化2px 2py 2pz2S2px 2py 2pz2S三、烷烴的結(jié)構(gòu)SP3雜化軌道成不對(duì)稱紡棰型，一端大，一端 小。大的一端與其他軌道(S軌道或其他SP3雜 化軌道)成鍵，從而組成烷烴。109028C三、烷烴的結(jié)構(gòu)由于C的雜化軌道之間的夾角不是1800，因此烷烴 鏈不是直線。結(jié)構(gòu)式可以簡(jiǎn)化為曲線形勢(shì)，每一個(gè) 拐點(diǎn)及端點(diǎn)代表一個(gè)碳原子。如： CH3CH2CH(CH3)CH2CH(CH3)2CFHClBr另外，若要畫出三維結(jié)構(gòu)，可用下述方法表示：表示該鍵指向紙面的背后表示該鍵指向紙面的前面四、烷烴的物理性質(zhì)1、沸點(diǎn)(b.p.)14個(gè)C的直鏈烷烴是氣體；517個(gè)C是液體；18個(gè)C以上的烷烴是固體

13、隨碳原子數(shù)的增加而升高(分子量增大，范德華 力增加分子間作用力增大)(同碳原子的烷烴)支鏈越多，沸點(diǎn)降低(分子越趨 于球型，表面積減小，分子間作用力變小)。四、烷烴的物理性質(zhì)2、熔點(diǎn) m.p.（melting point）隨碳原子的增加而升高偶數(shù)碳原子的烷烴比奇數(shù)碳原子的烷烴升高 的幅度大一些，形成兩條熔點(diǎn)曲線。分子對(duì)稱性越高，在晶格中的排列也越緊密, 分子間的范德華力越強(qiáng), 其熔點(diǎn)越高。正戊烷異戊烷新戊烷熔點(diǎn)-130-160-17沸點(diǎn)36289.5四、烷烴的物理性質(zhì)3、相對(duì)密度 d420隨分子量的增加而增加，但約增加到0.8為最大所有的烷烴都比水輕4、溶解度符合“相似相溶原理”非極性或極性較

14、弱的烷烴不易溶于極性較強(qiáng) 的水中，而易溶于有機(jī)溶劑中。五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)5.1 氧化反應(yīng)(oxidate reaction)燃燒熱（Hc）:1 mol烷烴在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下完全 燃燒生成二氧化碳和水時(shí)放出的能量2CnH2n+2(g)+ 3n+1 O2(g)nCO2(g)+ (n+1)H2O(l) + Hc通過(guò)比較不同烷烴的燃燒熱，可以比較不同烷烴 的穩(wěn)定性。燃燒熱越高，化合物所具有的能量就越高，也就 越不穩(wěn)定。穩(wěn)定性 丁烷(2878.2kJ/mol) 異丁烷(2869.8kJ/mol)五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)5.2 熱裂反應(yīng)(pyrolysis reaction)熱裂反應(yīng)：無(wú)氧、高溫或催化情況下，C-CC

15、-H鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生熱裂反應(yīng)。這是石油化學(xué)工 業(yè)的基礎(chǔ)。0460 CH2C=CH2+CH4CH3CHCH2HCH3CHCH2HH4600CCH3CH=CH2+H2五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)5.3 鹵代反應(yīng)(halogenation reaction)在光照或加熱的條件下， 烷烴與鹵素反應(yīng)，鹵 原子取代了烷烴分子中的1個(gè)或多個(gè)氫原子而生 成鹵代烴的反應(yīng)CH4+Cl2hv or CH3Cl+HCl一氯甲烷CH3ClCl2hvor Cl2hvor CH2Cl2二氯甲烷CHCl3Cl2hvor 三氯甲烷CCl4四氯化碳五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)不同氫原子的反應(yīng)活性：甲烷和乙烷中氫的地位相同，而在CH3CH2CH3中，

16、八個(gè)氫分為兩類：伯氫和仲氫，這兩種氫的活 性相同嗎？若相同，由于1H:2H = 3:1，則得到的這兩種產(chǎn)物 1-氯丙烷和2-氯丙烷之比應(yīng)為3：1，而實(shí)際：可見(jiàn)： 1H和2H的活性之比為(43/6):(57/2)=1:3.8即：1H : 2H : 3H = 1 : 3.8 : 5CH3CH2CH3+Cl2CH3CH2CH2Cl +CH3CHClCH3光照43%57%五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)得出: 烷烴中不同氫的反應(yīng)活性為: 叔氫(3H) 仲氫(2H) 伯氫(1H)氯代 3H 2H 1H = 5.0 3.8 1.0溴代 3H 2H 1H = 1600 82 1.0（溴對(duì)三種氫有較大的選擇性） 試劑活

17、性越小，選擇性越強(qiáng)。(CH ) CBrCH2BrCH(CH3)2(CH3)3CH + Br2+ 光 照3 399%痕量五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)鹵代反應(yīng)的機(jī)理反應(yīng)機(jī)理(reaction mechanism):化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的 途徑或過(guò)程hv or 鏈引發(fā)2Cl氯自由基ClCH3Cl+HCl+CH3Cl鏈增長(zhǎng)1ClCl2H3CH+3ClCl+CH3+CH3+CH3+ClCH3ClCH3CH3Cl2鏈終止4 ClCH3Cl五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)象這種每步都生成一個(gè)新的自由基，因而使反應(yīng) 可以不斷繼續(xù)進(jìn)行下去的反應(yīng)叫做鏈反應(yīng)。由于鏈反應(yīng)的活性中間體是自由基，所以又叫自 由基鏈反應(yīng)（free radical ch

18、ain reaction).鏈反應(yīng)包括三階段: 反應(yīng)(1)鏈的引發(fā)反應(yīng)(2)和(3)鏈的增長(zhǎng) 反應(yīng)(4) (5) (6)鏈的終止五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)甲烷氯代反應(yīng)過(guò)程的能量變化反應(yīng)熱：又稱熱焓差（H），是反應(yīng)前后的能量變化。只能反映反應(yīng)的可行性和限度，不能體現(xiàn)反應(yīng)速率。吸熱反應(yīng)（+H ）難發(fā)生，放熱反應(yīng)（-H ）易發(fā)生。過(guò)渡態(tài)：結(jié)構(gòu)介于反應(yīng)物和產(chǎn)物之間，此時(shí)反應(yīng) 物分子中舊鍵已松弛和削弱，但未完全斷裂。新鍵 已開(kāi)始形成，但未完全形成。體系的能量達(dá)到最高 值.活化能(Ea)：反應(yīng)物與過(guò)渡態(tài)之間的能量差。過(guò)渡態(tài)越穩(wěn)定， Ea越小，反應(yīng)速率就越大。五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)EaE過(guò)渡態(tài)反應(yīng)物 H產(chǎn)物反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)

19、過(guò)程中能量變化過(guò)渡態(tài)Ts1過(guò)渡態(tài)Ts2中間體Ea1(+16.7)Ea2(+8.3)，所以生成甲基 自由基的這一步是整個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速 率控制步驟（RDS）。五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)離解能:435.4410.3C-H鍵的離解能越大，均裂時(shí)所需的能量越多， 生成的烷烴自由基越不穩(wěn)定。自由基的相對(duì)穩(wěn)定性CH3HCH3CH2HCHHCH3CH3397.4CH3 CH3CHCH3380.9 (kJ/mol)CH3 CCH3CH3CH3CH3 CHHH CCH3 CHHH五、烷烴的化學(xué)性質(zhì)從自由基的穩(wěn)定性來(lái)判斷氫的活性：自由基越穩(wěn)定，氫的活性就越大。2R1RR的穩(wěn)定性3R氫的活性3H2H1H甲基自由基的結(jié)構(gòu)甲基自

20、由基中所有原子在同一平面上，碳原子以 三個(gè)sp2雜化軌道分別與氫的1s軌道重疊形成三個(gè)鍵，碳原子上未參與雜化的p軌道與三個(gè)鍵的平面垂直，它占有一個(gè)電子。CHHHCHHHCsp21個(gè)雜化軌道 = 1/3 s+2/3 p余下一個(gè)未參與雜化的p軌道，垂直于三 個(gè)雜化軌道對(duì)稱軸所在的平面。sp2六、烷烴的構(gòu)象(conformation)1、乙烷（Ethane）的構(gòu)象HHHHHH109.5oC154pmC229pmHHHHH HHHHHHHEclipsed00Newman projectionsawhorse projectionHHHHHHHNewman projectionHHsawhorse pr

21、ojectionStaggeredHH600H1、乙烷（Ethane）的構(gòu)象重疊式的能量比交叉式高12.6kJ/mol（單鍵旋轉(zhuǎn)的能壘 一般在12.641.8kJ/mol），這種能壘非常低，室溫下的 分子熱運(yùn)動(dòng)即可達(dá)到，因此常溫下分離不出純的烷烴的分 子構(gòu)象乙烷構(gòu)象分析勢(shì)能圖交叉式構(gòu)象為穩(wěn)定構(gòu) 象或優(yōu)勢(shì)構(gòu)象（因非 鍵合原子的距離較遠(yuǎn)，排斥力較小）2、丁烷（Butane）的構(gòu)象HH HCH3H3CHAsyn eclipseH3CHCH3HHHBgauche conformHHH3CHCH3 HCH3CHHHHCH3Danti conformHH3CH H3CH HCH3CHH3CHHHBHH H

22、CH3H3CHAsyn eclipsed丁烷的分子構(gòu)象類似于乙烷的分子構(gòu)象，又有不 同之處。因?yàn)槎⊥榇嬖趦蓚€(gè)體積較大的甲基。2、丁烷（Butane）的構(gòu)象丁烷構(gòu)象分析勢(shì)能圖六、環(huán)烷烴的分類環(huán)烷烴(cycloalkane):碳原子以單鍵連接成的環(huán)狀 烷烴，分子通式為CnH2n分類A.單環(huán)環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu):環(huán)丙烷cyclopropane環(huán)丁烷cyclobutane環(huán)戊烷cyclopentaneB.多環(huán)環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu): 螺環(huán)烷烴spiro橋環(huán)烷烴bridged cycloalkane七、環(huán)烷烴的同分異構(gòu)（1）構(gòu)造異構(gòu)（2）順?lè)串悩?gòu)CH3CH3HHH CH3CH3HCH3環(huán)丁烷甲基環(huán)丙烷CH3 CH3 CC

23、H22-甲基丙烯順-1,4-二甲基環(huán)己烷反-1,4-二甲基環(huán)己烷cis-1,4-dimethylcyclohexanetrans-1,4-dimethylcyclohexane順?lè)串悩?gòu)體(cis-trans isomers)的轉(zhuǎn)變會(huì)引起環(huán)碳原子間共價(jià)鍵 斷裂，需較高的能量，故在室溫下不會(huì)轉(zhuǎn)變，是穩(wěn)定的，能被 分離成單一的物質(zhì)。八、環(huán)烷烴的命名(1) 單環(huán)烴的命名根據(jù)環(huán)中碳原子的數(shù)目叫“環(huán)某烷”；環(huán)上取代基的位次和編號(hào)寫在母體環(huán)烴名字前面，“編號(hào)” 原則與烷烴相同；若有兩個(gè)取代基，則在最前面標(biāo)明“順、反”；若取代基碳鏈較長(zhǎng)，則環(huán)作為取代基。CH31 Cl235Et4616Cl437829 ClC

24、l5102-甲基-4-乙基-1-氯環(huán)己烷1,1,4-三氯環(huán)癸烷CH3CHCHCH2CH312CH34533-甲基-2-環(huán) 戊基戊烷八、環(huán)烷烴的命名2-甲基-5-溴螺3.5壬烷Cl12CH36789453Br5-甲基螺2.4庚烷八、環(huán)烷烴的命名(3) 橋環(huán)烴的命名母體名幾環(huán)某烷判斷環(huán)數(shù)及總碳數(shù)，稱幾環(huán) 某烷將橋上碳數(shù)（不包括橋頭碳）由多 到少順序列在 內(nèi)，并用下角原點(diǎn)隔開(kāi)（有幾個(gè)橋就有幾個(gè)數(shù)字）。環(huán)的數(shù)目全部環(huán)上 碳原子數(shù)478956MeEt321二環(huán)4.3.0壬烷八、環(huán)烷烴的命名（3）橋環(huán)烴的命名編號(hào)從橋頭碳開(kāi)始，繞最長(zhǎng)的橋到另一個(gè)橋頭，再繞次長(zhǎng)橋回來(lái)，最后再編最短的橋。 可能的情況下給取代基

25、以盡可能小的編號(hào)12345678母體為 二環(huán) 3.2.1 辛烷bicyclo3.2.1octane全名：2,8,8-三甲基二環(huán)3.2.1辛烷2,8,8-trimethylbicyclo3.2.1octane九、物理性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)物理性質(zhì)小環(huán)為氣體，常見(jiàn)環(huán)為液體，中環(huán)和大環(huán)為固 體，具有一定的對(duì)稱性和剛性，不溶于水化學(xué)反應(yīng)+ Cl2 hvCl+ HCl+ H2CH CH CH323+ H2 Ni40 常壓 Ni120 常壓CH CH CH CH3223+ Cl2FeCl3ClCH2CH2CH2Cl+ HClCH3CH2CH2ClA 鹵代B 加氫C 加鹵素D 加鹵化氫環(huán)烷烴的構(gòu)象環(huán)己烷的椅式構(gòu)象和船式構(gòu)象環(huán)己烷通過(guò)鍵的旋轉(zhuǎn)，各個(gè)C不在一個(gè)平面上。在一系 列構(gòu)象的動(dòng)態(tài)平衡中，有二個(gè)典型的構(gòu)象.HHHH234516123456H12345626