有機(jī)化學(xué)教學(xué)第01章烷烴

烷烴

學(xué)習(xí)要求

烷烴的同系列及同分異構(gòu)現(xiàn)象

烷烴的命名

烷烴的結(jié)構(gòu)

烷烴的物理性質(zhì)

烷烴的化學(xué)性質(zhì)

烷烴鹵代反應(yīng)歷程

烷烴的制備

烷烴的來源及其主要用途

習(xí)題

【學(xué)習(xí)要求】能正確書寫烷烴的構(gòu)造異構(gòu)體，掌握烷烴的命名原則。能用原子軌道雜化理論解釋烷烴中碳原子的構(gòu)型。掌握σ鍵的形成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特性。掌握構(gòu)象式（紐曼式和透視式）的寫法。掌握烷烴的物理性質(zhì)（沸點(diǎn)，熔點(diǎn)，溶解度，比重等）存在的規(guī)律性的變化。掌握烷烴的氧化，裂化，取代反應(yīng)。掌握烷烴的鹵代反應(yīng)、自由基反應(yīng)的條件、歷程及自由基的穩(wěn)定性。

返回

烴：分子中只有C、H兩種元素的有機(jī)化合物叫做烴。返回

通式：CnH2n+2

烷烴：分子中的碳除以碳碳單鍵相連外，碳的其他價(jià)鍵都為氫原子所飽和的烴叫做烷烴，也叫做飽和烴。

同系列：具有同一個(gè)通式，結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相似在組成上相差一個(gè)或幾個(gè)—CH2的一系列化合物。

同系差：同系列組成上的差異—CH2—。

同系物：同系列中的化合物彼此互為同系物。

烷烴的同系列及同分異構(gòu)現(xiàn)象

一、烷烴的同系列

最簡單的烷烴是甲烷，依次為乙烷、丙烷、丁烷、戊烷……等，它們組成了烷烴的同系列

分子式 構(gòu)造式 構(gòu)造簡式

CH4CH3CH3甲烷 CH4

乙烷C2H6

丙烷C3H8

CH3CH2CH3

丁烷C4H10

CH3CH2CH2CH3

二、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象1．異構(gòu)現(xiàn)象同分異構(gòu)體：具有相同分子式的不同化合物。構(gòu)造異構(gòu)體：具有相同分子式，分子中原子或基團(tuán)因連接順序不同而產(chǎn)生的異構(gòu)體。

碳架異構(gòu)：由碳架不同引起的異構(gòu)，稱碳架異構(gòu)。(屬構(gòu)造異構(gòu))開鏈烷烴的構(gòu)造異構(gòu)只有碳架異構(gòu)正戊烷異戊烷新戊烷三、伯、仲、叔、季碳原子

在烴分子中僅與一個(gè)碳相連的碳原子叫做伯碳原子（或一級碳原子，用1°表示）在烴分之中僅與兩個(gè)碳相連的碳原子叫做仲碳原子（或二級碳原子，用2°表示）在烴分之中僅與三個(gè)碳相連的碳原子叫做叔碳原子（或三級碳原子，用3°表示）在烴分之中僅與四個(gè)碳相連的碳原子叫做季碳原子（或四級碳原子，用4°表示）例如：

CH3

C

CH2

CH

CH3CH3CH31234CH31°°°°°與伯、仲、叔碳原子相連的氫原子，分別稱為伯、仲、叔氫原子。不同類型的氫原子的反應(yīng)性能有一定的差別。

返回烷烴的命名一、普通命名法根據(jù)分子中碳原子數(shù)目稱為“某烷”，碳原子數(shù)十個(gè)以內(nèi)的依次用甲、乙、丙、丁、戊……癸表示，十以上的用漢字?jǐn)?shù)字表示碳原子數(shù)，用正、異、新表示同分異構(gòu)體。例如：

正戊烷異戊烷新戊烷

普通命名法簡單方便，但只能適用于構(gòu)造比較簡單的烷烴。對于比較復(fù)雜的烷烴必須使用系統(tǒng)命名法。二、烷基

為了學(xué)習(xí)系統(tǒng)命名法，應(yīng)先認(rèn)識烷基。

烷基——烷烴分之中去掉一個(gè)氫原子而剩下的原子團(tuán)稱為烷基。烷基 名稱 通常符號

CH３－

甲基

Me

CH3CH2－

乙基

Et

CH3CH2CH2－

丙基

n-Pr

CH3CH－

|

異丙基

i-Pr

CH3

CH3CH2CH2CH2－

正丁基

n-Bu

烷基 名稱 通常符號

CH3CHCH2－

｜

異丁基

i-Bu

CH3

CH3CH2CH－

|仲丁基

s-Bu

CH3

CH3

|

CH3—C—

叔丁基

t-Bu

|

CH3

烷基的通式為CnH2n+1

常用R表示此外還有“亞”某基,“次”某基。二價(jià)基

——

亞基：

CH2亞甲基CH2CH21,2_亞乙基三價(jià)基——次基：三、系統(tǒng)命名法（IUPAC命名法）

系統(tǒng)命名法是中國化學(xué)學(xué)會根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）制定的有機(jī)化合物命名原則，再結(jié)合我國漢字的特點(diǎn)而制定的（1960年制定，1980年進(jìn)行了修定）系統(tǒng)命名法規(guī)則如下：1.選擇主連（定母體）

（1）選擇最長的碳鏈作為主鏈，根據(jù)主鏈碳原子數(shù)，定母體，稱為“某烷”主碳鏈的選擇——當(dāng)有兩個(gè)以上的等長碳鏈可供選擇時(shí)，其選擇順序?yàn)椋?/p>

例1：選擇支鏈最多的碳鏈為主碳鏈。

例2：選擇支鏈位號較小的為主碳鏈。

例3：兩個(gè)等長碳鏈上的支鏈數(shù)目、位次均相同，選擇支鏈碳原子多的為主碳鏈。

例4：選擇側(cè)分支少的鏈為主碳鏈。

2.主鏈的編號近取代基端開始編號，并遵守“最低系列編號規(guī)則”CCCCCCCC78CC87654321234615234615CCCCCCCC162編號正確編號錯(cuò)誤編號正確編號錯(cuò)誤１）取代基編號最?。茫玻┬〉娜〈幪栕钚。茫常矗?．烷烴名稱的寫出A將支鏈（取代基）寫在母體名稱的前面B取代基按“次序規(guī)則”小的基團(tuán)優(yōu)先列出烷基的大小次序：甲基<乙基<丙基<丁基<戊基<己基<異戊基<異丁基<異丙基。

C相同基團(tuán)合并寫出，位置用2，3……阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)出,取代基數(shù)目用二,三……中文數(shù)字標(biāo)出。

D阿拉伯?dāng)?shù)字與漢字之間必須用短橫線分開；E阿拉伯?dāng)?shù)字之間必須用逗號分開?？蓪⑼闊N的命名歸納為十六個(gè)字：最長碳鏈，最小定位，同基合并，由簡到繁。四、衍生物命名法

該法是按照化合物由簡到繁的原則，規(guī)定每類化合物以最簡單的一個(gè)化合物為母體，而將其余部分作為取代基來命名的。

五、有機(jī)化合物的俗名和簡稱：

所謂俗名(trivialname)就是化學(xué)工作者根據(jù)化合物的來源、制法、性質(zhì)或采用人名等加以命名的。僅舉幾例：

CH4——甲烷，沼氣石油醚（Ｃ５－Ｃ９的烷烴混合物）液體石蠟（Ｃ９－Ｃ１７的烷烴混合物）凡士林（Ｃ１８－Ｃ２２的烷烴混合物）返回

烷烴的構(gòu)型

構(gòu)型：是指具有一定構(gòu)造的分子中原子在空間的排列狀況。

二、碳原子的四面體概念（以甲烷為例）

甲烷分子為正四面體構(gòu)型。甲烷分子中，碳原子位于正四面體構(gòu)的中心，四個(gè)氫原子在四面體的四個(gè)頂點(diǎn)上，四個(gè)C-H鍵長都為0.109nm，所有建角∠H-C-H都是109.5o，σ鍵可以饒軸旋轉(zhuǎn)。甲烷的正四面體構(gòu)型

一、碳原子的SP3雜化球棒模型斯陶特模型

三、烷烴分子的形成

烷烴分子形成時(shí)，碳原子的SP3軌道沿著對稱軸的方向分別與碳的SP3軌道或氫的1S軌道相互重疊成σ鍵。甲烷的形成示意圖

σ鍵：成鍵電子云沿鍵軸方向呈圓柱形對稱重疊而形成的鍵叫做σ鍵。σ鍵的特點(diǎn):(1)電子云沿鍵軸呈圓柱形對稱分布。

(2)可自由旋轉(zhuǎn)而不影響電子云重疊的程度。(3)結(jié)合的較牢固。因C-H鍵,鍵能415.3KJ/molC-C鍵,鍵能345.6KJ/mol碳原子都是SP3雜化，C-C鍵為SP3-SP3σ鍵C-H鍵為SP3-Sσ鍵

烷烴分子中：四．其它烷烴的構(gòu)型1）碳原子都是以SP3雜化軌道與其他原子形成σ鍵，碳原子都為四面體結(jié)構(gòu)。2）C-C鍵長均為0.154nm,C-H鍵長為0.109nm,,鍵角都接近于109.5°。3）碳鏈一般是曲折地排布在空間，在晶體時(shí)碳鏈排列整齊，呈鋸齒狀，在氣、液態(tài)時(shí)呈多種曲折排列形式（因σ鍵能自由旋轉(zhuǎn)所致）。五、烷烴分子立體構(gòu)型的表示方法：實(shí)線-鍵在紙平面上;楔線-鍵在紙平面前;虛線-鍵在紙平面后。楔形式球棒模型斯陶特模型

烷烴的構(gòu)象構(gòu)象——構(gòu)造一定的分子，通過單鍵的旋轉(zhuǎn)而引起的分之中各原子在空間的不同排布稱為構(gòu)象。一、乙烷的構(gòu)象

理論上講，乙烷分子中碳碳單鍵的自由旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生無數(shù)種構(gòu)象（用模型操作示意），但極限構(gòu)象只有兩種，即交叉式和重疊式。C-C單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的；

有兩種極端構(gòu)象：重疊式，交叉式

構(gòu)象的穩(wěn)定性[分析乙烷兩個(gè)極端構(gòu)象]排斥力最大排斥力最小內(nèi)能高內(nèi)能低非鍵連相互作用力：不直接相連的原子間的作用力。

構(gòu)象的穩(wěn)定性與內(nèi)能有關(guān)。內(nèi)能低,穩(wěn)定；內(nèi)能高,不穩(wěn)定。

內(nèi)能最低的構(gòu)象稱優(yōu)勢構(gòu)象。其它構(gòu)象的內(nèi)能介于這兩者之間。

交叉式構(gòu)象為乙烷的優(yōu)勢構(gòu)象

原因：原子間的斥力小，能量最低。

重疊式比交叉式的能壘（扭轉(zhuǎn)能）高12.5KJ/mol。

單鍵旋轉(zhuǎn)的能壘一般為12-42KL/mol，在室溫時(shí)，乙烷分之中的C-C鍵能迅速的旋轉(zhuǎn)，構(gòu)象異構(gòu)體處于迅速轉(zhuǎn)化的動態(tài)平衡中。因此不能分離出乙烷的某一構(gòu)象。在低溫時(shí)，交叉式增加。(如乙烷在-170℃時(shí)，基本上是交叉式)構(gòu)象的表示方法：紐曼式（Newman）楔形式，鋸架式，

二.正丁烷的構(gòu)象繞C-2和C-3之間的σ鍵旋轉(zhuǎn)，形成的四種典型構(gòu)象。

對位交叉式鄰位交叉式全重疊式部分重疊式構(gòu)象穩(wěn)定性：對位交叉式>鄰位交叉式>部分重疊式>全重疊式室溫下，正丁烷構(gòu)象異構(gòu)體處于迅速轉(zhuǎn)化的動態(tài)平衡中，不能分離。最穩(wěn)定的對位交叉構(gòu)象是優(yōu)勢構(gòu)象。返回一、狀態(tài)

常溫、常壓(0.1MPa)

C5～C16：液態(tài)

C1～C4：氣態(tài)＞C17：固態(tài)直鏈烷烴二、沸點(diǎn)（b.p）

1.直鏈烷烴

(1)M↑，b.p↑；庚烷：～100℃(98.4)℃。

解釋：

烷烴的物理性質(zhì)分子間力(VanderWaals)：

靜電引力誘導(dǎo)力

色散力(烷烴

μ=0)

而：色散力

∝

共價(jià)鍵數(shù)目(即C—C、C—H)

(2)相鄰?fù)滴锏姆悬c(diǎn)差(⊿b.p)，隨M↑，⊿b.p↓。解釋：

(1)支鏈↑，b.p↓。

解釋：色散力是近距離較大。

2.支鏈烷烴(同分異構(gòu)體)

(2)支鏈數(shù)相同：對稱性↑，b.p↑；

小結(jié)：沸點(diǎn)高低的判斷方法

A：數(shù)碳原子數(shù)目——數(shù)目↑，b.p↑；

B：碳原子數(shù)目相同——支鏈↑，b.p↓；

C：支鏈數(shù)目相同——對稱性↑，b.p↑；

三、熔點(diǎn)(m.p)

1．直鏈烷烴

M↑，m.p↑(C3以后)。

由此可見：含偶數(shù)C，m.p↑的多；含奇數(shù)C，m.p↑的少。

從而形成了“偶上奇下”兩條曲線。

解釋：

在晶體中，分子間作用力不僅取決于分子的大小，還于晶體中晶格排列的對稱性有關(guān)。

含偶數(shù)碳原子的碳鏈具有較好的對稱性，晶格排列緊密。

2.同分異構(gòu)體

支鏈M↑，m.p↓(不利于晶格的緊密排列)。

對稱性↑，m.p↑；高度對稱的異構(gòu)體——m.p＞直鏈異構(gòu)體——m.p。

四、相對密度：

分子量↑，密度↑，但＜1；

支鏈↑，密度↓。

五、溶解度烷烴都不溶于水，能溶于有機(jī)溶劑?！跋嗨普呦嗳堋绷?、折光率

七、密度返回

烷烴的化學(xué)性質(zhì)

烷烴的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定（特別是正烷烴）。在一般條件下（常溫、常壓），與大多數(shù)試劑如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、強(qiáng)還原劑及金屬鈉等都不起反應(yīng)，或反應(yīng)速度極慢。原因：（1）其共價(jià)鍵都為σ鍵，鍵能大

C-H390~435KJ/molC-C345.6KJ/mol（2）分子中的共價(jià)鍵不易極化（電負(fù)性差別小C2.5，H2.2）

但穩(wěn)定性是相對的、有條件的，在一定條件下（如高溫、高壓、光照、催化劑），烷烴也能起一些化學(xué)反應(yīng)。一、氧化反應(yīng)二、熱裂反應(yīng)

在高溫及沒有氧氣的條件下使烷烴分子中的C-C鍵和C-H鍵發(fā)生斷裂的反應(yīng)稱為熱裂反應(yīng)。例如：

熱裂化反應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)目的的不同可采用不同的裂化工藝。1.深度裂化（裂解）

1)目的：主要是得到基本化工原料（乙烯，丙烯，丁二烯，乙炔）

2)裂化溫度800-1100℃2.催化裂化1)目的：提高汽油的產(chǎn)量和質(zhì)量（生產(chǎn)高辛烷值的汽油）2)裂化溫度400-500℃3)加入一定的催化劑三、鹵代反應(yīng)

烷烴的氫原子被鹵素取代生成鹵代烴的反應(yīng)稱為鹵代反應(yīng)。通常是指氯代或溴代。1．甲烷的氯代反應(yīng)

在紫外光漫射或高溫下，甲烷易與氯、溴發(fā)生反應(yīng)。

甲烷的鹵代反應(yīng)較難停留在一元階段，氯甲烷還會繼續(xù)發(fā)生氯化反應(yīng)，生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。

若控制一定的反應(yīng)條件和原料的用量比，可得其中一種氯代烷為主要的產(chǎn)物。

甲烷：氯氣=10：1（400-450℃時(shí)）CH3Cl占98%例如：甲烷：氯氣

=1：4（400℃時(shí)）主要為CCl42．其他烷烴的氯代反應(yīng)

1）反應(yīng)條件與甲烷的氯代相同（光照），但產(chǎn)物更為復(fù)雜，因氯可取代不同碳原子上的氫，得到各種一氯代或多氯代產(chǎn)物。例如：

2）伯、仲、叔氫的相對反應(yīng)活性

分子中，有六個(gè)等價(jià)伯氫，兩個(gè)等價(jià)仲氫，若氫的活性一樣，則兩種一氯代烴的產(chǎn)率，

理論上為6：2=3：1但實(shí)際上為43：57=1：1.33

這說明在時(shí)溫氯代時(shí)，各類氫的反應(yīng)活性是不一樣的，

氫的相對活性

=產(chǎn)物的數(shù)量÷被取代的等價(jià)氫的個(gè)數(shù)。即仲氫與伯氫的相對活性為4：1。

再看異丁烷一氯代時(shí)的情況：

同上分析，可求得叔氫的相對反應(yīng)活性：即叔氫的反應(yīng)活性為伯氫的5倍。

故室溫時(shí)三種氫的相對活性為：3°H：2°H：1°H=5：4：1

在高溫時(shí)（>450℃）氯代時(shí)三種氫的活性接近于：

3°H：2°H：1°H=1：1：1

溴帶反應(yīng)時(shí)（光照，127℃），三種氫的相對活性為：3°H：2°H：1°H=1600：82：1例如：

故溴代反應(yīng)的選擇性好，在有機(jī)合成中比氯帶更有用。

四.異構(gòu)化反應(yīng)一個(gè)異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為另一個(gè)異構(gòu)體。

工業(yè)上改善油品質(zhì)量返回

烷烴的鹵代反應(yīng)歷程反應(yīng)歷程：化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的途徑或過程，又稱為反應(yīng)機(jī)理。

反應(yīng)歷程是根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)作出來的理論推導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)事實(shí)越豐富，可靠的程度就越大。到目前為止，有些已被公認(rèn)確定下來，有些尚欠成熟，有待于理論化學(xué)工作者的進(jìn)一步努力。一、甲烷的氯代歷程

實(shí)驗(yàn)事實(shí)：

CH4、Cl2混合物在黑暗中長期保存，不反應(yīng)。

CH4經(jīng)光照后與Cl2混合，也不反應(yīng)。

Cl2經(jīng)光照后，迅速在黑暗中與Cl2混合，反應(yīng)立即發(fā)生。

Cl2經(jīng)光照后，過一段時(shí)間后在黑暗中與Cl2混合，反應(yīng)不能發(fā)生。實(shí)驗(yàn)事實(shí)告訴我們：烷烴的鹵代反應(yīng)是從Cl2的光照開始的。

且Cl2生成