有機化學課件南開二章烷烴

第二章

烷烴

(Alkane)1.掌握烷烴的同分異構及命名。2.掌握碳的四面體結構、sp3雜化及σ鍵。教學目的和要求

3.掌握乙烷和正丁烷的構象（Newman投影式，傘形式，

鋸架式）。5.掌握烷烴的制備方法。6.了解烷烴的來源及重要代表物－甲烷。4.掌握烷烴的物理性質、化學性質及鹵代反應歷程。第一節(jié)烷烴的同系列及同分異構現(xiàn)象一、同系列和同系物

凡具有同一個通式，結構相似，化學性質也相似，物理性質則隨著碳原子數(shù)目的增加而有規(guī)律地變化的化合物系列，稱為同系列（Homologousseries）

。同系列中的化合物互稱為同系物（Homologous）。相鄰的同系物在組成上相差CH2，這個CH2稱為系列差。

二、烷烴的同分異構現(xiàn)象

烷烴同系列中，甲烷、乙烷、丙烷只有一種結合方式，沒有異構現(xiàn)象，從丁烷起就有同分異構現(xiàn)象。-11.73℃沸點：-0.5℃烷烴構造異構體的數(shù)目1.定義：分子式相同，而構造不同的異構體稱為構造異構體（constitutionalisomer）。2.構造異構體的推導

在烷烴分子中隨著碳原子數(shù)的增加，異構體的數(shù)目增加得很快。對于低級烷烴的同分異構體的數(shù)目和構造式，可利用碳干不同推導出來。

以己烷為例其基本推導步驟如下；

寫出這個烷烴的最長直鏈式：（省略了氫）寫出少一個碳原子的直鏈式作為主鏈把剩下的碳當作支鏈。依次當取代基連在各碳原子上，就能寫出可能的同分異構體的構造式。寫出少二個碳原子的直鏈式作為主鏈。把兩個碳原子當作支鏈（2個甲基），接在各碳原子上，或把兩個碳原子當作（乙基），接在各碳上。把重復者去掉。這樣己烷的同分異構體只有5個。書寫構造式時，常用簡化的式子為：CH3CH2CH2CH2CH3或CH3（CH2)4CH3。伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氫原子3.碳原子和氫原子的種類

第二節(jié)烷烴的命名法一、普通命名法

碳原子數(shù)用“天干”字——甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和十一、十二……等數(shù)目字表示。

用“正”、“異”、“新”等前綴區(qū)別不同的構造異構體。在五或六個碳原子烷烴的異構體中含有季碳原子的可加上"新某烷"衡量汽油品質的基準物質異辛烷則屬例外，因為它的名稱沿用日久，已成習慣了。異辛烷二、烷基

烷烴分子從形式上消除一個氫原子而剩下的一價原子團稱為烷基。(1)常見烷基甲基Me-乙基Et-

丙基n-Pr-異丙基i-Pr-丁基n-Bu-仲丁基s-Bu-異丁基i-Bu-新戊基neopentyl叔丁基t-Bu-(2)常見亞烷基三、系統(tǒng)命名法

1892年在日內瓦開了國際化學會議，制定了系統(tǒng)的有機化合物的命名法，叫做日內瓦命名法。后由國際純粹和應用化學聯(lián)合會（InternationalUnionPureandAppliedChemistry,IUPAC）作了幾次修訂，簡稱為IUPAC命名法。我國參考這個命名法的原則結合漢字的特點制定了我國的系統(tǒng)命名法（1960）。1980年進行增補和修訂，公布了《有機化學命名原則》。系統(tǒng)命名法原則

1.對于直鏈烷烴根據(jù)碳原子的數(shù)目稱為“某烷”。

直鏈烷烴的名稱烷烴中文名英文名烷烴中文名英文名CH4甲烷methaneC2H6乙烷ethaneC3H8丙烷propaneC4H10

丁烷butaneC5H12戊烷pentaneC6H14

己烷hexaneC7H16

庚烷heptaneC8H18辛烷octaneC9H20壬烷nonaneC10H22

癸烷decaneC11H24十一烷undecaneC12H26

十二烷dodecane2.將支鏈烷烴作為直鏈烷烴的衍生物命名，其步驟為：(1)選取主鏈（母體）：選取包含支鏈最多的最長碳鏈為主鏈.稱為“某烷”(2)編號：按“最低系列”原則用阿拉伯數(shù)字給主鏈編號（3）命名：按“位次-支鏈名稱+某烷”形式命名a．“次序規(guī)則”“較優(yōu)”取代基后列出。b．相同取代基合并表示。5-丙基-4-異丙基壬烷1234567893,7-二甲基-4-乙基壬烷987654321(4)支鏈的命名109876543212-甲基-5-(1,1-二甲基丙基)癸烷注意1.用括號表示：2-甲基-5，5-二-(1，1-二甲基丙基)癸烷

2.用帶撇的數(shù)字表示：

2-甲基-5，5-二-1’，1‘-二甲基丙基癸烷。

注意2,4,5-三甲基-4-異丙基庚烷

4-isopropyl-2,4,5-trimethylheptane2-甲基-5-乙基-6-叔丁基癸烷6-tert-butyl-5-ethyl-2-methyldecane

第三節(jié)烷烴的結構及表示式一、碳原子的四面體概念及分子模型

構型是指具有一定構造的分子中原子在空間的排列狀況。甲烷分子的構型是正四面體。

C在基態(tài)時的電子排列為：1s22s22px12py1,

它們的空間取向是分指向四面體的頂點。sp3雜化軌道的對稱軸之間互成109028`。二、碳原子的sp3雜化每個sp3雜化軌道含1/4s

成分和3/4p成分sp3雜化軌道形狀碳原子的sp3雜化軌道鍵角為109.5°3.甲烷分子的形成甲烷的正四面體構型可用楔形透視式表示：實線表示處在紙平面上的價鍵，虛楔形線表示處在紙面的價鍵，實楔形線表示處在紙面前的價鍵。乙烷及其它烷烴的結構乙烷的結構其它烷烴的結構乙烷常使用Kekiile模型（叫球棒模型）和Stuart（叫比例模型）。σ鍵的特性:

成鍵原子可沿鍵軸自由旋轉;

鍵能較大，可極化性較小。球棍模型(Kekulé模型)比例模型(Stuart模型)第四節(jié)烷烴的構像一、乙烷的構象

由于乙烷是由一個C-Cδ鍵，六個C-Hδ鍵連接形成的，δ鍵單鍵可繞鍵軸旋轉。1.構象：指有一定構造的分子通過單鍵的旋轉，形成的各原子或原子團在空間的不同的排布形象。由于單鍵的旋轉，使連接在碳上的原子或原子團在空間的排布位置隨之發(fā)生變化，所以構造式相同的化合物可以有無數(shù)構象。不同構象之間互為構象異構體。

乙烷的兩種極限構象:重疊式(順疊式)構象交叉式(反疊式)構象2.構象式的書寫（以乙烷為例）

重疊式(順疊式)構象交叉式(反疊式)構象（1）透視式紐曼式（Newman）：表示前面的碳原子及其鍵表示后面的碳原子及其鍵重疊式(順疊式)構象交叉式(反疊式)構象(2)Newman投影式3.乙烷分子的能量曲線圖

交叉式構象最穩(wěn)定，重疊式構象最不穩(wěn)定。乙烷不同構象的能量曲線圖對乙烷構象能量變化曲線的解釋：扭轉張力：重疊的C－Hσ鍵電子云的排斥作用二、丁烷的構象對位交叉式(反錯式)部分重疊式(反疊式)鄰位交叉式(順錯式)全重疊式(順疊式)正丁烷沿C2和C3之間的σ鍵鍵軸旋轉有四種典型構象。正丁烷不同構象的能量曲線圖1.扭轉張力2.范德華張力（空間張力）：當分子中非鍵合的原子或基團相互靠近的距離小與其范德華半徑之和時，就會因“擁擠”而產生范德華斥力。這種斥力就稱為范德華張力，又稱空間張力對丁烷構象的能量變化曲線的解釋第五節(jié)烷烴的物理性質有機化合物的物理性質包括化合物的狀態(tài)、熔點、沸點、比重、折光率、溶解度、旋光度，這些物理常數(shù)通常用物理方法測定出來的，可以從化學和物理手冊中查出來。

1.物質狀態(tài)2.沸點3.熔點4.相對密度5.溶解度

直鏈烷烴的沸點一般隨相對分子質量的增加而升高。一般C4以下的直鏈烷烴是氣體，C5-C16的烷烴是液體，大于C17的烷烴是固體。碳原子數(shù)相同時，含支鏈多的烷烴沸點低。沸點(b.p.):相對密度

烷烴相對密度小于1，隨分子量的增加逐漸增大。溶解度

烷烴不溶于水，易溶于有機溶劑。熔點(m.p)

直鏈烷烴的熔點分子質量的增加而增加。一般含偶數(shù)碳原子烷烴的熔點通常比含奇數(shù)碳原子烷烴的熔點升高較多。一些直鏈烷烴的物理常數(shù)第六節(jié)烷烴的化學性質

烷烴分子中的σ鍵鍵能大，極性小，化學性質穩(wěn)定。一般在常溫下與強酸、強堿、氧化劑、還原劑都不反應。

但穩(wěn)定性是相對的。（1）氧化反應（2）異構化反應適當條件下，直鏈或支鏈少的烷烴可以異構化為支鏈多的烷烴。

適當條件下可部分氧化為醇、醛、酮、羧酸等含氧化合物。（3）裂化反應

烷烴在沒有氧氣存在下進行的熱分解反應叫裂化反應。（4）取代反應

烷烴分子中的氫原子被其它原子或基團所取代的反應，稱為取代反應。

被鹵素取代的反應稱為鹵代反應。在漫射光或熱的作用下，烷烴發(fā)生鹵代反應：甲烷的氯化較難停留在一氯化階段：

產物為四種氯甲烷的混合物，氯氣過量時主要得到四氯化碳，甲烷過量時主要得到一氯甲烷。a.甲烷的氯代反應不同鹵素與烷烴的反應活性不同，其順序為：

F2＞Cl2＞Br2＞I2其它烷烴也可以發(fā)生鹵代反應：1.鹵化的反應機理

烷烴的氯化是一個連鎖反應，也叫鏈反應。一般說，鏈反應分為鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止三個階段：鏈引發(fā)鏈終止鏈增長第七節(jié)鹵代反應機理現(xiàn)在認為這是由于氧極易與甲基自由基反應生成新的自由基。這種能使自由基反應減慢或停止的物質叫做自由基抑制劑。c.氟里昂自由基反應對臭氧層的影響丙烷的氯化反應：仲氫與伯氫活性之比為：2.鹵化反應的選擇性異丁烷的一元氯化反應：叔氫與伯氫活性之比為：氫原子被鹵化的次序（由易到難）為：叔氫＞仲氫＞伯氫室溫一氯代產物中異構體的得率的預測反應活性與選擇性

反應活性越大，選擇性越差。對烷烴的鹵化反應而言，氯的活性比溴大，但溴的選擇性卻比氯高。

97%3%

>99%<1%烷烴鹵化時，鹵原子的選擇性是Br＞Cl＞F3.鹵素對甲烷的相對反應活性甲烷鹵代的反應熱()過渡態(tài)

化學反應可以認為是從反應物到產物逐漸過渡的一個連續(xù)過程。在這個連續(xù)過程中，必須經過一種過渡態(tài)，即反應物與產物結構之間的中間狀態(tài)。

如果把反應進程作橫坐標，以位能作縱坐標，反應體系的位能變化如圖所示：4.過渡態(tài)理論1.活化能2.反應熱反應熱（ΔH）是產物與反應物的焓差3.決定反應速度的是活化能E，是能壘高度4.活性中間體和過渡態(tài)過渡態(tài)的位能相當于位能曲線的頂峰，是發(fā)生反應所需克服的能壘。烷烴的鹵代反應，在室溫下，叔、仲、伯氫的活性順序是3o〉2o〉1o

。烷烴被奪取一個氫原子后形成游離基，故必先考察形成各種烷基游離基的難易程度。游離基越穩(wěn)定，氫原子越已被奪去，活潑性就越強。5、烷烴對鹵代反應的相對活性與烷基游離基的穩(wěn)定性甲基游離基的結構：a.比較烷烴的C-H鍵的離解性：離解能愈小，C-H鍵易斷裂，游離基易生成。氫原子越易被奪去，活潑性越強。相對活性烷烴鹵代氫的相對活性3o〉2o〉1o〉CH3?

游離基的能量越低，越穩(wěn)定。烷基游離基的穩(wěn)定性次序為：3