有機化學課-圖文第2章

有機化學

第2章烷烴2.2烷烴的命名2.1烷烴的同系列與同分異構2.4烷烴的物理性質2.3烷烴的構型2.5烷烴的物理性質

2.1烷烴的同系列與同分異構

同系列中同系物的結構和性質相似，其物理性質也隨著分子中碳原子數目的增加而呈規(guī)律性變化，所以掌握了同系列中幾個典型的有代表性的化合物的化學性質，就可以推知同系列中其他化合物的一般化學性質，為系統(tǒng)研究數目繁多的有機化合物提供了方便。管同系物在結構和性質方面有共性，但也要注意它們的個性，根據分子結構上的差異來理解性質上的差別。烷烴的同系列2.1.1

2.1烷烴的同系列與同分異構烷烴的同分異構2.1.2

丁烷的分子式為C4H10，其構造式可以有以下兩種形式：

2.1烷烴的同系列與同分異構

像正丁烷和異丁烷這樣具有相同的分子式而結構不同的兩個或兩個以上有機化合物分子稱為同分異構體，這種同分異構是由于碳原子之間相互連接方式不同而引起的，因此稱為碳干異構。同分異構現象在有機化合物中普遍存在，如分子式為C5H12的戊烷有三個同分異構體：

2.1烷烴的同系列與同分異構伯、仲、叔和季碳原子2.1.3

從戊烷的同分異構體的結構不難發(fā)現，有的碳原子只與一個碳原子相連，稱為伯碳原子，用1°表示，也稱為一級碳原子；有的碳原子則與兩個碳原子相連，稱為仲碳原子，用2°來表示，也稱為二級碳原子；與三個碳原子相連的碳原子稱為叔碳原子，用3°來表示，也稱為三級碳原子；而與四個碳原子相連的碳原子稱為季碳原子，用4°來表示，也稱為四級碳原子。例如：

2.2烷烴的命名烷烴的普通命名法2.2.1根據烷烴分子中碳原子數目稱為“某烷”，碳原子數在十個以內的依次用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，十以上的用中文數字表示碳原子數，如十一、十二、十三等。根據烷烴的結構，直鏈的烷烴稱為正某烷，帶有支鏈的烷烴則稱為異某烷或新某烷。例如：普通命名法的優(yōu)點是簡單方便，但只適用于那些構造比較簡單的烷烴。對于結構比較復雜的烷烴則必須使用系統(tǒng)命名法。

2.2烷烴的命名烷基2.2.2

烷基是指烷烴分子中去掉一個氫原子后剩下的部分，其通式為—CnH2n+1，常用—R表示。這里烷基有一價的含義。由于烷基是由普通命名法衍生而來，因此在系統(tǒng)命名法中有一些烷基的名稱仍然沿用，常用的烷基如表2-1所示。

2.2烷烴的命名表2-1常用的幾種烷基

2.2烷烴的命名兩價的烷基稱為“亞”某基，是指烷烴分子從形式上消除兩個單價或一個雙價的原子或基團所剩余的部分。例如：三價的烷基稱為“次”某基，是指烷烴分子從形式上消除三個單價的原子或基團所剩余的部分，在系統(tǒng)命名中的次基限于三個價集中在一個原子上的結構。例如：

2.2烷烴的命名次序規(guī)則2.2.3

次序規(guī)則是指在有機化合物命名中所使用的排列原子或基團順序的一些規(guī)定,主要內容如下：

①比較各取代基的原子的原子序數的大小，大的為“較優(yōu)基團”，如出現同位素，則將質量大的定為“較優(yōu)基團”。例如：Br>Cl>S>P>F>O>N>C>B>D>H>∶(孤對電子)

②如果兩個基團的第一個原子相同，則順次比較與該原子相連的幾個原子的原子序數。例如：—OR>OH,CHCl2>CH2Cl

如第二個原子還相同，則繼續(xù)比較第三個、第四個，直至比出次序為止。

2.2烷烴的命名③如有基團含有雙鍵或三鍵，則可以將其看做是兩個或三個單鍵，即認為其連有兩個或三個相同的原子。例如:

2.2烷烴的命名

以下是一些常見的基團按次序規(guī)則由高至低排列的順序：

2.2烷烴的命名有機化合物的系統(tǒng)命名法2.2.4直鏈烷烴的命名1.系統(tǒng)命名法中，直鏈烷烴的命名與普通命名法基本相同，只是去掉了普通命名法中的“正”字，稱為“某烷”。例如：

2.2烷烴的命名帶支鏈烷烴的命名2.（1）選主鏈（母體）選擇含碳原子數目最多的碳鏈作為主鏈，支鏈作為取代基；分子中有兩條以上等長碳鏈時，則應選擇支鏈多的一條為主鏈。例如：

2.2烷烴的命名（2）給主鏈碳原子編號主鏈選定后，就要給主鏈碳原子編號，編號的目的是為了確定取代基的位次，從靠近取代基的一端開始，將主鏈碳原子依次用阿拉伯數字編號，例如：

2.2烷烴的命名（3）書寫規(guī)則書寫命名時，應將取代基連同取代基的位號寫于母體之前，取代基位號與取代基之間用“-”隔開，因此上述烷烴的命名應為“3-甲基己烷”；如果含有多個不同取代基，書寫烷烴命名時，按次序規(guī)則排序，將優(yōu)先基團寫在后面；如果含有多個相同取代基時，則將這些取代基合并，其數目用二、三、四等來表示，表示位置的數字間要用逗號隔開，位次和取代基名稱之間要用“半字線”隔開，寫于取代基的前面。例如：

2.3烷烴的構型碳原子的四面體概念2.3.1

甲烷分子中的碳原子為四價，構型為正四面體。碳原子位于正四面體構型的中心，四個氫原子分別在四面體的四個頂點上，四個C-H鍵鍵長均為0.109nm，所有H-C-H鍵鍵角均為109.5°，如圖2-1所示。圖2-1甲烷的正四面體構型

2.3烷烴的構型碳原子的sp3雜化2.3.2

在有機化合物分子中碳原子都是以雜化軌道參與成鍵的，而在烷烴分子中碳原子是以sp3雜化軌道成鍵的。

雜化后所形成的四個能量相等的新軌道稱為sp3雜化軌道，碳原子的這種雜化方式稱為sp3雜化，每一個sp3雜化軌道都含有1/4s成分和3/4p成分。

2.3烷烴的構型

四個sp3雜化軌道對稱地分布在碳原子的四周，對稱軸之間的夾角為109.5°,這樣可使價電子盡可能彼此離得最遠,相互間的斥力最小,有利于成鍵。sp3雜化軌道有方向性，圖形為一頭大，一頭小，示意圖如圖2-2所示。圖2-2sp3雜化軌道的形狀以及在空間的分布

2.3烷烴的構型烷烴分子的形成2.3.3

甲烷分子形成時，碳原子的四個等同的sp3雜化軌道沿著對稱軸的方向分別與四個氫原子的1s軌道達到最大重疊，四個C-H鍵完全等同，形成正四面體結構，四個氫原子位于四面體的頂點，碳原子則位于四面體的中心，如圖2-3所示。圖2-3甲烷分子的形成示意圖

2.3烷烴的構型

乙烷分子形成時，分子中的兩個碳原子各以一個sp3雜化軌道沿著對稱軸的方向形成C-Cσ鍵，另外又各以三個sp3雜化軌道沿著對稱軸的方向分別與三個氫原子的1s軌道相互重疊成σ鍵，如圖2-4所示。圖2-4乙烷分子的形成示意圖

2.3烷烴的構型

其他烷烴形成時與乙烷相似，碳原子都是以sp3雜化軌道與其他原子形成σ鍵，碳原子均為正四面體結構，因此碳鏈一般是以鋸齒狀排布在空間。例如：

2.4烷烴的物理性質有機化合物的物理性質主要包括化合物的物理狀態(tài)、熔點、沸點、相對密度、溶解性、折光率等，這些物理性質主要應用于有機化合物的分離、提純和鑒別。表2-2列出了含有20個碳原子以下的直鏈烷烴的物理常數，從表中可以看出，直鏈烷烴的物理性質是隨著碳原子的增加而有規(guī)律地遞變。

2.4烷烴的物理性質表2-2一些直鏈烷烴的物理常數

2.4烷烴的物理性質物理狀態(tài)1.在常溫、常壓下，含有1～4個碳原子的烷烴為氣體，5～17個碳原子的烷烴為液體，18個碳原子以上的烷烴為固體。

2.4烷烴的物理性質沸點2.直鏈烷烴的沸點是隨著分子中碳原子數目的增加而有規(guī)律地升高的。對于含有相同碳原子數的烷烴的同分異構體之間相比，其中直鏈烷烴的沸點最高，含有支鏈越多的異構體其沸點越低。

2.4烷烴的物理性質熔點3.直鏈烷烴的熔點也是隨著碳原子個數的增加而有規(guī)律地升高。其中在含有四個碳原子以上的烷烴中，含碳原子數為偶數的烷烴其沸點的升高比含有奇數碳原子的烷烴沸點的升高要快。

2.4烷烴的物理性質相對密度4.直鏈烷烴的相對密度也是隨著碳原子數目的增加而有規(guī)律地增大，但是超過20個碳原子的烷烴其相對密度接近于0.78。

2.4烷烴的物理性質溶解度5.烷烴是非極性分子，難溶于水，而易溶于有機溶劑。一些烷烴的物理性質如表2-2所示。

2.5烷烴的化學性質鹵代反應1.烷烴的氫原子被鹵素取代生成鹵代烴的反應稱為鹵代反應。烷烴的鹵代通常是指氯代或溴代。反應進行的條件是光照或加熱。

2.5烷烴的化學性質

烷烴的鹵代反應是由烷烴制備鹵代烴的主要方法。甲烷和氯氣在光照或加熱的條件下，就可以發(fā)生氯代反應，甲烷的氯化反應很難停留在一氯甲烷階段，而是一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳的混合物?？刂品磻獥l件和原料的配比，可以使其中一種氯代烷烴為主要產品。例如，控制甲烷∶氯氣=10∶1，在400~450℃時，CH3Cl在混合物中的含量可高達98%；而控制甲烷∶氯氣=1∶4，在400℃時，則主要產物為CCl4。

2.5烷烴的化學性質氧化反應2.（1）燃燒反應

烷烴在充足的空氣中完全燃燒，生成產物為二氧化碳和水，反應中放出大量的熱能。例如：汽油、柴油等用作內燃機的燃料，就是利用其在空氣中燃燒放出大量的熱這個原理。

2.5烷烴的化學性質（2）催化氧化雖然烷烴在常溫下通常不與氧化劑反應，但是控制一定的條件如在引發(fā)劑的引發(fā)下，烷烴可以進行選擇性氧化，產物為醛、醇、酸等含氧化合物，這些產品都是重要的化工原料。

2.6自然界中的烷烴甲烷2.6.1

甲烷是烴類分子中組成最簡單的物質，其化學式為CH4。甲烷是無色、無味的氣體，微溶于水，溶于醇、乙醚。甲烷性質穩(wěn)定，跟酸性KMnO4溶液或溴水均不發(fā)生反應。點燃甲烷和空氣的混合氣會發(fā)生爆炸。低級烷烴的蒸汽與空氣混合達到一定比例時，遇明火迅速燃燒，放出的大量熱不能迅速消散，同時產生的CO2和水蒸汽突然膨脹，發(fā)生爆炸。這個混合物的比例稱為爆炸極限。甲烷主要有兩方面的用途，一是作為燃料，二是作為化工原料。

2.6自然界中的烷烴高級烷烴2.6.2

以硼化物為催化劑，可將C12～C14的正構烷烴氧化成高級仲醇；可將C8～C30脂肪烴氧化成相應的高級脂肪酸，高級脂肪酸為制造肥皂的原料。制備醇或酸——氧化反應1.

2.6自然界中的烷烴

采用熱氯化或三氯化磷催化氯化可將C10～C30烷烴氯化成