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1、第二章 烷烃和环烷烃,一、烷烃的结构 1.sp3杂化 2.通式和同系列 3.碳原子的类型 二、烷烃的命名 1、普通命名法 2、系统命名法 三、烷烃的同分异构现象 1、碳链异构 2、构象异构 四、烷烃的物理性质 五、烷烃的化学性质卤代反应,第一节 烷烃,烃的主要来源： 天然气 甲烷（主要）、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷 石 油 各种烃的混合物：汽油 C5-11，煤油C11-15，柴油 C15-18， 润滑油C16-20，石蜡C18-30，沥青C30-40 煤 芳香烃等,烃：只由碳和氢两种元素组成的化合物(hydrocarbons).,一、烷烃的结构 1. sp3杂化,碳原子外层电子排布为1s22s22
2、px12py1,有2个未成对电子，应该是二价的，但碳原子实际上是四价的.,由于2S轨道的能量与2p较接近,2S上的1个电子可以激发到2pz空轨道上.激发态的碳原子有4个单电子。,第一节 烷 烃,处于激发态的碳原子可以与4个H结合形成CH4。但这样形成的甲烷分子的空间结构会是怎样？,事实上，甲烷分子具有正四面体的空间结构：,甲烷的比例模型,甲烷的棍球模型,sp3杂化,Neutral ground state of carbon, C:,1s22s22px12py1 basic state,1s,2s,2p,Energy,Hybridize Energy,1s22(sp3)12(sp3)12 (s
3、p3)12(sp3)1,1s22s12px12py1 2pz1 excited state,hybridized valence state,Hybridize,Tetrahedral, all orbital bond angles are 109.5o.,109.5o,甲烷的形成与结构,头碰头重叠形成s键,乙烷分子的形成,头碰头重叠形成CC键,2.通式和同系列,烷烃的通式：CnH2n+2 同系列（homologous series）：具有同一分子通式和相同结构特征的一系列化合物 同系物（homolog）：同系列中的化合物互称为同系物 同系差：相邻两同系物之间的组成差别。烷烃同系物的系差为C
4、H2 同系物具有相似的化学性质，但反应速率往往有较大的差异；物理性质一般随碳原子数的增加而呈现规律性变化。同系列中的第一个化合物往往具有明显的特性。,伯碳(1)：只与1个其他碳原子直接相连, 一级碳原子 仲碳(2)：只与2个其他碳原子直接相连, 二级碳原子 叔碳(3)：只与3个其他碳原子直接相连, 三级碳原子 季碳(4)：只与4个其他碳原子直接相连, 四级碳原子,伯氢(1H)：伯碳上的H 仲氢(2H)：仲碳上的H 叔氢(3H)：叔碳上的H,不同类型的氢 反应活性不一样,(一) 普通命名法(common nomenclature)，又叫 习惯命名法，适用于简单的链烃。,1. 按分子中碳原子总数叫
5、“某烷”。10C 用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 表示，10C 用十一、十二 等中文数字表示。 2. 用“正”、“异”、“新”等字区别同分异构体。,戊烷,戊烷,戊烷,二、烷烃的命名,正,异,新,n-pentane isopentane neopentane,烷烃的英文名称：表示碳原子数的词头 ane 词尾组成。,把在碳链的一末端的第二位碳原子上只有一个甲基支链的特定结构的烷烃称为“异某烷”。,把在碳链的一末端的第二位碳原子上有两个甲基支链的特定结构的烷烃称为“新某烷”。,注意:,把无其他支链的直链烷烃称为“正某烷”,衡量汽油品质的基准物质异辛烷则属例外，因为它的名称沿用日久，已成习惯
6、了。,烃分子中去掉一个氢原子后剩下的原子团叫做烃基。 脂肪烃基：脂肪烃去掉1个H所剩下的部分。“R-” 芳香烃基：芳香烃去掉1个H后剩下的部分。“Ar-” 烷基：烷烃的基。 烷烃同一碳上去掉2个H或3个H后, 分别称为亚基、次基。如：,烃基及其命名,烃基的名称由相应的烃名确定。 当烃分子中含有不同类型的氢时，会出现不同的烃基。,甲基(Me) 乙基(Et) 正丙基(n-Pr) 异丙基(iso-Pr),丁基(n-Bu) 仲丁基(sec-Bu) 异丁基(iso-Bu) 叔丁基(tert-Bu),新戊基 叔戊基 丙烯基 烯丙基,1892年在日内瓦开了国际化学会议，制定了系统的有机化合物的命名法，叫做日
7、内瓦命名法。后由国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）作了几次修订，简称为IUPAC命名法。 我国参考这个命名法的原则结合汉字的特点制定了我国的系统命名法（1960）。1980年进行增补和修订，公布了有机化学命名原则。 在系统命名法中，对于直链烷烃的命名和普通命名法是基本相同的，仅不写上“正“字。,（二）系统命名法,分为三步：一选二编三配基。 1. 选母体：碳链最长，取代最多 2. 编号：位次最低(最低系列原则) 3. 配基：先小后大(大基团后列出) 同基合并,关键是如何确定主链和处理取代基的位置,所谓“最低序列“指的是碳链以不同方向编号，得到两种或两种以上的不同编号序列，则顺次比较各系列的不
8、同位次，最先遇到的位次最小者为“最低系列“。,辛烷,3-甲基-5-乙基,2,5-二甲基-3,4-二乙基己烷,2,5-二甲基-3-异丙基己烷 2,5-二甲基-4-异丙基己烷,2,5-2甲基 3,4-2乙基己烷,2,5-甲基-3,4二乙基己烷,辛烷,3-甲基-3-乙基-5-丙基-4-异丙基,主要烷基的大小顺序：异丙基丙基乙基甲基,3-ethyl-4-isopropyl-3-methyl-5-propyloctane,1969年IUPAC命名法放弃了按取代基大小的次序，而按照取代基英文名称的第一个字母的次序来命名,同分异构(isomerism)：分子式相同，但分子中各原子的排列次序、结合方式或空间位
9、置不同,立体异构：构造相同，原子在空间排布方式不同,三、 烷烃的同分异构现象,构造异构：分子中原子间的排列顺序、结合方式,异构现象,碳架异构 位置异构 官能团异构（包括互变异构）,构象异构,1. 碳链异构(carbon-chain isomerism)碳原子之间 的连接次序和方式不同 例1 C5H12（3种）,例2 C6H14（5种）,2. 构象异构(conformational isomerism),因单键旋转而使分子中原子或基团在空间产生不同的排列形象称为构象。每一种空间排列形象就是一种构象(conformation), 因构象不同而产生的异构现象称为构象异构。,(1) 乙烷的构象,构象的
10、表示方法,锯架式(透视式) sawhorse formula,Newman投影式,构象的能量分析,非键合的两原子或基团接近到相当于范氏半径之和时，二者间以弱的引力相互作用，体系能量较低；如果接近到这一距离以内，斥力就会急剧增大，体系能量升高。,一些原子或基团的范德华半径(pm) H C N O Cl CH3 120 150 150 140 180 200,乙烷的重叠式内能最高，最不稳定，而交叉式内能最低，最为稳定。这种构象称为优势构象.,12.5kj/mol,其他构象的内能则介于交叉式与重叠式之间。随着乙烷分子中两个碳原子绕单键的相对旋转，能量不断变化。,乙烷分子是处于交叉、重叠以及介于两者之
11、间的无数构象的动态平衡混合体系，但各种构象体存在的比率不同。,(2) 丁烷的构象,Most stable (anti) and least stable (eclipsed) conformation of butane obtained by rotation about the C2C3 bond,丁烷构象的能量曲线,正丁烷各种构象的能差不大，室温下可迅速转化，正丁烷实际上是各种构象异构体的混合物，但对位交叉式(Anti)为优势构象，约占70%，邻位交叉式(Gauche)约占30%，其他构象所占比例极小。,全重叠式 邻位交叉式 部分重叠式 对位交叉式,当正烷烃碳原子数增加时，尽管构象也随之
12、更复杂，但仍然主要以对位交叉式构象状态存在。所以直链烷烃绝大多数是锯齿形的。如正戊烷主要以第 1 种构象形式存在，第 3 种为全重叠构象，最不稳定。,（熔点、沸点、比重、溶解性等）,C1C4 气体C516 液体C17 固体,四、烷烃的物理性质,36.1,在同分异构体中，分支程度越高，沸点越低。因为烷烃分子中支链的存在会影响分子间的相互靠近，减弱分子间的引力(主要是色散力，色散力是短距离的力)，使沸点随之降低。,支链烷烃的熔点也比相应的直链烷烃低，但高度对称的支链烷烃其熔点却异乎寻常的高，这是因为分子的对称性越高，在晶体中排列越紧密。如：,bp() 36.1 27.9 9.5 mp() -129
13、.8 -159.9 -16.8,在晶体中，分子间的作用力不仅取决于分子的大小，而且取决于晶体中碳链的空间排布情况。排列紧密（分子间的色散力就大）熔点就高。,室温下烷烃与强酸、强碱、强氧化剂或强还原剂不发生反应或反应很慢。,五、烷烃的化学性质,1、稳定性,有机化合物分子中的氢原子（或其它原子、基团）被另一原子或基团取代的反应称为取代反应。被卤原子取代叫卤代(halogenation)。,2、卤代反应 (substitution reaction),动画模拟: 甲烷氯代实验,生成的一氯甲烷还会继续被氯代, 生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳四种产物的混合物. 工业上把这种混合物作为溶剂使用。,CH3
14、-Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl 二氯甲烷,CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl 四氯化碳,CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl 三氯甲烷,通过控制一定的反应条件和原料的用量比，可以使其中一种氯代物成为主要的产品。比如： 400450, 甲烷:氯气=10:1，主要生成一氯甲烷。 400左右, 甲烷:氯=0.263:1，主要生成四氯化碳。,含有不同类型H的烷烃氯代时，可得到不同的氯代烃.,仲氢与伯氢的活性比：,2/1=（55/2）（45/6）= 3.67/1 仲氢比伯氢活泼,2/1=（72/4）（28/6）= 3.86/1 仲氢比伯氢活泼,叔氢与伯氢的活性比：,3
15、/1=（29/1）（48/9）= 5.44/1 叔氢比伯氢活泼 实验结果表明：室温下3、2、1氢原子相对活性之比约为5:4:1,并与烷烃的结构基本无关。根据各类H的相对活性，可预测烷烃各氯代产物异构体的得率。如丁烷的氯代：,1-氯丁烷得率：3/(3+8) 100% = 27.3% （实际为28%） 2-氯丁烷得率：8/(3+8) 100% = 72.7% （实际为72%）,甲烷的氯代反应机制,反应机制(也叫反应历程，reaction mechanism) ，就是对某个化学反应逐步变化过程的详细描述。,烷烃卤代反应是游离基的链反应(free-radical chain reaction), 其历
16、程分 3步进行：,动画模拟: 甲烷氯代反应机制,续：甲烷的氯代反应机制,在链增长阶段，当一氯甲烷达到一定浓度时，氯原子除了同甲烷作用外，也可同一氯甲烷作用，结果生成二氯甲烷。以同样方式，可生成氯仿及四氯化碳。,Cl + CH3Cl CH2Cl + HCl CH2Cl + Cl2 CH2Cl2 + Cl,Cl + CH2Cl2 CHCl2 + HCl CHCl2 + Cl2 CHCl3 + Cl,Cl + CHCl3 CCl3 + HCl CCl3 + Cl2 CCl4 + Cl,Cl + Cl Cl:Cl CH3 + Cl CH3Cl CH3 + CH3 CH3CH3 加入少量能抑制自由基生成
17、或降低自由基活性的抑制剂可减慢反应速度或终止反应。,链终止(chain-terminating step)：消除自由基,2/1=（97/2）（3/6）= 97/1,卤代反应活性次序（易到难）：叔氢仲氢伯氢 F2 Cl2 Br2 I2,溴代比氯代反应的选择性更强。,游离基的稳定性顺序：321 CH3 这可以从甲烷、伯、仲、叔碳原子上的CH键离解能看出。,图 烷基游离基的能量比较,3. 活性氧,在自由基生物学中，超氧阴离子自由基(O2-)、羟自由基(OH)、单线态氧(1O2)和H2O2以及脂质发生自由基氧化过程的中间产物LO、LOO、LOOH等较活泼的自由基或非自由基统称为活性氧。 在生理状况下，机体自由基一方面不断产生，另一方面又不断清除，活性氧处于产生与清除平衡状态。一旦活性氧的产生和清除失去平衡，过多的自由基就会造成对机体的损害，从而引起多种疾病，并可诱发癌症和导致衰老。 自由基清除剂如VE,、2-巯基乙胺等可淬灭氧自由基，故自由基清除剂也叫抗氧剂。,本,章,要,点,THE END,烷烃的结构 碳原子sp3杂化，四面体构型 烷烃的命名 系统命名法：选母体编号配基 烷烃的异构 构象异构：透视式，Newman投影式 4. 烷烃的性质 游离基取代: 链引发链增长链终止 卤代活性: R3CH R2CH2 RCH3 ; Cl2 Br2 I2,