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1、第二章 饱和烃(烷烃),Alkanes,第二章 烷烃 2.1 烷烃的通式和构造异构 2.1.1 烷烃的通式 烷烃的通式为：CnH2n+2 2.1.2 同系列和系差 同系列：烷烃中具有同一个通式，结构相似，化学性质相似，物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物，称为同系列。 同系物：同系列中的化合物互称为同系物。 系差：同系列中相邻两个化合物在组成上的差别。烷烃系差为CH2,2.1.3 烷烃的同分异构 从丁烷开始： 正丁烷 CH3CH2CH2CH3 异丁烷 CH3CH(CH3)2 同分异构体的推导： 写出最长链： 写出少一个碳原子的直链，把一个碳当支链，找出可能的异构体 写出少二个碳原子
2、的直链，把二个碳当两个支链，或一个支链， 找出可能的异构体。 同分异构：分子式相同，结构不同。是不同的化合物。 构造异构：分子式相同，分子内原子原子间相互连接的顺序不同， 即分子的构造不同。 碳架异构：分子式相同，碳的骨架不同。,2.2 烷烃的命名 2.2.1 伯、仲、叔和季碳原子 伯碳原子：一级碳原子,1,与一个碳原子(三个氢原子)相连的碳原子。 仲碳原子:二级碳原子,2,与二个碳原子 (二个氢原子)相连的碳原子 叔碳原子：三级碳原子,3,与三个碳原子(一个氢原子)相连的碳原子。 季碳原子：四级碳原子，4，与四个碳原子相连的碳原子。 分别与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称为伯、仲、叔氢原子。,
3、aCH3bCH2bCH2bCH2aCH3 aCH3bCH2cCHaCH3 aCH3 CH3 aCH3dCaCH3 CH3,戊烷（正戊烷）,2-甲基丁烷（异戊烷）,2，2-二甲基丙烷（新戊烷）,a:一级（1）(伯)碳原子 b:二级（2）(仲)碳原子 c:三级（3）(叔)碳原子 d:四级（4）(季)碳原子 伯氢、仲氢、叔氢,2.2.2 烷基的概念 烷基：烷烃中，去掉一个氢原子后剩余的基团。用“-”来表示，如 (1)某基：甲基 CH3- Me- ；乙基 CH3CH2- Et- ； 丙基 CH3CH2CH2- n-Pr- ； 丁基 CH3CH2CH2CH2- n-Bu- (2) 异某基: 异丙基 (C
4、H3)2CH- i-Pr- ； 异丁基 (CH3)2CHCH2- i-Bu- 3)仲某基: CH3 仲丁基: CH3CH2CH - s-Bu-,CH3 (4)叔某基: 叔丁基: (CH3)3C- t-Bu- ; 叔戊基: CH3CH2C CH3 CH3 (5)新某基: 新戊基 : CH3CCH2 CH3,2.2.3 普通命名法 按碳原子的数目称：甲,乙,丙,丁,戊,己,庚,辛,壬,癸烷,十一烷,十二烷 直链的称为正某烷，正丁烷： CH3CH2CH2CH3 碳链一端带有两个甲基的称为异某烷，异丁烷: (CH3)2CH2CH3 有季碳原子的称新某烷，新戊烷：(CH3)3CCH2CH3 石油工业上，
5、“#”表示辛烷值，异辛烷(辛烷值定为100)不属于习惯命名，是商品名或俗名：,2.2.4衍生物命名法: 次序规则： (CH3)3C-CH3CH2(CH3)CH-(CH3)2CH-(CH3)2CHCH2- CH3CH2CH2CH2-CH3CH2CH2-CH3CH2-CH3- 把甲烷作为母体，把其它烷烃看作是甲烷的烷基取代衍生物。,二甲基乙基甲烷,二甲基乙基异丙基甲烷,甲基乙基异丁基叔丁基甲烷,2.2.5 系统命名法 IUPAC命名法, International Union of Pure and Applied Chemistry 1.选取含碳原子最多支链数目最多的碳链为主链；当最长碳链有 多
6、种时，选支链最多者为主链：,2.主链碳原子的位次编号： (1).离取代基最近的一端开始编号，最低系列原则： 碳链以不同方向编号时，若有多种可能系列，则需顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者为最低系列。,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,1 2 3 4 5 6 7 8 9,9 8 7 6 5 4 3 2 1,10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,(2).若支链中又带支链，用带撇的数字表示支链中支链的位置：,9 8 7 6 5 4 3 2 1,1 2 3,3甲基5(1，2二甲基丙基)壬烷,3.写出名称： (1).取代基的 名称写在烷烃前，用其所连碳原子的编号注明位置； (
7、2).相同取代基合并，用二、三、四表明数目，其位置须逐个注明； (3).数字与汉字间用“”隔开，数字间用“，”分开； (3).特别注意：“某基”和“某烷”之间不能用“”隔开。,2.3 烷烃的结构 2.3.1 碳原子的电子跃迁,基态 激发态,2.3.2 碳原子轨道的sp3杂化 一个s轨道和三个p轨道杂化后，形成四个完全相等的杂化轨道，这种轨道称为sp3杂化轨道。 a 杂化轨道有更强的方向性； b 四个SP3杂化轨道完全等值； c 四个键尽可能远离； d 每两个杂化轨道之间的夹角都是10928,2.3.3 甲烷的正四面体结构 键长：0.110nm 键角：10928 球棒模型：,sp3 轨道和甲烷分
8、子的形成,-键,2.3.4 烷烃分子的模型和表示方法 键线表示法：,己烷 2-甲基戊烷, 楔形式 ：,乙烷,（3)模型： Kekule(凯库勒)模型：球和棍棒，表示原子和键； Stuart（斯陶特)模型：原子半径和键长的比例；,2.3.5 乙烷的构象 透视式 ：,交叉式 重叠式,两种构象能量差：12.6KJ/mol;绝对0K左右，分子均以交叉式构象存在；常温时，两种构象以极快的速度相互转化；构象不可分离。乙烷分子的位能曲线图见P23图2-8,2.纽曼投影式：,2.3.6 丁烷的构象,全重叠式 邻位交叉式 部分重叠式,对位交叉式 部分重叠式 邻位交叉式,能量高低：全重叠式 部分重叠式 邻位交叉式
9、 对位交叉式 旋转时能量的变化见P24图2-9,2.4 烷烃的物理性质 2.4.1沸点的规律 14个碳气体；516个碳液体；17个碳以上固体由色散力决定：随碳原子数增加而升高；正烷烃的沸点高于它的异构体。随着分子量的增加，相对分子质量增加的相对百分比越来越小，所以对沸点的影响渐渐变小。分子间的距离越近，引力越大。 2.4.2熔点的规律 分子间引力及分子的对称性决定（排列紧密）：随碳原子数增加而升高；偶数烷烃的熔点比奇数的升高的更多；对称性好的新戊烷的熔点（-16.6 C）高于异戊烷(-159.9 C)和戊烷(-129.7C),2.4.3相对密度的规律 分子间引力决定: 随碳原子数增加而增大,
10、接近0.78 2.4.4溶解性规律 不溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃类中，相似相溶的规律。 2.4.5同分异构体的物理性质规律： 同分异构体中，沸点：支链越多，沸点越低。 熔点：支链越多，熔点越高。,2.5 烷烃的化学性质 烷烃没有官能团，和其他各类有机物相比，化学性质最稳定。 不易发生化学反应;不易发生异裂反应。 但在高温，光照或催化剂作用下，烷烃分子中的C-H可以均裂，发生自由基反应。 2.5.1 取代反应 烷烃分子中的氢原子被氯原子取代的反应。 1. 卤化反应：在光照射下，或高温下，烷烃分子中的氢原子能逐步被氯取代，得到不同的产物。如甲烷在350400 oC时：,CH4 + Cl2 C
11、H3Cl (一氯甲烷) + HCl ； CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 (二氯甲烷) + HCl ； CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 (三氯甲烷) + HCl ； CHCl3 + Cl2 CCl4 (四氯化碳) + HCl 。 反应有时很剧烈，控制不好会爆炸。甲烷过量(10:1)时，主要得到一氯甲烷；甲烷与氯气体积比0.26:1时，主要得到四氯化碳。 卤化反应的相对活性：F2Cl2Br2I2,2 卤化的反应机理 反应物转变产物所经过途径叫做反应机理或反应历程。,3.卤化反应的取向与自由基的稳定性：,丙烷 45% 55%,仲氢：伯氢=55/2：45/64：1,异丁烷 63% 37%,
12、叔氢：伯氢=37/1：63/95：1,总结： 烷烃中，氢原子的活性顺序为： 叔氢原子仲氢原子伯氢原子 氯化时，叔氢：仲氢：伯氢 = 5：4：1 原因：叔CH键解离能较小，易断裂，被Cl.夺取 自由基的稳定性顺序： (CH3)3C(CH3)2CHCH3CH2CH3,溴的活性比氯小，溴原子取代烷烃分子中 活性较大的氢原子，比取代活性较小的氢原子容易得多。 溴化时，叔氢：仲氢：伯氢 = 1600：82：1,4 .反应活性与选择性,同样说明，烷烃卤化时，卤原子的选择性是：IBrClF,2.5.2 氧化反应 1.燃烧生成CO2和水： 高温和足够的空气中燃烧，完全氧化，生成CO2和水，大量放热： CH4
13、+ 2O2 CO2 + 2H2O + 热能 C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O + 热能 CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 n CO2 + (n+1)H2O + 热能 低级烷烃的蒸气和空气混合至一定比例，遇火爆炸，如煤矿中瓦斯爆炸。甲烷的爆炸极限是5.53%14%；在这比例外，只燃烧不爆炸。,2. 在催化剂存在下可发生部分氧化,合成了乙酸,高级脂肪酸等产品。甲烷在催化剂的存在下，可发生氧化生成甲醛、甲醇等化合物：,2.5.3异构化反应,从化合物的一种异构体转变成另一种异构体的反应。,直链烷烃异构体为带支链的烷烃可以提高汽油的辛烷值，同时，因异构化产生叔碳原子而增加了化学反应的活性。,2.5.4裂化、裂解和脱氢 裂化反应: 隔绝氧气,高温下,化合物发生键断裂的反应。一般生成分子量更小的烷，烯和氢气。催化裂化，又叫催化重整。,高温裂化，又叫高温裂解，一般高于750 oC 石油化工：汽油，辛烷值，2,2,4三甲基戊烷值为100， 正庚烷为0,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,1 2 3 4 5 6 7 8 9,9 8 7 6 5 4 3 2 1,10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,2，7二甲基8乙基癸烷,2，3，8三甲基6乙基壬烷,