中医药大学有机化学课件JC整理-第四章烷烃.ppt

1、第四章第四章 烷烃烷烃 alkanealkane（饱和烃）（饱和烃）烷烃：烷烃：指由碳和氢两种元素组成指由碳和氢两种元素组成 的饱和、开链有机化合物的饱和、开链有机化合物。（一）（一）烷烃的同系列和结构烷烃的同系列和结构（二）（二）烷烃的同分异构命名烷烃的同分异构命名（三）（三）烷烃的物理性质烷烃的物理性质（四）（四）烷烃的化学性质烷烃的化学性质（五）（五）烷烃的主要来源和制法烷烃的主要来源和制法(一一)烷烃烷烃的同系列和结构的同系列和结构1.1.烷烃烷烃的同系列的同系列 烷烃的通式为：烷烃的通式为：CnH2n+2，n为碳原子个数。为碳原子个数。例如：例如：CHHHHCCHH HHHHCCCH

2、HHHHHHHCCCCHHHHHHHHHH 甲烷甲烷 乙烷乙烷 丙烷丙烷 丁烷：丁烷：同系列和同系物同系列和同系物 -11.73沸点：-0.5 CHCH3CH3CH3异丁烷CH2CH3CH2CH3正丁烷 同分异构体，同分异构现象，构造异构体同分异构体，同分异构现象，构造异构体同系列：同系列：通式相同，组成上相差通式相同，组成上相差“CH2”及及 其整倍其整倍数的一系列化合物。数的一系列化合物。同系物：同系物：同系列中的各个化合物互为同系物。同系列中的各个化合物互为同系物。系差：系差：“CH2”称为系差。称为系差。（1）碳原子轨道的）碳原子轨道的sp3杂化杂化2.2.烷烃的结构烷烃的结构2s2p

3、2s2psp3跃 迁sp3杂化每个每个sp3杂化轨道含杂化轨道含1/4 s 成分和成分和 3/4 p成分成分sp3杂化轨道形状杂化轨道形状碳原子的碳原子的sp3杂化轨道杂化轨道键角为键角为 109.5 原子原子 轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱轨道沿键轴相互交盖，形成对键轴呈圆柱形对称的轨道称为形对称的轨道称为 轨道轨道。轨道构成的共价键称为轨道构成的共价键称为键键。例如：甲烷分子中有四个例如：甲烷分子中有四个CH键。键。相类似，乙烷分子中有六个相类似，乙烷分子中有六个CH键和一个键和一个 CC键。键。甲烷甲烷乙烷乙烷键的形成及其特性键的形成及其特性甲烷甲烷正丁烷正丁烷键的特性键的特性:成

4、键原子可沿键轴自由旋转成键原子可沿键轴自由旋转;键能较大，可极化性较小键能较大，可极化性较小。球棍模型球棍模型(Kekul模型模型)比例模型比例模型(Stuart模型模型)(二二)烷烃的同分异构和命名烷烃的同分异构和命名1.1.烷烃的同分异构烷烃的同分异构 相同分子式，不同结构的化合物，互相同分子式，不同结构的化合物，互称同分异构何等。同分异构体产生的原因，称同分异构何等。同分异构体产生的原因，由于分子中碳原子连接的顺序不同。由于分子中碳原子连接的顺序不同。以已烷为例以已烷为例C6H14首先写出直链首先写出直链 C-C-C-C-C-C砍下一个甲基做为取代基（支链）重新组合。砍下一个甲基做为取代

5、基（支链）重新组合。C-C-C-C-C C-C-C-C-C C-C-C-C-C C C再砍下一个甲基做为取代基（支链）重新组合。再砍下一个甲基做为取代基（支链）重新组合。C-C-C-CC-C-C-C C-C C C-C-C-C C（孪）（孪）C-C-C-C C C(邻邻)不能再砍甲了，因为再砍甲基重新组成的结构与不能再砍甲了，因为再砍甲基重新组成的结构与 前面的结构一样了。前面的结构一样了。烷烃构造异构体的数目烷烃构造异构体的数目碳原子数异构体数碳原子数异构体数13456712359891015201835754,347366,319总结：总结：写异构体的规律，主链由长到短，支链写异构体的规律

6、，主链由长到短，支链由整到散，位置由心到边，排布孪邻相间。由整到散，位置由心到边，排布孪邻相间。2.烷烃的命名烷烃的命名（1）烷基的概念）烷基的概念 （甲）伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子（甲）伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子CCHHHHCCH3CHCH3CH3CH3H1。2。3。4。（乙）烷基（乙）烷基(1)常见烷基常见烷基CH3CH3CH2CH3CH2CH2CH3CHCH3CH3CH2CH2CH2CH3CHCH2CH3(CH3)2CHCH2(CH3)3C(CH3)3CCH2甲基甲基 乙基乙基丙基丙基 异丙基异丙基丁基丁基 仲丁基仲丁基 异丁基异丁基 叔丁基叔丁基新戊基新戊基CH

7、2亚甲基CHCH3亚乙基1,2-亚乙基CH2CH2亚异丙基C(CH3)21,6-亚己基(或六亚甲基)CH2(CH2)4CH2(2)常见亚烷基常见亚烷基（2）烷烃的命名）烷烃的命名CH2CH2CH2CH3CH3正戊烷异戊烷CHCH3CH2CH3CH3新戊烷CH3CCH3CH3CH3（A）普通命名法）普通命名法(习惯命名法习惯命名法)碳原子数用碳原子数用“天干天干”字字甲、乙、丙、丁、戊、己、甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和十一、十二庚、辛、壬、癸和十一、十二等数目字表示。等数目字表示。用用“正正”、“异异”、“新新”等前缀区别不同的构造异构等前缀区别不同的构造异构体。体。(1)选取包含支

8、链最多的最长碳链为主链选取包含支链最多的最长碳链为主链CHCHCHCH3CH2CHCH2CH2CH3CH3CH3CH3CH3(2)按按“最低系列最低系列”原则编号原则编号CH3CHCH3CHCHCH3CH2CHCH2CH3CH3CH3CH3CHCH3CHCH2CH3CHCH3CH3（B）系统命名法）系统命名法1234567123456a依次写出取代基的位次和名称以及主链名称。依次写出取代基的位次和名称以及主链名称。b“次序规则次序规则”“较优较优”取代基后列出取代基后列出。c相同取代基合并表示。相同取代基合并表示。CH3CH2CH2CH CHCHCH2CH3CH3CH2CH2CH2CH3CH2

9、CH3CH3CH2CHCH2CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CH3CH3(3)命名命名5-丙基丙基-4-异丙基壬烷异丙基壬烷1 2 3 4 5 6 7 8 93,7-二甲基二甲基-4-乙基壬烷乙基壬烷9 8 7 6 5 4 3 2 1(4)支链的命名支链的命名CH3CH2CH2CH2CH2CH CH2CCH2CHCH2CH3CH3CH3CH3CH310 9 8 7 6 5 4 3 2 12-甲基甲基-5-(1,1-二甲基丙基二甲基丙基)癸烷癸烷 直链烷烃的沸点一般随相对分子质量的增加而直链烷烃的沸点一般随相对分子质量的增加而升高。升高。碳原子数相同碳原子数相同 时，含支链多的烷烃沸点低。

10、时，含支链多的烷烃沸点低。沸点沸点(bp(bp)(三三)烷烃的物理性质烷烃的物理性质状态状态 一般一般C4以下的直链烷烃是气体，以下的直链烷烃是气体，C5-C16的烷烃的烷烃是液体，大于是液体，大于C17的烷烃是固体。的烷烃是固体。相对密度相对密度 烷烃相对密度小于烷烃相对密度小于1，随分子量，随分子量的增加逐渐增大。的增加逐渐增大。溶解度溶解度 烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂。烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂。熔点熔点(mp)直链烷烃的熔点分子质量的增加直链烷烃的熔点分子质量的增加而增加。一般含偶数碳原子烷烃的熔点通常比而增加。一般含偶数碳原子烷烃的熔点通常比含奇数碳原子烷烃的熔点升高较多。含奇数

11、碳原子烷烃的熔点升高较多。(四)烷烃的化学性质 烷烃分子中的烷烃分子中的键键能大，极性小，化学性质稳定。键键能大，极性小，化学性质稳定。一般在常温下与强酸、强碱、氧化剂、还原剂都不一般在常温下与强酸、强碱、氧化剂、还原剂都不反应。反应。但稳定性是相对的。但稳定性是相对的。（1）取代反应）取代反应 烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应，称为取代反应。被卤素取代的反应称为的反应，称为取代反应。被卤素取代的反应称为卤代反应。卤代反应。CH4 Cl2+漫射光CH3Cl Cl2+漫射光漫射光+CH2Cl2 HCl+CHCl3 HCl+CCl4 HClCH

12、Cl3 Cl2+CH2Cl2 Cl2+在漫射光或热的作用下，烷烃发生卤代反应：在漫射光或热的作用下，烷烃发生卤代反应：+CH3Cl HCl 100kJ mol-1甲烷的氯化较难停留在一氯化阶段：甲烷的氯化较难停留在一氯化阶段：漫射光 产物为四种氯甲烷的混合物，氯气过量时主要得产物为四种氯甲烷的混合物，氯气过量时主要得到四氯化碳，甲烷过量时主要得到一氯甲烷。到四氯化碳，甲烷过量时主要得到一氯甲烷。卤代反应卤代反应C12H26 Cl2+120+C12H25Cl HCl不同卤素与烷烃的反应活性不同，其顺序为：不同卤素与烷烃的反应活性不同，其顺序为：F2Cl2Br2I2其它烷烃也可以发生卤代反应：其它

13、烷烃也可以发生卤代反应：(2)卤化的反应机理卤化的反应机理 反应机理也叫反应历程，是指在化学反应中，反应机理也叫反应历程，是指在化学反应中，从反应物转化成产物所经历的过程。从反应物转化成产物所经历的过程。有机反应的实质是旧共价键的断裂和新共价键有机反应的实质是旧共价键的断裂和新共价键的形成。的形成。共价键的断裂有两种：共价键的断裂有两种：1.均裂方式：是指成键的一对电子平均分给两个原均裂方式：是指成键的一对电子平均分给两个原子或原子团。子或原子团。A:B A.+B.这种具有未配对电这种具有未配对电子的原子或原子团，称为游离基或自由基。子的原子或原子团，称为游离基或自由基。2.异裂方式（共价键断

14、裂的另一种方式）异裂方式（共价键断裂的另一种方式）异裂：是指成键的一对电子被某原子或原子团独占异裂：是指成键的一对电子被某原子或原子团独占生成两个带电荷，而又不稳定的生成两个带电荷，而又不稳定的“离子离子”这种断裂这种断裂叫异裂叫异裂A：BA+B-通过异裂生成通过异裂生成“离子离子”的反应，称为离子裂反应，的反应，称为离子裂反应，这类反应一般在酸、碱或极性化合物催化下进行。这类反应一般在酸、碱或极性化合物催化下进行。离子反应的理论基础，就是分子内的极化现象。离子反应的理论基础，就是分子内的极化现象。Cl Clh或2ClCl H CH3+HCl CH3CH3 Cl Cl+CH3Cl ClCl C

15、l+ClClCH3 CH3+CH3CH3CH3 Cl+CH3Cl 烷烃的氯化是一个连锁反应，也叫链反应。烷烃的氯化是一个连锁反应，也叫链反应。一般说，链反应分为链引发、链增长和链终止三一般说，链反应分为链引发、链增长和链终止三个阶段：个阶段：链引发链引发链终止链终止链增长链增长CH3CHCH3Cl光25取代伯氢45%55%取代仲氢CH3CH2CH2ClCH3CH2CH3+Cl2丙烷的氯化反应：丙烷的氯化反应：仲氢与伯氢活性之比为：仲氢与伯氢活性之比为：仲氢伯氢=55/245/627.57.541=(3)卤化反应的取向与自由基的稳定性卤化反应的取向与自由基的稳定性CH3CCH3CH3H+Cl2光

16、2536%取代叔氢取代伯氢64%CH3CCH2ClCH3HCH3CCH3CH3Cl叔氢伯氢=36/164/9367.151=异丁烷的一元氯化反应：异丁烷的一元氯化反应：叔氢与伯氢活性之比为：叔氢与伯氢活性之比为：氢原子被卤化的次序（由易到难）为：氢原子被卤化的次序（由易到难）为：叔氢仲氢伯氢叔氢仲氢伯氢烷基自由基的稳定性次序为：烷基自由基的稳定性次序为：(CH3)3C(CH3)2CHCH3CH2CH3 CCHHHHH自由基的稳定顺序同样自由基的稳定顺序同样是：是：3。2。1。碳自由基的结构碳自由基的结构自由基也存在超共轭效应自由基也存在超共轭效应,被称为被称为,P-共轭共轭。CH3CH2CH2

17、BrCH3CHCH3CH3CH3CH2CH3B r2光,127Br2光,125CH3CCH3CH3BrCH3CHCH3BrCH3CHCH3CH2Br(4)反应活性与选择性关系反应活性与选择性关系 反应活性越大，选择性越差。反应活性越大，选择性越差。对烷烃的卤化反应对烷烃的卤化反应而言，氯的活性比溴大，但溴的选择性却比氯高。而言，氯的活性比溴大，但溴的选择性却比氯高。烷烃卤化时，卤原子的选择性是烷烃卤化时，卤原子的选择性是 BrClF 97%3%99%1%（2）氧化反应）氧化反应CH4 2O2+燃烧+CO2 2H2O 891 kJ mol-1 O2RCH2CH2R+MnO2107110+RCOO

18、H RCOOH 其它羧酸CH2CH3CH2CH395150,12MPaAlCl3,HClCH3CHCH3CH3（3）异构化反应）异构化反应 适当条件下，直链或支链少的烷适当条件下，直链或支链少的烷烃可以异构化为支链多的烷烃。烃可以异构化为支链多的烷烃。适当条件下可部分氧化为醇、醛、酮、羧酸等含氧化合物。适当条件下可部分氧化为醇、醛、酮、羧酸等含氧化合物。(五五)烷烃的主要来源和制法烷烃的主要来源和制法（1）烷烃的来源）烷烃的来源石油和天然气石油和天然气 石油的主要成分是各种烃类石油的主要成分是各种烃类(烷烃、环烷烃和芳香烃等烷烃、环烷烃和芳香烃等)的复杂混合物的复杂混合物 天然气的主要成分为低级烷烃（天然气的主要成分为低级烷烃（75甲烷，甲烷，15乙烷，乙烷，5丙烷，丙烷，5%其它较高级的烷烃其它较高级的烷烃）的混合物。）的混合物。（2）烷烃的制法）烷烃的制法(甲甲)烯烃加氢烯烃加氢CH3CHCHCH3 H2+Ni,乙醇25,5MPaCH3CHCHCH3HH(乙乙)Corey House合成合成+(CH3)2CuLi CH3(CH2)3CH2I3.5h,98%干醚,25CH3(CH2)3CH2CH3