1、有机化学有机化学 第第2 2章章 烷烷 烃烃烷烃的命名烷烃的同系列与同分异构烷烃的物理性质烷烃的构型烷烃的物理性质 2.1 2.1 烷烃的同系列与同分异构烷烃的同系列与同分异构 同系列中同系物的结构和性质相似，其物理性质也随着分子中碳原子数目的增加而呈规律性变化，所以掌握了同系列中几个典型的有代表性的化合物的化学性质，就可以推知同系列中其他化合物的一般化学性质，为系统研究数目繁多的有机化合物提供了方便。管同系物在结构和性质方面有共性，但也要注意它们的个性，根据分子结构上的差异来理解性质上的差别。烷烃的同系列2 2.1 1.1.1 2.1 2.1 烷烃的同系列与同分异构烷烃的同系列与同分异构 烷
2、烃的同分异构2 2.1 1.2 2 丁烷的分子式为C4H10，其构造式可以有以下两种形式：2.1 2.1 烷烃的同系列与同分异构烷烃的同系列与同分异构 像正丁烷和异丁烷这样具有相同的分子式而结构不同的两个或两个以上有机化合物分子称为同分异构体，这种同分异构是由于碳原子之间相互连接方式不同而引起的，因此称为碳干异构。同分异构现象在有机化合物中普遍存在，如分子式为C5H12的戊烷有三个同分异构体：2.1 2.1 烷烃的同系列与同分异构烷烃的同系列与同分异构 伯、仲、叔和季碳原子2 2.1 1.3 3 从戊烷的同分异构体的结构不难发现，有的碳原子只与一个碳原子相连，称为伯碳原子，用1表示，也称为一级
3、碳原子；有的碳原子则与两个碳原子相连，称为仲碳原子，用2来表示，也称为二级碳原子；与三个碳原子相连的碳原子称为叔碳原子，用3来表示，也称为三级碳原子；而与四个碳原子相连的碳原子称为季碳原子，用4来表示，也称为四级碳原子。例如：2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名 烷烃的普通命名法2 2.2 2.1 1 根据烷烃分子中碳原子数目称为“某烷”，碳原子数在十个以内的依次用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，十以上的用中文数字表示碳原子数，如十一、十二、十三等。根据烷烃的结构，直链的烷烃称为正某烷，带有支链的烷烃则称为异某烷或新某烷。例如：普通命名法的优点是简单方便，但只适用于那些构造比较简单
4、的烷烃。对于结构比较复杂的烷烃则必须使用系统命名法。2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名 烷基2 2.2 2.2 2 烷基是指烷烃分子中去掉一个氢原子后剩下的部分，其通式为CnH2n+1，常用R表示。这里烷基有一价的含义。由于烷基是由普通命名法衍生而来，因此在系统命名法中有一些烷基的名称仍然沿用，常用的烷基如表2-1所示。2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名表2-1 常用的几种烷基 2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名 两价的烷基称为“亚”某基，是指烷烃分子从形式上消除两个单价或一个双价的原子或基团所剩余的部分。例如：三价的烷基称为“次”某基，是指烷烃分子从形式上消除三个单价的原子或基团所剩余
5、的部分，在系统命名中的次基限于三个价集中在一个原子上的结构。例如：2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名 次序规则2 2.2 2.3 3 次序规则是指在有机化合物命名中所使用的排列原子或基团顺序的一些规定,主要内容如下：比较各取代基的原子的原子序数的大小，大的为“较优基团”，如出现同位素，则将质量大的定为“较优基团”。例如：BrClSPFONCBDH(孤对电子)如果两个基团的第一个原子相同，则顺次比较与该原子相连的几个原子的原子序数。例如：OROH,CHCl2CH2Cl 如第二个原子还相同，则继续比较第三个、第四个，直至比出次序为止。2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名 如有基团含有双键或三键，
6、则可以将其看做是两个或三个单键，即认为其连有两个或三个相同的原子。例如:2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名 以下是一些常见的基团按次序规则由高至低排列的顺序：2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名 有机化合物的系统命名法2 2.2 2.4 4直链烷烃的命名直链烷烃的命名1.系统命名法中，直链烷烃的命名与普通命名法基本相同，只是去掉了普通命名法中的“正”字，称为“某烷”。例如：2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名带支链烷烃的命名带支链烷烃的命名2.（1 1）选主链（母体）选主链（母体）选择含碳原子数目最多的碳链作为主链，支链作为取代基；分子中有两条以上等长碳链时，则应选择支链多的一条为主链。例如
7、：2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名（2 2）给主链碳原子编号）给主链碳原子编号 主链选定后，就要给主链碳原子编号，编号的目的是为了确定取代基的位次，从靠近取代基的一端开始，将主链碳原子依次用阿拉伯数字编号，例如：2.2 2.2 烷烃的命名烷烃的命名（3 3）书写规则）书写规则 书写命名时，应将取代基连同取代基的位号写于母体之前，取代基位号与取代基之间用“-”隔开，因此上述烷烃的命名应为“3-甲基己烷”；如果含有多个不同取代基，书写烷烃命名时，按次序规则排序，将优先基团写在后面；如果含有多个相同取代基时，则将这些取代基合并，其数目用二、三、四等来表示，表示位置的数字间要用逗号隔开，位次和取代
8、基名称之间要用“半字线”隔开，写于取代基的前面。例如：2.3 2.3 烷烃的构型烷烃的构型 碳原子的四面体概念2 2.3 3.1 1 甲烷分子中的碳原子为四价，构型为正四面体。碳原子位于正四面体构型的中心，四个氢原子分别在四面体的四个顶点上，四个C-H键键长均为0.109nm，所有H-C-H键键角均为109.5，如图2-1所示。图2-1 甲烷的正四面体构型 2.3 2.3 烷烃的构型烷烃的构型 碳原子的sp3杂化2 2.3 3.2 2 在有机化合物分子中碳原子都是以杂化轨道参与成键的，而在烷烃分子中碳原子是以sp3杂化轨道成键的。杂化后所形成的四个能量相等的新轨道称为sp3杂化轨道，碳原子的这
9、种杂化方式称为sp3杂化，每一个sp3杂化轨道都含有1/4s成分和3/4p成分。2.3 2.3 烷烃的构型烷烃的构型 四个sp3杂化轨道对称地分布在碳原子的四周，对称轴之间的夹角为109.5,这样可使价电子尽可能彼此离得最远,相互间的斥力最小,有利于成键。sp3杂化轨道有方向性，图形为一头大，一头小，示意图如图2-2所示。图2-2 sp3杂化轨道的形状以及在空间的分布 2.3 2.3 烷烃的构型烷烃的构型 烷烃分子的形成2 2.3 3.3 3 甲烷分子形成时，碳原子的四个等同的sp3杂化轨道沿着对称轴的方向分别与四个氢原子的1s轨道达到最大重叠，四个C-H键完全等同，形成正四面体结构，四个氢原
10、子位于四面体的顶点，碳原子则位于四面体的中心，如图2-3所示。图2-3 甲烷分子的形成示意图 2.3 2.3 烷烃的构型烷烃的构型 乙烷分子形成时，分子中的两个碳原子各以一个sp3杂化轨道沿着对称轴的方向形成C-C 键，另外又各以三个sp3杂化轨道沿着对称轴的方向分别与三个氢原子的1s轨道相互重叠成键，如图2-4所示。图2-4 乙烷分子的形成示意图 2.3 2.3 烷烃的构型烷烃的构型 其他烷烃形成时与乙烷相似，碳原子都是以sp3杂化轨道与其他原子形成键，碳原子均为正四面体结构，因此碳链一般是以锯齿状排布在空间。例如：2.4 2.4 烷烃的物理性质烷烃的物理性质 有机化合物的物理性质主要包括化
11、合物的物理状态、熔点、沸点、相对密度、溶解性、折光率等，这些物理性质主要应用于有机化合物的分离、提纯和鉴别。表2-2列出了含有20个碳原子以下的直链烷烃的物理常数，从表中可以看出，直链烷烃的物理性质是随着碳原子的增加而有规律地递变。2.4 2.4 烷烃的物理性质烷烃的物理性质表2-2 一些直链烷烃的物理常数 2.4 2.4 烷烃的物理性质烷烃的物理性质物理状态物理状态1.在常温、常压下，含有14个碳原子的烷烃为气体，517个碳原子的烷烃为液体，18个碳原子以上的烷烃为固体。2.4 2.4 烷烃的物理性质烷烃的物理性质沸点沸点2.直链烷烃的沸点是随着分子中碳原子数目的增加而有规律地升高的。对于含
12、有相同碳原子数的烷烃的同分异构体之间相比，其中直链烷烃的沸点最高，含有支链越多的异构体其沸点越低。2.4 2.4 烷烃的物理性质烷烃的物理性质熔点熔点3.直链烷烃的熔点也是随着碳原子个数的增加而有规律地升高。其中在含有四个碳原子以上的烷烃中，含碳原子数为偶数的烷烃其沸点的升高比含有奇数碳原子的烷烃沸点的升高要快。2.4 2.4 烷烃的物理性质烷烃的物理性质相对密度相对密度4.直链烷烃的相对密度也是随着碳原子数目的增加而有规律地增大，但是超过20个碳原子的烷烃其相对密度接近于0.78。2.4 2.4 烷烃的物理性质烷烃的物理性质溶解度溶解度5.烷烃是非极性分子，难溶于水，而易溶于有机溶剂。一些烷
13、烃的物理性质如表2-2所示。2.5 2.5 烷烃的化学性质烷烃的化学性质卤代反应卤代反应1.烷烃的氢原子被卤素取代生成卤代烃的反应称为卤代反应。烷烃的卤代通常是指氯代或溴代。反应进行的条件是光照或加热。2.5 2.5 烷烃的化学性质烷烃的化学性质 烷烃的卤代反应是由烷烃制备卤代烃的主要方法。甲烷和氯气在光照或加热的条件下，就可以发生氯代反应，甲烷的氯化反应很难停留在一氯甲烷阶段，而是一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳的混合物。控制反应条件和原料的配比，可以使其中一种氯代烷烃为主要产品。例如，控制甲烷氯气=101，在400450时，CH3Cl在混合物中的含量可高达98%；而控制甲烷氯气=14，在
14、400时，则主要产物为CCl4。2.5 2.5 烷烃的化学性质烷烃的化学性质氧化反应氧化反应2.（1 1）燃烧反应）燃烧反应 烷烃在充足的空气中完全燃烧，生成产物为二氧化碳和水，反应中放出大量的热能。例如：汽油、柴油等用作内燃机的燃料，就是利用其在空气中燃烧放出大量的热这个原理。2.5 2.5 烷烃的化学性质烷烃的化学性质（2 2）催化氧化）催化氧化虽然烷烃在常温下通常不与氧化剂反应，但是控制一定的条件如在引发剂的引发下，烷烃可以进行选择性氧化，产物为醛、醇、酸等含氧化合物，这些产品都是重要的化工原料。2.6 2.6 自然界中的烷烃自然界中的烷烃 甲烷2 2.6 6.1.1 甲烷是烃类分子中组
15、成最简单的物质，其化学式为CH4。甲烷是无色、无味的气体，微溶于水，溶于醇、乙醚。甲烷性质稳定，跟酸性KMnO4溶液或溴水均不发生反应。点燃甲烷和空气的混合气会发生爆炸。低级烷烃的蒸汽与空气混合达到一定比例时，遇明火迅速燃烧，放出的大量热不能迅速消散，同时产生的CO2和水蒸汽突然膨胀，发生爆炸。这个混合物的比例称为爆炸极限。甲烷主要有两方面的用途，一是作为燃料，二是作为化工原料。2.6 2.6 自然界中的烷烃自然界中的烷烃 高级烷烃2 2.6 6.2 2 以硼化物为催化剂，可将C12C14的正构烷烃氧化成高级仲醇；可将C8C30脂肪烃氧化成相应的高级脂肪酸，高级脂肪酸为制造肥皂的原料。制备醇或
16、酸制备醇或酸氧化反应氧化反应1.2.6 2.6 自然界中的烷烃自然界中的烷烃 采用热氯化或三氯化磷催化氯化可将C10C30烷烃氯化成相应的一氯或多氯代烃。一氯代烃可制造表面活性剂，多氯代烃可作增塑剂及阻燃剂。合成氯代烃合成氯代烃热氯化反应热氯化反应2.2.6 2.6 自然界中的烷烃自然界中的烷烃 C15C17烷烃在光的催化下与氧及二氧化硫作用可得仲碳磺化烃，这是一种能全部进行生化处理的表面活性剂。合成磺化烃合成磺化烃磺化反应磺化反应3.2.6 2.6 自然界中的烷烃自然界中的烷烃 高级烷烃裂解可用于合成-烯烃。-烯烃是制造表面活性剂、增塑剂及石油产品添加剂的原料。合成合成-烯烃烯烃高级烷烃裂解高级烷烃裂解4.谢谢观看！
