《烷烴和環(huán)烷烴》PPT課件.ppt

有機化學OrganicChemistry 烷烴和環(huán)烷烴吉林大學化學教學與研究中心劉曉冬Email yxwh 2 1 第2章烷烴和環(huán)烷烴 碳 氫 烴 RH ArH 烷烴的結構 C H 110pmC C 154pm 2 2 2 1烷烴 C sp3雜化 四面體結構 各原子之間都以單鍵 即 鍵 相連 鍵角接近109 28 CH4的結構 109 28 Csp3 H1s 非極性分子 烷烴的分子結構 乙烷分子 2 3 推廣 烷烴分子中 各C原子之間均是 Csp3 Csp3 C H之間均成 Csp3 H1s C原子的四個鍵接近正四面體分布 烷烴為非極性分子 烷烴的通式和同系列 烷烴的通式 CnH2n 2 2 4 同系物具有相似的化學性質(zhì) 但反應速率往往有較大的差異 物理性質(zhì)一般隨碳原子數(shù)的增加而呈現(xiàn)規(guī)律性變化 同系列中的第一個化合物往往具有明顯的特性 同系列 有相同通式 結構上相差一定的 原子團 的一系列化合物 同系物 同系列中的化合物互為同系物 例 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 同系列 2 5 烷烴的異構現(xiàn)象 碳鏈異構 正戊烷m p 130 b p 36 1 異戊烷m p 160 b p 28 新戊烷m p 17 b p 9 5 由于組成分子的原子或基團連接順序不同引起的 2 6 構象異構 乙烷分子中兩個C原子圍繞著C C單鍵做相對旋轉時 可產(chǎn)生無數(shù)種不同的空間排列 這種空間排列稱為構象 乙烷的兩種極限構象如下 乙烷的構象 乙烷沒有碳鏈異構 2 7 因構象不同而產(chǎn)生的異構現(xiàn)象稱為構象異構 構象可以用鋸架式和Newman投影式來表示 交叉式 重疊式 優(yōu)勢構象 最不穩(wěn)定構象 原子間距離最遠內(nèi)能最低 最穩(wěn)定 鍵電子云排斥 vonderwaals排斥力 內(nèi)能最高 最不穩(wěn)定 2 8 乙烷構象的能量曲線 室溫時分子熱運動 具有83 80kJ mol 1的動能 因此乙烷分子是處于交叉 重疊以及介于兩者之間的無數(shù)構象的動態(tài)平衡混合體系 但各種構象體存在的比例不同 交叉式構象所占的比例最大 為優(yōu)勢構象 但仍無法分離得到 2 9 正丁烷的構象 2 10 對位交叉式部分重疊式鄰位交叉式全重疊式 2 11 正丁烷構象的能量曲線 對位交叉部分重疊鄰位交叉全重疊鄰位交叉部分重疊對位交叉 2 12 正丁烷實際上是各種構象異構體的混合物 但對位交叉式為優(yōu)勢構象 此時四個碳原子呈鋸齒形排列 正丁烷各種構象的能差不大 室溫下可迅速轉化 含更多碳原子的直鏈烷烴 其優(yōu)勢構象都類似正丁烷 為能量最低的對位交叉式 因此直鏈烷烴的碳鏈在空間的排列是鋸齒形 C5H12 最穩(wěn)定 最不穩(wěn)定 2 13 2 14 說明 構象產(chǎn)生的原因 鍵的自由轉動 構象有無數(shù)種 構象異構體不能分離 是同一化合物 極限構象 交叉式和重疊式 2 15 烷烴的命名 普通命名法 1 10碳用天干表示 天干 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 直鏈烷烴 10個碳原子以上用中文數(shù)字表示 己烷 十一烷 十四烷 2 16 凡末端具有 的結構 且無其他支鏈 用 異 iso 表示 異戊烷 異己烷 凡末端具有 的結構 且無其他支鏈 用 新 neo 表示 新己烷 2 17 系統(tǒng)命名法 飽和碳原子的四種類型 1 C 伯碳 一級碳 2 C 仲碳 二級碳 3 C 叔碳 三級碳 4 C 季碳 四級碳 2 18 碳原子種類的擴展 1 自由基 伯自由基 2 自由基 仲自由基 3 自由基 叔自由基 1 碳負離子 伯碳負離子 3 碳正離子 叔碳正離子 烷基的命名 烷烴 烷基 2 19 甲基 乙基 正 丙基 異丙基 正 丁基 仲丁基 異丁基 叔丁基 2 20 2 21 次序規(guī)則 順序規(guī)則 將游離價所在的原子按原子序數(shù)大小排列 如 對同位素元素 比較相對原子質(zhì)量 如 將原子或基團排列成序的規(guī)則 規(guī)則要點 Br Cl OH CH3 H T D H 對多原子基團 若游離價所在原子相同 則將它所連接其他原子排序 仍比較原子序數(shù)大小 直到比較出它們的順序為止 如 CH3 CH2CH3 C H H H C C H H 2 22 含多重鍵 雙鍵或叁鍵 的基團 可認為是與兩個或三個相同的原子相連 2 23 CH2Cl CHF2 CH2CH2CH CH3 2和 CH2CH CH3 2 請比較 C C H H C C H H C C H H C C C H Cl F 練習 找出優(yōu)勢基團 OH NH2 COOH OH正丁基 異丙基叔丁基 新戊基 系統(tǒng)命名法 主鏈 選擇最長的連續(xù)不斷的碳鏈 母體 某烷 若可能存在幾個等長的碳鏈時 選擇取代基最多的碳鏈作主鏈 編號 從取代基靠近的一端開始 最近 若在主鏈兩端等距離處同時遇到取代基 且取代基多于兩個時 比較第二個取代基的位次大小 1 2 24 3 2 4 命名 將取代基的位置 數(shù)量 名稱標于母體名稱之前 相同的取代基合并 取代基不同時 按 由小到大 的順序排列 最簡 5 2 25 庚烷 庚烷 2 5 二甲基 2 3 5 三甲基 4 丙基 3 甲基 5 乙基庚烷 2 3 6 三甲基 4 丙基庚烷 1 2 3 4 最長鏈為主鏈取代基編號數(shù)最小 取代基最多的鏈為主鏈小基團排在前面 2 26 4 乙基辛烷 2 甲基 3 乙基己烷 3 異丙基己烷 4 乙基 辛烷 相同取代基合并 用大寫數(shù)字表示 2 27 3 4 6 三乙基辛烷 由名稱寫結構式 2 3 二甲基 3 乙基己烷 CCCCCC CH3 CH3 CH2CH3 H3HH2H2H3 烷烴的物理性質(zhì) 烷烴的性質(zhì) 烷烴分子的結構特征與共性 非極性 極化度小 物態(tài)正烷烴C1 C4 g C5 C16 l C17 s 沸點和熔點正烷烴的沸點和熔點隨碳原子數(shù)目的增加而升高 相同碳原子數(shù)的烷烴異構體中 取代基對稱性較好的烷烴比直鏈烷烴的熔點高 物理性質(zhì) 沸點 熔點 溶解度 密度 折光率 比旋光度等 2 28 2 29 密度小于1 0 6 0 8g cm 3 是密度最小的一類有機物 溶解度烷烴分子為非極性分子 不溶于水 易溶于低極性的有機溶劑 如苯 CCl4 氯仿 烷烴的化學性質(zhì) CH電負性2 52 2 sp3雜化已飽和不能加成 低極性共價鍵不易發(fā)生異裂 一般情況下烷烴化學性質(zhì)不活潑 耐酸堿 常用作低極性溶劑 如正己烷 正戊烷 石油醚等 甲烷的鹵代反應 有機化合物中某一原子或基團被其他原子或基團替代的反應稱為取代反應 被鹵素取代的反應稱為鹵代反應 2 30 反應速率 F2 Cl2 Br2 I2 不反應 甲烷的鹵代反應機理 反應機理 對反應過程的詳細描述 舊的共價鍵如何斷裂 新的共價鍵怎樣形成 烷烴的鹵代反應是自由基鏈反應 中間體 自由基 2 31 243kJ mol 1 4 2kJ mol 1 109kJ mol 1 2 32 甲烷氯代鏈傳遞勢能變化圖 過渡態(tài) 勢能最高處的原子排列 Ea 活化能 H 反應熱 Ea1 16 8kJ mol 1 H1 4 2kJ mol 1Ea2 4 1kJ mol 1 H2 109kJ mol 1 2 33 過渡態(tài)理論 在化學反應中 反應物相互接近 總是先達到一勢能最高點 活化能 相應結構稱為過渡態(tài) 然后再轉變?yōu)楫a(chǎn)物 例 甲烷氯代機理步驟 2 過渡態(tài) 勢能增加 勢能降低 勢能最高 2 34 2 35 烷烴的鹵代反應取向 CH3自由基 C sp2雜化 自由基的穩(wěn)定性與C所連基團的多少有關 事實1 43 57 活性 2 H 1 H 自由基的穩(wěn)定性 2 1 甲基自由基的結構 2 36 事實2 自由基的穩(wěn)定性 3 2 1 CH3 3 97 烷烴鹵代鹵素的選擇性 Br2 Cl2 2 37 小結 烷烴鹵代反應是自由基鏈反應 整個反應經(jīng)歷鏈引發(fā) 鏈增長和鏈終止三個過程 自由基的穩(wěn)定性順序為 3 2 1 CH3 因此 烷烴中各級H的活性為 3 H 2 H 1 H 鹵素反應活性順序為 F2 Cl2 Br2 I2 鹵素的選擇性順序為 Br2 Cl2 思考題 1 由環(huán)己烷鹵代制備一鹵代環(huán)己烷 選擇Cl2還是Br2 為什么 2 由甲基環(huán)己烷鹵代制備1 甲基1 鹵代環(huán)己烷 選擇Cl2還是Br2 為什么 2 38 分類 2 2環(huán)烷烴 2 39 分類和命名 單環(huán) 多環(huán) 小環(huán) C3 C4 普通環(huán) C5 C6 中環(huán) C7 C12 大環(huán) C12 螺環(huán) 橋環(huán) 命名 單環(huán)環(huán)烷烴的命名與烷烴相似 只是在母體名稱前加 環(huán) 字 由飽和碳原子組成的環(huán)烴 2 40 環(huán)丙烷 環(huán)戊烷 環(huán)己烷 若環(huán)上有取代基 按取代基位次最小原則對環(huán)碳原子編號 結構復雜時 可將環(huán)作為取代基 1 甲基 2 乙基環(huán)戊烷 2 甲基 5 環(huán)丁基己烷 2 41 環(huán)烷烴的性質(zhì) 小環(huán)環(huán)烷烴 活潑 易開環(huán) 但不與KMnO4反應 2 42 小環(huán)的催化加氫反應 打開一根C C鍵 主要產(chǎn)物 離子型 加成反應 自由基取代反應 注意區(qū)分 小環(huán)化合物與鹵素的反應 2 43 小環(huán)化合物與HI或H2O H2SO4的反應 2 44 2 45 環(huán)烷烴的結構 環(huán)烷烴的穩(wěn)定性和Baeyer的張力學說 1885年 德國AvonBaeyer提出了張力學說 成環(huán)碳原子共平面 碳原子與其他原子成鍵時 如果偏離正常鍵角 單鍵為109 28 就會產(chǎn)生一種張力 角張力 偏離角越大 角張力越大 環(huán)越不穩(wěn)定 60 偏離大 90 偏離小 108 接近 120 應比環(huán)戊烷不穩(wěn)定 現(xiàn)代理論認為 C sp3雜化 當鍵角109 5 時 最大重疊 105 60 2 46 環(huán)丙烷 60 偏離正常鍵角 有恢復正常鍵角的傾向 形成彎曲鍵 彎曲鍵具有 電子云重疊程度小 有趨向電子云重疊最大的一種力量即張力 電子云分布在鍵軸的外側 易受親電試劑的進攻 而發(fā)生親電加成反應 2 47 事實上 除環(huán)丙烷外 其他環(huán)烷烴的環(huán)碳原子均不在同一平面上 例如 環(huán)丁烷是蝴蝶型結構 Baeyer的張力學說僅適用三元環(huán) 近似地適用四元環(huán) 六元環(huán)以上的環(huán)無張力 張力學說不適用 單環(huán)環(huán)烷烴的立體結構 順反異構 環(huán)阻礙C C鍵的旋轉 產(chǎn)生了順反異構 環(huán)己烷的構象異構 2 48 環(huán)己烷 C6H12 椅型構象 船型構象 6個C不共平面 C sp3雜化 C6H12 1 C6H12 2 49 椅型構象 船型構象 251pm 183pm 優(yōu)勢構象 29 7kJ mol 1 2 50 環(huán)己烷椅型構象的翻轉 椅型環(huán)己烷 12個C H 6個a鍵 豎鍵 直立鍵 6個e鍵 橫鍵 平伏鍵 環(huán)己烷椅型構象的翻轉可使a e e a 但在轉化的過程中 鍵的指向 向上或向下 不變 環(huán)己烷椅型構象的翻轉 單取代環(huán)己烷的構象分析 甲基環(huán)己烷的構象 CH3與C3為對位交叉 優(yōu)勢構象 室溫時占95 CH3與C3為鄰位交叉 1 3 豎鍵作用 2 51 2 52 叔丁基環(huán)己烷的構象 1 3 豎鍵作用非常大 優(yōu)勢構象室溫 100 2 53 cis 1 2 二甲基環(huán)己烷 二取代環(huán)己烷的構象分析 trans 1 2 二甲基環(huán)己烷 能量相等 優(yōu)勢構象 e a a e a a e e