有機(jī)化學(xué)第2章飽和烴.ppt

第二章飽和烴 有機(jī)化學(xué)OrganicChemistry 烴 碳?xì)浠衔?只由C H兩種元素組成的化合物 飽和烴 分子中只含有C C單鍵和C H鍵的烴 2 1烷烴的通式 同系列和構(gòu)造異構(gòu) 烷烴的通式CnH2n 2 直鏈烴的通式可寫為 H CH2 n H同系物 在組成上相差一個(gè)或多個(gè)CH2 且結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相似的一系列化合物稱為同系列 同系列中的各化合物互稱同系物 系差 同系列相鄰的兩個(gè)分子式的差值CH2稱為系差 如CH4 C2H6 C3H8 C5H10等 象丁烷和異丁烷異構(gòu) 只是分子中各原子間相互結(jié)合的順序不同而引起的 只是構(gòu)造不同而導(dǎo)致的異構(gòu)現(xiàn)象 又叫做構(gòu)造異構(gòu)現(xiàn)象 構(gòu)造異構(gòu) 正丁烷 異丁烷 烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象 一 伯 仲 叔 季碳原子只與一個(gè)碳原子相連的稱為 伯 或一級碳原子 常用1o表示 與兩個(gè)碳原子相連的稱為 仲 或二級碳原子 常用2o表示 與三個(gè)碳原子相連的稱為 叔 或三級碳原子 常用3o表示 與四個(gè)碳原子相連的稱為 季 或四級碳原子 常用4o表示 與伯 仲 叔碳原子相連的氫原子 分別稱為伯 仲 叔氫原子 如 2 2烷烴的命名 2 2 1烷基的概念 從烷烴分子中去掉一個(gè)氫原子后所剩下的基團(tuán)稱為烷基 烷基名稱通常符號(hào)CH3 甲基MeCH3CH2 乙基EtCH3CH2CH2 正丙基n Pr CH3 2CH 異丙基i PrCH3CH2CH2CH2 正丁基n Bu CH3 2CHCH2 異丁基i BuCH3CH2CH CH3 仲丁基s Bu CH3 3C 叔丁基t Bu烷基的通式為CnH2n 1 常用R 表示 二 烷基 1 習(xí)慣命名法通常把烷烴稱為 某烷 某 是指烷烴中碳原子的數(shù)目 由一到十用甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸表示 十以上的用漢字?jǐn)?shù)字表示碳原子數(shù) 用正 異 新表示同分異構(gòu)體 如 C11H24 叫十一烷 1 凡直鏈烷烴叫正某烷 如 CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷 2 只有 CH3 2CH 端鏈的烷烴稱為 異某烷 2 2 2烷烴的命名 3 只有 CH3 3C 端鏈的烷烴稱為 新某烷 習(xí)慣命名法只能命名簡單的化合物 2 系統(tǒng)命名法 系統(tǒng)命名法是中國化學(xué)學(xué)會(huì)根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì) IUPAC 制定的有機(jī)化合物命名原則 再結(jié)合我國漢字的特點(diǎn)而制定的 在系統(tǒng)命名法中 對于直鏈烷烴的命名和習(xí)慣命名法是基本相同的 僅不寫上 正 字 如 CH3CH2CH2CH2CH3普通命名法叫正戊烷 系統(tǒng)命名法叫戊烷 對于支鏈烷烴 把它看作是直鏈烷烴的烷基取代衍生物 支鏈烷烴的系統(tǒng)命名法原則如下 1 選取主鏈 母體 a 選擇含碳原子數(shù)目最多的碳鏈作為主鏈 支鏈作為取代基 b 分子中有兩條以上等長碳鏈時(shí) 則選擇支鏈多的一條為主鏈 例如 2 對主鏈碳原子編號(hào)a 從距離取代基最近的一端開始 將主鏈碳原子依次用1 2 3 編號(hào) 如 b 當(dāng)取代基的位置相同時(shí) 則從連較簡單的取代基一端開始編號(hào) c 若在上述基礎(chǔ)上 編號(hào)仍有選擇性 則使各取代基位置和最小 3 命名遵循以下原則 a 將支鏈 取代基 寫在主鏈名稱的前面 b 取代基按 次序規(guī)則 小的基團(tuán)優(yōu)先列出 常見烷基的大小次序 甲基 乙基 正丙基 正丁基 異丁基 異丙基 c 相同基團(tuán)合并寫出 位置用2 3 標(biāo)出 取代基數(shù)目用二 三 標(biāo)出 d 表示位置的數(shù)字間要用 隔開 位次和取代基名稱之間要用 隔開 如 烷烴的命名歸納為十六個(gè)字 最長碳鏈 最小定位 同基合并 由簡到繁 CH2CH3CH3CHCH2CHCH2CH33 甲基 5 乙基辛烷CH2CH2CH3 注意編號(hào) CH3CH2CH CHCH2CH3CH3 CHCHCH32 5 二甲基 3 4 二乙基己烷CH3CH3 注意主鏈 1 1 例 2 6 6 三甲基 3 乙基辛烷 2 6 7 三甲基壬烷 構(gòu)型 取代基 母體 R S Z E 順 反 取代基位置號(hào) 個(gè)數(shù) 名稱 有多個(gè)取代基時(shí) 中文按順序規(guī)則確定次序 小的在前 官能團(tuán)位置號(hào) 名稱 沒有官能團(tuán)時(shí)不涉及位置號(hào) 有機(jī)化合物系統(tǒng)命名的基本格式 練習(xí) 1 寫出下列化合物的系統(tǒng)名稱 2 寫出下列化合物的結(jié)構(gòu)式 2 6 二甲基 3 6 二乙基辛烷2 5 二甲基 3 4 二乙基己烷2 3 4 三甲基 4 丙基辛烷2 3 7 三甲基 5 丙基辛烷 3 寫出下列化合物的系統(tǒng)名稱 2 3烷烴的結(jié)構(gòu) 甲烷的球棒模型 2 3 1甲烷的結(jié)構(gòu)和碳原子軌道的sp3雜化 凡是成鍵電子云對鍵軸呈圓柱形對稱的鍵均稱為 鍵 以 鍵相連的兩個(gè)原子可以相對旋轉(zhuǎn)而不影響電子云的分布 甲烷的四個(gè)C H 鍵 2 3 2其他烷烴的結(jié)構(gòu) 乙烷的C C 鍵 在其他烷烴中 C均以sp3雜化軌道成鍵 因此也都具有呈四面體結(jié)構(gòu) 由于 鍵可以自由旋轉(zhuǎn) 所以烷烴的結(jié)構(gòu)不象我們所寫的那樣一層不變 而是運(yùn)動(dòng)的 一般以鋸齒形存在 并且在平衡位置不斷振動(dòng) 例如丁烷的分子 2 4烷烴的構(gòu)象 2 4 1乙烷的構(gòu)象 構(gòu)象是指構(gòu)造一定的分子 由于單鍵旋轉(zhuǎn)而引起的分子中的原子或基團(tuán)在空間的不同排列方式 由于單鍵的旋轉(zhuǎn) 使連接在碳上的原子或原子團(tuán)在空間的排布位置隨之發(fā)生變化 所以構(gòu)造式相同的化合物可能有許多構(gòu)象 它們之間互為構(gòu)象異構(gòu)體 重疊式構(gòu)象交叉式構(gòu)象 紐曼投影式 重疊式構(gòu)象交叉式構(gòu)象 重疊式構(gòu)象交叉式構(gòu)象 透視式 構(gòu)象的表示方法 通常用透視式或紐曼 Newman 投影式表示 以乙烷為例 乙烷分子的能量曲線圖 由交叉式轉(zhuǎn)變?yōu)橹丿B式時(shí)必須吸收12 5KJ mol的能量 由重疊式轉(zhuǎn)變?yōu)榻徊媸綍r(shí)會(huì)放出12 5KJ mol的能量 所以交叉式是最穩(wěn)定的構(gòu)象 低溫時(shí) 交叉式構(gòu)象增多 從理論上講 乙烷分子的構(gòu)象是無數(shù)的 其他構(gòu)象則界于上述兩種極限構(gòu)象之間 為主 2 4 2丁烷的構(gòu)象 丁烷C 2 C 3 鍵旋轉(zhuǎn)引起的各構(gòu)象的能量變化 2 5烷烴的物理性質(zhì) 自學(xué) 2 6烷烴的化學(xué)性質(zhì) 烷烴在一般情況下與強(qiáng)酸 強(qiáng)堿 強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)還原劑如濃硫酸 濃硝酸 苛性堿 重鉻酸鹽 高錳酸鹽 鈉和乙醇 鋅汞齊 濃鹽酸 氫化鋁鏗等都不起反應(yīng)或反應(yīng)極慢 因此 烷烴有時(shí)稱為石蠟 意味親和力差 反映出這類化合物的反應(yīng)活性很低 這主要與構(gòu)成烷烴分子的C一C及C一H 鍵較牢固及分子的非極性有關(guān) 故烷烴常用作惰性溶劑和潤滑劑 但是 烷烴的這種穩(wěn)定性不是絕對的 如它們可以與超強(qiáng)酸HF SbF5或FSO3H等作用得到各種產(chǎn)物 在高溫 光照或催化劑存在下也可以發(fā)生鹵化等反應(yīng) 在某些酶的作用下 烷烴還可以變成蛋白質(zhì) Cl Cl 能量 Cl Cl 氯自由基 Cl H CH3 HCl CH3 甲基自由基 CH3 Cl2 CH3Cl Cl Cl Cl Cl2 CH3 CH3 CH3CH3Cl CH3 CH3Cl 1 鏈的引發(fā) 2 鏈增長 3 鏈終止 甲烷氯化反應(yīng)的機(jī)理 2 6 1取代反應(yīng) CH4 Cl2 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 其它烷烴的氯代 ClCH3CH2CH3CH3CH2CH2Cl CH3CHCH3正丙基氯43 異丙基氯57 設(shè) 伯氫原子活潑性為1 仲氫原子相對活潑性為x 57 43 2x 6x 4 Cl2光25 CCl4 甲烷的氯代反應(yīng) 自由基取代 丙烷氯代反應(yīng) 伯 仲 叔氫原子的反應(yīng)活性 CH3CH3CH3CH3CH Cl2 CH3 C Cl CH3 CHCH3CH3CH2Cl叔丁基氯36 異丁基氯64 設(shè)y為叔氫原子的相對活潑性則 36 64 y 9y 5 06 則在室溫下伯 仲 叔氫原子的反應(yīng)活性 1 4 5 異丁烷氯代反應(yīng) 產(chǎn)物混合 復(fù)雜 一般不用氯代來制備鹵代烴 高溫下逐漸接近1 1 1 光127 CH3CH3CH3CH3 CHCH3 Br2CH3 C Br CH3 CHCH2BrCH399 烷烴與其它鹵素的取代反應(yīng) 伯 仲 叔氫原子的反應(yīng)活性 1 82 1600 溴更具有選擇性 產(chǎn)物單一 可用溴代來制備鹵代烴 烷烴與碘作用得不到碘代烷 與氟反應(yīng)劇烈 不易控制 會(huì)引起爆炸 痕量 從各鍵的離解能來看 形成各烷基自由基所需的能量 CH3 1 R 伯烷基自由基 2 R 3 R 3 R 2 R 1 R CH3 越穩(wěn)定的自由基越易生成 3 H 2 H 1 H 烷基自由基的穩(wěn)定次序 伯 仲 叔氫原子活潑性 將下列自由基按穩(wěn)定性大小排列成序 烷烴在空氣中燃燒 當(dāng)空氣 氧氣 充足時(shí) 生成二氧化碳和水 并放出大量熱 例如 在無機(jī)化學(xué)中 是用電子的得失 也就是氧化數(shù)的升降 來描述 判斷氧化還原反應(yīng) 而在有機(jī)化學(xué)中 加氧去氫為氧化 加氫去氧為還原 其中C12 C18的脂肪酸可直接與NaOH反應(yīng) 制成高級脂肪酸的鈉鹽 肥皂 這種制皂方法可節(jié)約大量的食用油 在空氣中燃燒 這是汽油 柴油等作為動(dòng)力燃料的依據(jù) 當(dāng)燃燒不完全時(shí) 則有游離碳生成 在動(dòng)力車尾氣中有黑煙冒出 烷烴的部分氧化高級烷烴 如石蠟烴在KMnO4 MnO2或Mn Ac 2催化下 用空氣或O2氧化 可得到的C12 C18的脂肪酸 2 6 2氧化反應(yīng) 2 6 3異構(gòu)化反應(yīng) 化合物從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另一種結(jié)構(gòu)的反應(yīng)稱為異構(gòu)化反應(yīng) 例如 正構(gòu)烷烴異構(gòu)成帶支鏈的烷烴 可以改善油品的辛烷值 提高油品的質(zhì)量 常溫下烷烴很穩(wěn)定 但隔絕空氣加熱到一定溫度就開始分解 溫度越高 分解越厲害 烷烴這種在高溫下的熱分解稱為裂化 裂解 指深度裂化 目的 為了得到更多的低級烯烴 2 6 4裂化反應(yīng) 2 7烷烴的主要來源和制法 2 7 1烷烴的來源 石油和天然氣 2 7 2烷烴的制法 1 烯烴的氫化在催化劑存在下 氫氣和烯烴混合振蕩發(fā)生多相反應(yīng) 生成與烯烴骨架相同的烷烴 由于烯烴較容易得到 因此 烯烴氫化是烷烴制備中最主要的反應(yīng) 例如 2 Corey一House反應(yīng)將鹵代烴先制成烷基鏗RLi 加人鹵化亞銅生成二烴基銅銼 然后再與另一分子的鹵代烷R X作用發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng) 得到烷烴R一R 本方法的發(fā)現(xiàn)者之一CoreyE J 因在有機(jī)合成中取得杰出成就而榮獲1990年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 例如 3 Wurtz反應(yīng)鹵代烷和鈉作用也得到碳鏈增長一倍的烷烴 反應(yīng)可能經(jīng)過烷基鈉中間體的過程 鹵代烴以溴代烷或碘代烷為好 伯鹵代烷可以得到更高的產(chǎn)率 該反應(yīng)又稱Wurtz反應(yīng) 4 Grignard試劑法將鹵代烷與金屬鎂在干燥的乙醚中反應(yīng) 得到Grignard試劑RMgX 見8 4 4 Grignard試劑和含活潑氫的化合物 如水 醇 氨等 作用得到烷烴 環(huán)烷烴 結(jié)構(gòu)上具有環(huán)狀碳骨架 而性質(zhì)上與脂肪烴相似的烴類 總稱環(huán)烷烴 1 環(huán)烷烴 飽和的環(huán)烷烴叫環(huán)烷烴 單環(huán)通式CnH2n環(huán)丙烷CH2 CH2簡寫 CH2環(huán)丁烷CH2 CH2簡寫 CH2 CH2甲基環(huán)丙烷CH2簡寫 CH CH3CH2 CH3 同分異構(gòu)體 2 8環(huán)烷烴 由于碳原子連接成環(huán) 環(huán)上C C單鍵不能自由旋轉(zhuǎn) 只要環(huán)上有兩個(gè)碳原子各連有不同的原子或基團(tuán) 就有構(gòu)型不同的順反異構(gòu)體 順 1 4 二甲基環(huán)己烷 環(huán)烷烴的順反異構(gòu) 例 1 4 二甲基環(huán)己烷 反 1 4 二甲基環(huán)己烷 立體異構(gòu)體 構(gòu)造相同 分子中原子在空間的排列不同的化合物 定義 只有一個(gè)環(huán)的烷烴稱為單環(huán)烷烴 命名步驟 1 確定母體 沒有取代基的環(huán)烷烴本身就是母體 命名時(shí)只須在相應(yīng)的烷烴前加 環(huán) 環(huán)上有取代基的環(huán)烷烴以環(huán)為母體還是以鏈為母體視情況而定 2 編號(hào)要符合最低系列原則 讓順序規(guī)則中順序較小的基團(tuán)位次盡可能小 3 構(gòu)型用順反表示 分子沒有對稱性 構(gòu)型用R S表示 4 按名稱的基本格式要求寫出全名 單環(huán)烷烴的命名 2 8 1環(huán)烷烴的命名 實(shí)例 乙基環(huán)己烷 2 甲基 4 環(huán)己基己烷 側(cè)鏈比較簡單 以環(huán)為母體 鏈為取代基 側(cè)鏈比較復(fù)雜 以鏈為母體 環(huán)為取代基 1 4 二甲基 2 乙基環(huán)己烷 實(shí)例 1 3 二甲基 5 乙基環(huán)己烷 二環(huán)烷烴的命名 聯(lián)二環(huán)己烷 螺 4 4 壬烷 二環(huán) 4 4 0 癸烷 十氫化萘 二環(huán) 2 2 1 庚烷 降冰片烷 聯(lián)環(huán)烴 螺環(huán)烴 螺烴 橋環(huán)烴 橋烴 橋環(huán)烷烴 橋環(huán)烷烴命名時(shí) 按成環(huán)碳原子數(shù)稱為 二環(huán) 或 雙環(huán) 某烷 將各橋碳原子數(shù)由大到小用數(shù)字表示 用下角圓點(diǎn)分開放在方括號(hào)中 將括號(hào)放在 二環(huán) 和 某烷 中間 編號(hào)從一個(gè)橋頭開始 沿最長橋到另一橋頭 再沿次長橋回到起始碳 最后是最短橋 將環(huán)上取代基位次和名稱放在 二環(huán) 之前 共用二個(gè)或多個(gè)碳原子的多環(huán)烷烴為橋環(huán)烷烴 7 7 二甲基二環(huán) 2 2 1 庚烷 1627534 3 7 7 三甲基二環(huán) 4 1 0 庚烷 8 甲基二環(huán) 3 2 1 辛烷 二環(huán)螺環(huán)烴命名時(shí)以 螺 為詞頭 稱 螺 某烷 將各環(huán)除螺原子以外的碳原子數(shù)由小環(huán)到大環(huán)用數(shù)字表示 用圓點(diǎn)分開放在方括號(hào)中 括號(hào)放在 螺 和 某烷 中間 編號(hào)從較小環(huán)與螺原子相鄰的碳開始 沿小環(huán)經(jīng)螺原子到較大的環(huán) 支鏈命名與橋環(huán)烷烴相同 螺環(huán)烷烴 單環(huán)之間共用一個(gè)碳原子的多環(huán)烷烴為螺環(huán)烷烴 螺 2 4 庚烷 螺 5 5 十一烷 1 甲基 7 乙基螺 4 5 癸烷 練習(xí) 4 1 8 二甲基 2 乙基二環(huán) 3 2 1 辛烷5 順 1 甲基 4 叔丁基環(huán)己烷的穩(wěn)定構(gòu)象 烷烴是sp3雜化 鍵角109 5 環(huán)烷烴的碳也是sp3雜化 但鍵角不一定一樣 這樣的鍵與一般的 鍵不一樣 它的電子云沒有軌道軸對稱 而是分布在一條曲線上 故常稱彎曲鍵 環(huán)烷烴的性質(zhì) 內(nèi)角60 彎曲鍵比一般的 鍵弱 并且具有較高的能量 這種因鍵角偏離正常鍵角而引起的張力叫角張力 由于構(gòu)象是重疊式而引起的張力叫扭轉(zhuǎn)張力 2 8 2環(huán)烷烴的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì) 環(huán)烷烴的化學(xué)性質(zhì)與相應(yīng)的脂肪烴類似 含三元和四元環(huán)的小環(huán)化合物有一些特殊的性質(zhì) 易開環(huán)生成開鏈化合物 五 六元環(huán)較穩(wěn)定 2 7環(huán)烷烴的反應(yīng) 1885年 Baeyer提出張力學(xué)說 環(huán)中碳碳鍵角的變形會(huì)產(chǎn)生張力 鍵角變形程度越大 張力越大 環(huán)的反應(yīng)活性越大 張力學(xué)說 在光或熱的引發(fā)下發(fā)生鹵代反應(yīng) 取代反應(yīng) 共性 光 光 熱 反應(yīng)生成的有支鏈的化合物穩(wěn)定 開環(huán)反應(yīng) 也叫加成反應(yīng) 特性反應(yīng) 2 7 1催化加氫 Ni40 Ni110 Pt330 環(huán)丙烷的烷基衍生物與HX加成 環(huán)的破裂發(fā)生在含H最多和最少的兩個(gè)碳原子之間 且符合馬氏規(guī)律 2 7 2加鹵素 四 五碳環(huán)不易開環(huán) 在常溫下與鹵化氫不反應(yīng) 2 8 3加溴化氫 在常溫下 環(huán)烷烴與一般氧化劑 KMnO4 O3 不反應(yīng) 在加熱 強(qiáng)氧化劑作用或催化劑存在時(shí) 可用空氣氧化成各種氧化產(chǎn)物 例 CH2CH2COOHCH2CH2COOH HNO3 2 7 4氧化反應(yīng) Ba OH 2 思考題 如何鑒別環(huán)丙烷與烯烴 練習(xí) 用簡單的化學(xué)方法區(qū)別下列化合物 甲基環(huán)丙烷丁烷1 丁烯 2 8 3環(huán)烷烴的來源和制備 石油中有一些五元和六元環(huán)烷烴及它們的衍生物 含量約0 1 l 隨產(chǎn)地不同而有所不同 純粹的環(huán)己烷可以由苯加氫來制備 純度不高的環(huán)己烷由石油重整產(chǎn)物分離得到 合成脂環(huán)烴化合物通常有兩個(gè)方法 一是用兩端含有適當(dāng)官能團(tuán)的開鏈化合物為原料發(fā)生分子內(nèi)的環(huán)化反應(yīng) 二是通過分子間反應(yīng)得到 制備三元環(huán)最簡便的方法是卡賓和烯烴的加成 制備四元環(huán)可以通過烯烴在光照作用下的環(huán)加成反應(yīng) 普環(huán)可以經(jīng)由各種縮環(huán)