鏈烷烴的結(jié)構(gòu)及其同分異構(gòu)現(xiàn)象

1、1、 鏈烷烴的結(jié)構(gòu)及其同分異構(gòu)現(xiàn)象1、烷烴的結(jié)構(gòu)特征1）烴、飽和烴 只由碳?xì)湓亟M成，這類有機(jī)物稱為烴，也叫碳?xì)浠衔餆N的分子里碳原子間都以單鍵互相相連接成鏈狀，碳原子的其余的價鍵全部跟氫原子結(jié)合，總共4個化學(xué)建，這樣的結(jié)合使得碳的每個化學(xué)鍵都從分利用，達(dá)到飽和狀態(tài)。所以這類型的烴又叫飽和烴。由于C-C連成鏈狀，所以又叫飽和鏈烴，或叫烷烴。甲烷是最簡單的烴，在烴里面還有許多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與甲烷相似的分子，如乙烷，丙烷等。2）烷烴的結(jié)構(gòu) 碳原子的最外層上有4個電子，電子排布為1S22S22P2，碳原子通過SP3雜化形成四個完全相同的SP3雜化軌道，所謂雜化就是由若干個不同類型的原子軌道混合起來，重新

2、組合成數(shù)目相等的.能量相同的新軌道的過程。由1個S軌道與3個P軌道通過雜化后形成的4個能量相等的新軌道叫做SP3雜化軌道，這種雜化方式叫做SP3雜化。 在形成甲烷分子時，4個氫原子的S軌道分別沿著碳原子的SP3雜化軌道的對稱軸靠近，當(dāng)它們之間的吸引力與斥力達(dá)到平衡時，形成了4個等同的碳?xì)?鍵。 實(shí)驗(yàn)證明甲烷分子是正四面體型的。4個氫原子占據(jù)正四面體的四個頂點(diǎn)，碳原子核處在正四面體的中心，四個碳?xì)滏I的鍵長完全相等，所有鍵角均為109.5。 鍵的特點(diǎn)：（1）重疊程度大，不容易斷裂，性質(zhì)不活潑。 （2）能圍繞其對稱軸進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)。3） 有機(jī)分子結(jié)構(gòu)式的表達(dá)4） 烷基烷基：在直鏈烷烴分子鏈端的碳原子上

3、去掉一個氫原子生成的基，稱為烷基。2.亞基：比烷基少一個氫原子的基團(tuán)叫亞基。3.次基：比亞基少一個氫原子的基團(tuán)就叫著次基。5）6） 碳原子的級2、烷烴的同系列（Homologous series）烷烴的通式為：CnH2n+2,n表示碳原子數(shù)目。最簡單的烷烴是甲烷，其次是乙烷、丙烷,凡具有同一個通式，結(jié)構(gòu)相似，化學(xué)性質(zhì)也相似，物理性質(zhì)則隨著碳原子數(shù)目的增加而有規(guī)律地變化的化合物系列，稱為同系列。同系列中的化合物互稱為同系物（Homologs）。相鄰的同系物在組成上相差CH2，這個CH2稱為系列差。3、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象 烷烴同系列中，甲烷、乙烷、丙烷只有一種結(jié)合方式，沒有異構(gòu)現(xiàn)象，從丁烷起就有同

4、分異構(gòu)現(xiàn)象。分子中碳原子的排列方式不同。我們把分子式相同，而構(gòu)造不同的異構(gòu)體稱為構(gòu)造異構(gòu)體。實(shí)質(zhì)上是由于碳干構(gòu)造的不同而產(chǎn)生的，所以往往又稱為碳干異構(gòu)體。在烷烴分子中隨著碳原子數(shù)的增加，異構(gòu)體的數(shù)目增加得很快。對于低級烷烴的同分異構(gòu)體的數(shù)目和構(gòu)造式，可利用碳干不同推導(dǎo)出來。以己烷為例其基本步驟如下： 寫出這個烷烴的最長直鏈?zhǔn)剑?（省略了氫） 寫出少一個碳原子的直鏈?zhǔn)阶鳛橹麈湴咽Ｏ碌奶籍?dāng)作支鏈。依次當(dāng)取代基連在各碳原子上，就能寫出可能的同分異構(gòu)體的構(gòu)造式。 寫出少二個碳原子的直鏈?zhǔn)阶鳛橹麈?。把兩個碳原子當(dāng)作支鏈（2個甲基），連接在各碳原子上，或把兩個碳原子當(dāng)作（乙基），接在各碳上。 把重復(fù)者去掉

5、。這樣己烷的同分異構(gòu)體只有5個。書寫構(gòu)造式時，常用簡化的式子為：CH3CH2CH2CH2CH3或CH3（CH2）4CH3。伯、仲、叔和季碳原子。 如戊烷的三個同分異構(gòu)體為： 我們把直接與一個碳原子相連的稱為“伯”（Primary）或一級碳原子，用1o表示；直接與二個碳原子相連的稱為“仲”（Secondary）或二級碳原子，用2o表示；直接與三個碳原子相連的稱為“叔”（Tertary）或三級碳原子，用3o表示；直接與四個碳原子相連的稱為“季”（Quaternary）或四級碳原子，用4o表示；在伯、仲、叔碳上的氫分別叫伯、仲、叔氫。二、烷烴的系統(tǒng)命名1、普通命名法通常把烷烴泛稱為“某烷”，“某”是

6、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。如：C11H24，叫十一烷。凡直鏈烷烴叫正某烷。如：CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷把在碳鏈的一末端有兩個甲基的特定結(jié)構(gòu)的烷烴稱為“異某烷”。在五或六個碳原子烷烴的異構(gòu)體中含有季碳原子的可加上“新某烷”衡量汽油品質(zhì)的基準(zhǔn)物質(zhì)異辛烷則屬例外，因?yàn)樗拿Q沿用日久，已成習(xí)慣了。二、系統(tǒng)命名法1892年在日內(nèi)瓦開了國際化學(xué)會議，制定了系統(tǒng)的有機(jī)化合物的命名法，叫做日內(nèi)瓦命名法。其基本精神是體現(xiàn)化合物的系列和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。后來由國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（International Union of Pure and Appl

7、ied Cherristry 簡寫IUPAC）作了幾次修訂，簡稱為IUPAC命名法。我國參考這個命名法的原則結(jié)合漢字的特點(diǎn)制定了我國的系統(tǒng)命名法（1960）。1980年進(jìn)行增補(bǔ)和修訂，公布了有機(jī)化學(xué)命名原則。在系統(tǒng)命名法中，對于直鏈烷烴的命名和普通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。支鏈烷烴的命名法的步驟：1.選取主鏈（母體）。選一個含碳原子數(shù)最多的碳鏈作為主鏈。（寫出相當(dāng)于這個主鏈的直鏈烷烴的名稱）含多取代基時，編號采用“最低次序”原則。所謂“最低序列”指的是碳鏈以不

8、同方向編號，得到兩種或兩種以上的不同編號序列，則順次比較各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者為“最低系列”。 2.主鏈碳原子的位次編號。確定主鏈位次的原則是要使取代基的位次最小。從距離支鏈最近的一端開始編號。位次和取代基名稱之間要用“一”連起來，寫出母體的名稱。3、如果有幾個不同的取代基時，把小的取代基名稱寫在前面，大的寫在后面；、如果含有幾個相同的取代基時，把它們合并起來，取代基的數(shù)目用二、三、四等表示，寫在取代基的前面，其位次必須逐個注明，位次的數(shù)字之間要用“，”隔開。 (1)(2)3.烷基大小的次序：甲基 < 乙基 < 丙基 < 丁基 < 戊基 < 己基.

9、4當(dāng)具有相同長度的鏈可作為主鏈時，則應(yīng)選擇具有支鏈數(shù)目最多的鏈作為主鏈。5如果支鏈上還有取代基時，從與主鏈相連的碳原子開始，把支鏈的碳原子依次編號，支鏈上取代基的位置就由這個編號所得的號數(shù)來表示。這個取代了的支鏈的名稱可放在抬號中，或用帶撇的數(shù)字來表明支鏈中的碳原子。(1) 用括號表示：2甲基5、5一、二（1、1二甲基丙基）葵烷(2) 用帶撇的數(shù)字表示：2甲基5、5一、二1、1二甲基丙烷葵烷。說明：1969年IUPAC命名法放棄了按取代基大小的次序，而按照取代基英文名稱的第一個字母的次序來命名。三、 烷烴的物理性質(zhì)有機(jī)化合物的物理性質(zhì)通常包括化合物的狀態(tài)、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比重、折光率、溶解度、旋光

10、度，這些物理常數(shù)是用物理方法測定出來的，可以從化學(xué)和物理手冊中查出來。1. 物質(zhì)狀態(tài)：在室溫和一個大氣壓下，C1-C4是氣體，C5-C16是液體，C17以上是固體。 2.沸點(diǎn)：正烷烴的沸點(diǎn)是隨著分子量的增加而有規(guī)律升高。液體沸點(diǎn)的高低決定了分子間引力的大小，分子間引力愈大，使之沸騰就必須提供更多的能量，所以沸點(diǎn)就愈高。而分子間引力的大小取決了分子結(jié)構(gòu)。 分子間的引力稱為范德華引力。正烷烴的偶極距都等于零。是非極性分子。范德華引力隨著距離的增大而減弱。在分子量相同的烷烴中，含支鏈的分子中由于支鏈的阻礙，使分子間靠近接觸的程度不如正烷烴。所以正烷烴的沸點(diǎn)高于它的異構(gòu)體。正戊烷 b.p. 36.10

11、C 新戊烷 b.p. 9.50C3.熔點(diǎn)： 正烷烴的熔點(diǎn)，同系列C1-C3不那么規(guī)則，但C4以上的是隨著碳原子數(shù)的增加而升高。不過，其中偶數(shù)的升高多一些，以至含奇數(shù)和含偶數(shù)的碳原子的烷烴各構(gòu)成一條熔點(diǎn)曲線，偶數(shù)在上，奇數(shù)在下。解釋：在晶體中，分子間的作用力不僅取決于分子的大小，而且取決于警惕中碳鏈的空間排布情況。排列緊密（分子間的色散力就大）熔點(diǎn)就高。在共價化合物晶格中的質(zhì)點(diǎn)是分子，偶數(shù)碳的烷烴具有較高的對稱性，使碳鏈之間的排列比奇數(shù)的緊密（分子間的色散力大）。所以。含偶數(shù)的烷烴的熔點(diǎn)比奇數(shù)的升高就多一些。正戊烷 m.p. 1290C 新戊烷 m.p. 16.60C4.比重：正烷烴的比重是隨著

12、碳原子的數(shù)目增加逐漸有所增大，二十烷以下的按近于0.78。這也與分子間引力有關(guān)，分子間引力增大，分子間的距離相應(yīng)減小，比重則增大。5.溶解度： 烷烴不容與水，能溶于某些有機(jī)溶劑，尤其是烴類中?！跋嗨葡嗳堋?，結(jié)構(gòu)相似，分子間的引力相似，就能很好溶解。4、 烷烴的化學(xué)性質(zhì)烷烴是非極性分子，分子中的碳碳鍵或碳?xì)滏I是非極性或弱極性的鍵，因此在常溫下烷烴是不活潑的，它們與強(qiáng)酸.強(qiáng)堿.強(qiáng)氧化劑.強(qiáng)還原劑及活潑金屬都不發(fā)生反應(yīng)。氧化反應(yīng)：烷烴很容易燃燒，燃燒時發(fā)出光并放出大量的熱，生成CO2和 H2O。點(diǎn)燃CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O MnO2 在控制條件時,烷烴可以部分氧化,生成烴的含氧衍生物

13、。例如石蠟（含2040個碳原子的高級烷烴的混合物）在特定條件下氧化得到高級脂肪酸。 RCH2CH2R + O2 RCOOH + RCOOH1、取代反應(yīng)烷烴的氫原子可被鹵素取代，生成鹵代烴，并放出鹵化氫。這種取代反應(yīng)稱為鹵代反應(yīng)。氟、氯、溴、碘與烷烴反應(yīng)生成一鹵和多鹵代烷，其反應(yīng)活性為：F2 > Cl2 > Br2，碘通常不反應(yīng)。除氟外，在常溫和黑暗中不發(fā)生或極少發(fā)生鹵代反應(yīng)，但在紫外光漫射或高溫下，氯和溴易發(fā)生反應(yīng)。有時甚至劇烈到爆炸的程度。1）氯代反應(yīng)： 甲烷的氯代反應(yīng)較難停留在一氯代甲烷階段。但控制一定的反應(yīng)條件和原料的用量比，可以使其中一種氯代烷為主要產(chǎn)品。碳鏈較長的烷烴氯代

14、時，反應(yīng)可以在分子中不同的碳原子上取代不同的氫，得到各種氯代烴。在丙烷分子中伯氫有六個，仲氫有兩個，如果只考慮碰撞頻率和推測概率因子，我們預(yù)計(jì)丙烷的氯代將按3：1生成1椔缺楹?/FONT>2椔缺欏鮮齜從導(dǎo)噬希街致卻锏納閃看籩孿嗟取?/FONT>1：1.3）；每個氫原子的相對活性為：仲氫/伯氫=（57/2）/（43/6）=4/1這就是說仲氫和伯氫的相對活性為4：1。叔氫與伯氫的相對活性：叔氫/伯氫=（36.1/1）/（64/9）=（5.1/1）實(shí)踐結(jié)果表明,叔、仲、伯氫在室溫時的相對活性位5：4：1，即每個伯、仲、叔氫被氯取代生成相應(yīng)氯代烷底相對比例。這說明 ，烷烴的氯代，在室溫下有

15、選擇性。（選擇性就是產(chǎn)物有多有少）據(jù)此，可以預(yù)測某一烷烴在室溫一氯代產(chǎn)物中異構(gòu)體的得率。如：（1氯丁烷）/（2氯丁烷）=（伯氫的總數(shù)*伯氫的相對活性）/仲氫的總數(shù)*仲氫的活性）=（6*1）/（4*）=6/16=3/81氯丁烷的酸得率=（1氯丁烷的比例數(shù)）/（1氯丁烷+2氯丁烷）的比例總數(shù)=3/11=0.27=27%2氯丁烷的酸得率=8/11=0.72=72%當(dāng)升高溫度 (>450oC)時,叔:仲:伯氫的相對活性逐步接近1:1:1。即所得異構(gòu)體的產(chǎn)量與各種氫原子數(shù)目成正比，即在高溫下反應(yīng)，沒有上述選擇性，而只與氯原子和不同氫相碰撞的幾率有關(guān)。2）溴代反應(yīng) 溴代反應(yīng)中，也遵循叔氫仲氫伯氫的反

16、應(yīng)活性，相對活性為1600：82：1。溴的選擇性比氯強(qiáng)，這是什么道理呢？這可用鹵原子的活潑性來說明，因?yàn)槁仍虞^活潑，又有能力奪取烷烴中的各種氫原子而成為HCL 。溴原子不活潑，絕大部分只能奪取較活潑的氫（3oH或4oH）。鹵素反應(yīng)的活性次序?yàn)椋篎2 >Cl2 > Br2 > I2對于同一烷烴,不同級別的氫原子被取代的難易程度也不是相同的。大量的實(shí) 驗(yàn)證明叔氫原子最容易被取代，伯氫原子最難被取代。鹵代反應(yīng)機(jī)理：實(shí)驗(yàn)證明，甲烷的鹵代反應(yīng)機(jī)理為游離基鏈反應(yīng)，這種反應(yīng)的特點(diǎn)是反應(yīng)過程中形成一個活潑的原子或游離基。其反應(yīng)過程如下：h（1）鏈引發(fā): 在光照或加熱至250400度時，氯分子吸收光能而發(fā)生共價鍵的均裂，產(chǎn)生兩個氯原子游離基，使反應(yīng)引發(fā)。Cl2 2Cl（2）鏈增長： 氯原子游離基能量高，反應(yīng)性能活潑。當(dāng)它與體系中濃度很高的甲烷分子碰撞時，從甲烷分子中奪取一個氫原子，結(jié)果生成了氯化氫分子和一個新的游離基甲基游離基。