飽和脂肪烴課件

1、第二章 飽和脂肪烴Alkane第1頁，共59頁。一、同系列最簡單的烷烴叫甲烷。 甲烷乙烷CH4C2H6CnH2n第2頁，共59頁。 所以，烷烴的通式為：CnH2n+2 。給你一個分子式，你就可以通過通式來判別是不是烷烴。 通過上式也可以看出：結(jié)構(gòu)相似而在組成上相差CH2或它的倍數(shù)的許多化合物組成一個系列同系列。 CH2叫作系差，同系列中各化合物叫作同系物。 第3頁，共59頁。 由于同系列中同系物的結(jié)構(gòu)相似性，因此具有相似的化學(xué)性質(zhì)，所以只要研究幾個同系物的性質(zhì)以后就可以推斷同系物其它化合物的性質(zhì)。 但也必須指出，在同系列中，對于低級和高級同系物之間由于碳原子的增加，有個量變到質(zhì)變的過程，性質(zhì)上

2、也有很大的區(qū)別。第4頁，共59頁。二、同分異構(gòu)體 分子式相同，構(gòu)造式不同同分異構(gòu)體，簡稱異構(gòu)體。 同分異構(gòu)是有機(jī)化學(xué)中一個普遍的現(xiàn)象。 我們來觀察可發(fā)現(xiàn)甲烷、乙烷中H原子所處的環(huán)境是完全相同的，如果用甲基取代它們中的任一個氫則能得到一種化合物。第5頁，共59頁。 在丙烷中有兩種不同環(huán)境的氫，其中有6個H相同，另有2個H相同，所以用甲基去取代氫時有兩種途徑，如下：正丁烷異丁烷 隨著C原子數(shù)目增多，同分異構(gòu)體也增多。10個C有75種；20個C有366319種；30個C有62491178805831種。第6頁，共59頁。 如何推同分異構(gòu)體是本章重點，下面以6個C為例推導(dǎo)C6H14分子式的同分異構(gòu)體，

3、共5種。第7頁，共59頁。1.寫出最長的碳鏈 C-C-C-C-C-C2.寫出少一個碳原子的主鏈，把減少的一個碳 原子作為支鏈連接在主鏈上并依次交換在主 鏈上的位置，但注意不能將支鏈連接在碳鏈 的兩側(cè)。3.寫出少兩個碳原子的主鏈，把減少的兩個碳 原子作為支鏈連接在主鏈上并依次交換在主 鏈上的位置。第8頁，共59頁。課堂練習(xí)：請寫出分子式為C7H16的同分異構(gòu)體？（9種）答案:第9頁，共59頁。第10頁，共59頁。伯碳原子：又稱一級C原子10 ，C和3個H原子相連，相連的氫也叫伯氫；仲碳原子：又稱二級C原子20 ，C和2個H原子相連，相連的氫也叫仲氫；叔碳原子：又稱三級C原子30 ，C和1個H原子

4、相連，相連的氫也叫叔氫；季碳原子：又稱四級C原子40 。此外在這里還要介紹幾個名詞：第11頁，共59頁。三、烷烴的命名（一）取代基的名稱：烷烴分子中從形式上去掉一個氫原子后剩下的原子團(tuán)叫作烷基，通常用R-表示。如：甲烷去掉一個氫 CH3 甲基；乙烷去掉一個氫 CH3CH2 乙基；異丙烷去掉一個氫稱異丙基，依次類推。（二）命名法：普通命名法、系統(tǒng)命名法、俗名（根據(jù)來源或某種性質(zhì)命名）第12頁，共59頁。1.普通命名法：（1）用甲、乙、丙、丁十個字來表示十個碳以下的數(shù)目，如CH3CH2CH2CH2 CH3稱為正戊烷。（2）十個碳以上烷烴是用數(shù)字表示，如C11H24直鏈烷烴叫作正十一烷。（3）對于相

5、同碳原子并帶有支鏈的烷烴，則用異、新加以區(qū)別同分異構(gòu)體。如異戊烷、新戊烷。第13頁，共59頁。普通命名法只適用于簡單的含碳較少的烷烴，如 就無能為力了。第14頁，共59頁。2. 系統(tǒng)命名法：采用國際通用的命名原則，并根據(jù)我國文字特點采用的一種命名方法。選擇一條最長的碳鏈作主鏈，將主鏈以外的其它烷基看作是主鏈上的取代基（或叫支鏈）。定主鏈由距離支鏈最近的一端開始，將主鏈上的碳原子用阿拉伯?dāng)?shù)字編號，支鏈所在的位置就以它所連接的碳原子的號數(shù)表示。定編號第15頁，共59頁。支鏈烷基的名稱及位置寫在母體名稱的前面，按“次序規(guī)則”排列多個支鏈。定順序“次序規(guī)則”：原子序數(shù)大的為較優(yōu)基團(tuán)；第一個原子相同時，

6、比較第二個原子，依次類推。含有雙鍵和叁鍵的基團(tuán)，把雙鍵和叁鍵的基團(tuán)看作單鏈原子的重復(fù)，然后進(jìn)行比較。滿足最低系列原則。 第16頁，共59頁。命名的幾個實例：4-甲基-3-乙基庚烷2,2,3,5-四甲基己烷最低系列例子第17頁，共59頁。四、烷烴的結(jié)構(gòu) 前面所寫化合物的結(jié)構(gòu)式，只能告訴我們分子中原子之間的連接次序。例如，甲烷的結(jié)構(gòu)式只能說明分子中有四個氫原子與碳原子直接相連，而沒有表示出氫原子與碳原子在空間的相對位置，也就是不能說明分子的立體形狀。 實際烷烴的分子結(jié)構(gòu)是怎樣的，即它的原子在空間如何分布呢？我們拿最簡單的甲烷來剖析一下。第18頁，共59頁。據(jù)近代物理儀器X-射線結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：四個C

7、-H鍵長完全相等；H-C-H間夾角都是109.50。這些數(shù)據(jù)說明甲烷的分子不是像結(jié)構(gòu)式畫的那樣一個平面正方形，而是正四面體型的，即四個氫原子在正四面體的四個頂點，碳原子在正四面體的中心。（照書講述，簡單介紹一下球棍模型、斯陶特模型）第19頁，共59頁。 我們知道碳原子基態(tài)電子層結(jié)構(gòu)是1S22S22Px12Py1，按照電子配對法規(guī)則，碳原子可以接受兩個電子，也就是說化合價應(yīng)為2，而實際上碳原子化合價為4。第20頁，共59頁。 對于上述現(xiàn)象，化學(xué)家鮑林提出了雜化軌道理論，認(rèn)為碳原子的一個S軌道與三個P軌道經(jīng)過雜化后形成了四個等同的SP3雜化軌道，四個SP3雜化軌道的軸在空間的取向相當(dāng)與從四面體的中

8、心伸向四個頂點的方向，只有這樣價電子對間的互斥作用才最小，即鍵角均為109.50。第21頁，共59頁。第22頁，共59頁。第23頁，共59頁。 乙烷的分子結(jié)構(gòu)：碳原子同樣進(jìn)行SP3雜化，其中一個碳原子的SP3和另一個碳原子的SP3軌道沿著軌道對稱軸方向重疊，這樣可達(dá)到電子云的最大重疊，形成一個CC鍵，余下的六個SP3軌道分別和六個H原子1S重疊形成六個CH鍵。第24頁，共59頁。 以上介紹了甲烷和乙烷和分子結(jié)構(gòu)，丙烷的分子結(jié)構(gòu)和上述大致相同。從上面軌道重疊來看，不管是CH鍵還是CC鍵中成鍵原子的電子云是沿著它們對稱軸方向互相重疊而成，即在兩個原子核的連線方向上重疊，這樣形成的鍵叫鍵。鍵的特點：

9、鍵能大（重疊多）； 可以自由旋轉(zhuǎn)。第25頁，共59頁。五、烷烴的構(gòu)象1.乙烷的構(gòu)象上面講了鍵可以自由旋轉(zhuǎn)而不影響電子云的重疊，如果使乙烷分子中一個碳原子不動，另一碳原子繞CC鍵軸旋轉(zhuǎn)，則一個碳原子上的三個氫相對于另一碳原子上的三個氫，可以有無數(shù)的空間排列形式，這種由于圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子中的原子或基團(tuán)在空間的不同排列形式叫做構(gòu)象(conformation)。第26頁，共59頁。 由于C-C鍵的自由旋轉(zhuǎn)，乙烷可以有無限數(shù)目的構(gòu)象，但從能量上來說只有一種構(gòu)象的內(nèi)能最低，因而穩(wěn)定性也最大，這種構(gòu)象就叫做優(yōu)勢構(gòu)象。乙烷的優(yōu)勢構(gòu)象是交叉式。在交叉式構(gòu)象中，兩個碳原子上的氫原子間的距離最遠(yuǎn)，相互間的排

10、斥力最小，因而分子的內(nèi)能最低。第27頁，共59頁。內(nèi)能最高的一種構(gòu)象則是重疊式。在重疊式構(gòu)象中兩個碳原子上的氫原子兩兩相對，距離最近，相互間的排斥作用最大，因而內(nèi)能最高，也就最不穩(wěn)定。交叉式與重疊式是乙烷的兩種極端構(gòu)象。其它構(gòu)象的內(nèi)能都介于這二者之間。第28頁，共59頁。乙烷的交叉式構(gòu)象（staggered conformation）乙烷的重疊式構(gòu)象（eclipsed conformation）第29頁，共59頁。乙烷的構(gòu)象：第30頁，共59頁。 交叉式與重疊式的內(nèi)能雖不同，但差別較小，約為12.5kJ/mol。在接近絕對零度的低溫時，分子都以交叉式存在，而在室溫情況下的熱能就足以使兩種構(gòu)象之

11、間以極快的速度互相轉(zhuǎn)化（克服扭轉(zhuǎn)能），因此在室溫時，可以把乙烷看作是交叉式與重疊式以及介于這二者之間的無數(shù)構(gòu)象異構(gòu)體的平衡混合物，而不可能分離出構(gòu)象異構(gòu)體。第31頁，共59頁。但假若某一化合物的兩種構(gòu)象之間的內(nèi)能差別較大，由一種構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N構(gòu)象需要較大的能量時，就有可能用一定的方法分出不同的構(gòu)象異構(gòu)體。由于不同構(gòu)象的內(nèi)能不同，構(gòu)象之間相互轉(zhuǎn)化是需要克服一定能障的，所以所謂單鍵的自由旋轉(zhuǎn)，并不是完全自由的。第32頁，共59頁。2. 丁烷的構(gòu)象丁烷可以看作是乙烷的二甲基衍生物，用如下投影法表示全重疊式的丁烷及其四個碳原子：由全重疊式構(gòu)象開始，固定C1與C2，而使C3繞C2一C3間的鍵軸作相對旋

12、轉(zhuǎn)，則每旋轉(zhuǎn)600，可以得到一種有代表性的構(gòu)象，旋轉(zhuǎn)3600 則復(fù)原。第33頁，共59頁。第34頁，共59頁。動畫演示：第35頁，共59頁。 在上述六種構(gòu)象中，()與()相同，()與(V)相同，所以實際上有代表性的構(gòu)象為(I)、()、()、()四種。它們分別叫做全重疊式、鄰位交叉式、部分重疊式及對位交又式。 這幾種構(gòu)象的內(nèi)能高低為全重疊式部分重疊式鄰位交叉式對位交叉式，但它們之間的能量差別仍是不大的，因此不能分離出構(gòu)象異構(gòu)體。由于甲基比氫原子大得多，所以丁烷的全重疊式構(gòu)象與對位交叉式構(gòu)象間的能量差要比乙烷的重疊式構(gòu)象與交叉式構(gòu)象間的能量差高。第36頁，共59頁。 由于對位交叉式是最穩(wěn)定的構(gòu)象，

13、所以三個碳以上烷烴的碳鏈應(yīng)以鋸齒形為最穩(wěn)定。 第37頁，共59頁。六、烷烴的性質(zhì)1. 物理性質(zhì)：純物質(zhì)的物理性質(zhì)在一定條件下都有固定的數(shù)值，所以也常把這些數(shù)值稱作物理常數(shù)，通過物理常數(shù)的測定，可以鑒定物質(zhì)的純度，或鑒別個別的化合物。 請看書P19-21頁，后回答以下問題：待定 一般說來，同系列中各物質(zhì)的物理常數(shù)是隨相對分子質(zhì)量的增加而遞變的。例如，烷烴的沸點和相對密度都隨相對分子質(zhì)量的增加而升高。在室溫下，烷烴系列中前四個化合物是氣體，由戊烷開始是液體，十七烷以上是固體。第38頁，共59頁。總結(jié)如下：碳原子數(shù)增加，分子量增加，熔沸點增加，折射率也緩慢增大。對于同分異構(gòu)體，分支程度越高，熔沸點越

14、低。但也不是絕對的，而是相對的。 第39頁，共59頁。密度也隨分子量的增加而增加，但都小于1。溶解度，不溶于水等極性溶劑中，而易溶于非極性或弱極性的物質(zhì)中。解釋：碳原子數(shù)增加，分子的表面積就越大，則色散力越強(qiáng)。分子熱運(yùn)動需一定動能，E=1/2MV2，所以碳原子數(shù)增加，分子量增加，所需的動能也越大。對于同分異構(gòu)體，分支程度越高，分子的接觸面積就越少，則色散力越小。第40頁，共59頁。2. 化學(xué)性質(zhì)： 在所有的有機(jī)物中，烷烴是不含官能團(tuán)的化合物，分子中除了CC鍵，就只有CH鍵，所以烷烴的化學(xué)性質(zhì)是最不活潑的。S穩(wěn)定性：一般條件下，烷烴不與大多數(shù)試劑如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑等反應(yīng)。（注意：一般條件與高

15、溫高壓、催化劑等的區(qū)別）第41頁，共59頁。鹵代反應(yīng)游離基反應(yīng) 在日光（紫外線）照射或在高溫下，烷烴分子中氫原子能逐步被氯取代，得到不同氯代烷的混合物。 這反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的呢？是通過游離基歷程進(jìn)行的，它一般經(jīng)過下列三個步驟：第42頁，共59頁。動畫演示：第43頁，共59頁。需光照或高溫鏈的引發(fā)游離基產(chǎn)生：鏈的增長：(需光照或高溫)如此循環(huán)，可以得到三氯甲烷及四氯化碳。第44頁，共59頁。鏈的終止：有關(guān)活化能部分同學(xué)們自學(xué)！ 如果甲烷和氯氣在強(qiáng)光照條件下，反應(yīng)更為激烈，以至發(fā)生爆炸。第45頁，共59頁。烷烴對鹵代反應(yīng)的相對反應(yīng)活性與烷基自由基的穩(wěn)定性：結(jié)構(gòu)：CH3sp2 平面構(gòu)型甲基自由基的結(jié)構(gòu)

16、 其它烷烴進(jìn)行鹵化反應(yīng)，也是按游離基歷程進(jìn)行的，但由于結(jié)構(gòu)不同，其氫原子被取代的難易也不同。一般說來活性是，叔氫仲氫伯氫。 第46頁，共59頁。舉例推出以下結(jié)論： 丙烷分子中有6個伯氫、兩個仲氫，按理說取代產(chǎn)物比例應(yīng)為31，然而實際上取代產(chǎn)物比例為11。這和產(chǎn)生的中間體游離基的穩(wěn)定性有關(guān)，含單電子的碳上連接的烷基越多，這樣的游離基越穩(wěn)定。幾種游離基的穩(wěn)定性為： 第47頁，共59頁。氧化反應(yīng)和燃燒完全氧化：烷烴在高溫和足夠的空氣燃燒 這就是汽油內(nèi)燃機(jī)工作的原理部分氧化：如果改變氧化條件和催化劑存 在下，可以達(dá)到部分氧化，這反應(yīng)主要用 于制備高級醇和高級脂肪酸的制備。 第48頁，共59頁。氧化：在

17、有機(jī)分子中加入氧或去掉氫；還原：在有機(jī)分子中加入氫或去掉氧。低級烷烴蒸氣與空氣混合至一定比例時，遇到明火或火花發(fā)生爆炸，比如煤礦瓦斯爆炸。第49頁，共59頁。熱裂：有機(jī)化合物在高溫和無氧條件下發(fā)生鍵斷裂的反應(yīng)。溫度在450 以上。為自由基反應(yīng)。催化熱裂的溫度可以低些。裂化在煉油工業(yè)上是一個很重要的反應(yīng)。第50頁，共59頁。七、過渡狀態(tài)理論基元反應(yīng)：反應(yīng)物過渡態(tài)產(chǎn)物第51頁，共59頁。第52頁，共59頁。中間體和過渡態(tài)的異同：相同點：能量高、壽命短、活性高；不同點：中間體處能谷，能證實。過渡態(tài)處能 峰，不能分離出來第53頁，共59頁。八、烷烴的制備 1. 偶聯(lián)反應(yīng) Wurtz合成法僅適合對稱烷烴的制備第54頁，共59頁。Corey-House和成法Kolbe電解法自由基氧化還原反應(yīng)，只適合制備C6以下對稱烷烴。2. 還原反應(yīng)第55頁，共59頁。九、自然界的烷烴烷烴的來源：1. 沼氣：甲烷為主要成分，另有硫化氫、氫氣 等。沼氣作為一種燃料，是與地?zé)?、太陽能?列為當(dāng)代三大新能源。