有機(jī)化學(xué)-烷烴(全面剖析)

第二章烷烴

(Alkanes)7了解烷烴的來源和用途。1掌握烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象及命名方法；2掌握烷烴的結(jié)構(gòu)及雜化軌道理論；4理解烷烴的物理性質(zhì)；5掌握烷烴的化性及自由基取代反應(yīng)歷程；6掌握烷烴的制備方法；教學(xué)要點(diǎn)：3掌握楔型式、鋸架式、紐曼式等幾種表示構(gòu)型和構(gòu)象的方法；一、烷烴的同系列第一節(jié)烷烴的同系列及同分異構(gòu)現(xiàn)象

烴碳?xì)浠衔飄ydrocarbon根據(jù)烴分子中碳原子間連接方式可分為：烴開鏈烴飽和烴：烷烴不飽和烴：烯烴炔烴脂環(huán)烴芳香烴環(huán)狀烴（脂肪烴）烷完全飽和烷烴(alkane)飽和烴(saturatedhydrocarbon)CH4methaneC2H6ethaneC3H8propaneC4H10butaneC5H12pentaneC6H14hexaneC7H16heptaneC8H18octaneC9H20nonaneC10H22decaneC11H24undecaneC12H26dodecane烷烴中只含有C-C單鍵和C-H

鍵。烷烴的通式CnH2n+2同系列(homologousseries)：同一個(gè)通式結(jié)構(gòu)相似，化學(xué)性質(zhì)也相似，物理性質(zhì)隨碳數(shù)的增加有規(guī)律地變化的化合物系列。同系物(homologs)

：同系列中的各化合物互稱同系物系列差：CH2同系物具有相似的化學(xué)性質(zhì)，但反應(yīng)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(gè)化合物往往具有明顯的特性。二、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象1、同分異構(gòu)體構(gòu)造異構(gòu)體(constitutionalisomers):分子式相同，而構(gòu)造不同的異構(gòu)體。構(gòu)造：指分子中原子互相連接的方式和次序。2、烷烴同分異構(gòu)體的書寫方法(C6H14為例)烷烴的同分異構(gòu)是由于碳干構(gòu)造不同而產(chǎn)生的，又稱碳干異構(gòu)。③再寫少二個(gè)C原子的直鏈，把這二個(gè)C作為二個(gè)支鏈或當(dāng)作一個(gè)支鏈(乙基)，分別取代氫原子。不重復(fù)的只能寫出5個(gè)。同3

4

同2同2

5C-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CC-C-C-CCCCCCCCCCCCC①寫出此烷烴的最長(zhǎng)直鏈?zhǔn)健?/p>

C-C-C-C-C-C

1.②

再寫少一個(gè)C原子的直鏈，把那個(gè)C作為支鏈，依次取代直鏈上各個(gè)碳原子的氫。C-C-C-C-CC-C-C-C-CC-C-C-C-CCCC同1

2

3同33、烷烴構(gòu)造式的書寫方法

構(gòu)造式CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-C-CH2-CH3CH3CH3簡(jiǎn)式CH3CH2CH2CH2CH2CH3或CH3(CH2)4CH3(CH3)3CCH2CH3鍵線式碳干式C-C-C-C-C-CC-C-C-CCC隨著分子中碳原子數(shù)目的增加，同分異構(gòu)體的數(shù)目也增加。碳原子數(shù)45710111520異構(gòu)體數(shù)239751594347366319三、碳原子和氫原子的類型將飽和碳原子分為伯、仲、叔、季四種類型

伯碳原子(一級(jí)碳原子)與一個(gè)碳原子相連1°仲碳原子(二級(jí)碳原子)與二個(gè)碳原子相連2°叔碳原子(三級(jí)碳原子)與三個(gè)碳原子相連3°季碳原子(四級(jí)碳原子)與四個(gè)碳原子相連4°伯氫(1°H)：伯碳上的H仲氫(2°H)：仲碳上的H叔氫(3°H)：叔碳上的H不同類型的氫反應(yīng)活性不一樣CH3-C-CH2-CH-CH3CH3CH3CH3一、普通命名法第二節(jié)烷烴的命名法

1.直鏈的烷烴（沒有支鏈）叫做“正某烷”。1-10個(gè)碳的烷烴用甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸表示，10以后用大寫數(shù)字表示，十一、十二、……。2.含支鏈的烷烴為區(qū)別異構(gòu)體，用“正(normal,n-)”(直鏈)、“異(iso,i-)”(一末端有兩個(gè)甲基)、“新(neo)”(季碳)等詞頭表示。CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3CH3-C-CH2-CH3CH3CH3正己烷(n-hexane)CH3-C-CH2-CH2-CH3CH3異己烷(i-hexane)新己烷(neohexane)烷基：烷烴從形式上消除一個(gè)氫原子而余下的基團(tuán)?！盎?-“一價(jià)”烷基的通式：CnH2n+1-，也可用R-二、烷基t-Bu-(CH3)3C-叔丁基s-Bu-CH3CH2CH(CH3)-仲丁基i-Bu-(CH3)2CHCH2-異丁基n-Bu-CH3CH2CH2CH2-丁基i-Pr-(CH3)2CH-異丙基n-Pr-CH3CH2CH2-丙基Et-CH3CH2-乙基Me-CH3-甲基tert-butylsec-butylisobutyln-butyli-propyln-propylethylmethyl常見的烷基1.烷基的命名英文中把詞尾“-ane”改為“-yl”2.亞基結(jié)構(gòu)：①兩個(gè)價(jià)集中在一個(gè)的原子上時(shí)，一般不要定位。②兩個(gè)價(jià)分別在不同的原子上時(shí)，一定要求定位，定位數(shù)放在基名之前。3.三價(jià)的烷基叫次基，限于三個(gè)價(jià)集中在一個(gè)原子上的結(jié)構(gòu)。CH2CHCH3C(CH3)2亞甲基亞乙基亞異丙基CH2CH21,2-亞乙基CH2CH2CH21,3-亞丙基CH次甲基C-CH3次乙基三、系統(tǒng)命名法參考國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)命名原則，并結(jié)合我國的文字特點(diǎn)于1960年制定，1980年由中國化學(xué)會(huì)加以增減修訂的《有機(jī)化學(xué)命名原則》1.選主鏈：選最長(zhǎng)的、取代基最多的碳鏈作主鏈。CH3-CH2-CH-CH2-CH3CH-CH3CH32.編號(hào)：從離取代基最近的一端編號(hào)，并滿足最低

系列原則。CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH2-CH-CH3CH2-CH3CH3CH3123456789987654321取代基位次：2,4,8取代基位次：2,6,8CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH2-CH-CH3CH2-CH3CH3CH31234567892,8-二甲基-4-乙基壬烷取代基名稱取代基位次連字線母體名稱2,5-二甲基-4-異丙基庚烷系統(tǒng)命名法IUPAC4-ethyl-2,8-dimethylnonane4-isopropyl-2,5-dimethylheptaneditritetra相同的取代基合并起來，用二、三、四等表示，位次間的數(shù)字(阿拉伯?dāng)?shù)字)用“，”隔開。3.書寫若主鏈上有幾種取代基時(shí)，應(yīng)按“次序規(guī)則”，較優(yōu)基團(tuán)后列出。甲基乙基丙基丁基異丁基戊基異丙基新戊基仲丁基叔丁基異戊基列在后面的是較優(yōu)基團(tuán)-CH2-CH-CH3CH3-CH-CH3CH3-CH2-CH2-CH-CH3CH3一、C原子的四面體概念

第三節(jié)烷烴的構(gòu)型構(gòu)型(Configuration):具有一定構(gòu)造的分子中原子在空間的排列狀況。Van’tHoff和LeBel分別提出碳四面體概念。凱庫勒模型(球棒模型)斯陶特模型(比例模型)CH4二、碳原子的sp3雜化C原子基態(tài)電子排布：有2個(gè)未成對(duì)電子，應(yīng)該是二價(jià)的，但碳原子實(shí)際上是四價(jià)的.2s軌道的能量與2p較接近,2s上的1個(gè)電子可以激發(fā)到2pz空軌道上。激發(fā)態(tài)的碳原子有4個(gè)單電子，但軌道能量不等。雜化形成4個(gè)能量相等的新軌道sp3軌道激發(fā)雜化sp3軌道示意圖具有更強(qiáng)的方向性，能更有效地與別的原子軌道重疊形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。每個(gè)sp3軌道，各含1/4s成份3/4p成份。sp3軌道的空間取向是指向正四面體的頂點(diǎn)。sp3軌道夾角是109°28′，使四個(gè)鍵角之間盡可能的遠(yuǎn)離。三、烷烴分子的形成+sp3ssp3-s++6+sp3sp3-sp3sp3σ鍵：沿鍵軸旋轉(zhuǎn)，它的形狀和位相符號(hào)不變。特點(diǎn)：①電子云沿鍵軸近似于圓柱形對(duì)稱分布。②成鍵的兩個(gè)原子可以圍繞鍵軸旋轉(zhuǎn)，而不影響電子云的分布。C-H：sp3-sC-C：sp3-sp3如正戊烷的碳鏈可以有下列幾種形式：四、分子立體結(jié)構(gòu)的表示方法楔形透視式實(shí)線：在紙平面上的鍵虛線：伸向紙平面后方的鍵楔形線：伸向紙平面前方的鍵鋸架透視式所有鍵均用實(shí)線表示紐曼投影式把分子的凱庫勒模型放在紙面上，沿C-C鍵的軸線投影，以表示前面的碳原子及其鍵，以表示后面的碳原子及其鍵。HHHHHHHHHHHH一、乙烷的構(gòu)象

第四節(jié)烷烴的構(gòu)象構(gòu)象(Conformation)：分子通過單鍵旋轉(zhuǎn)，形成各原子或原子團(tuán)的空間排布。交叉式重疊式凱庫勒模型鋸架透視式紐曼式凱庫勒模型HHHHHHHHHHHH兩面角(扭轉(zhuǎn)角)f單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)，相鄰碳上的其他鍵會(huì)交叉成一定的角度ff為0°時(shí)的構(gòu)象為重疊式構(gòu)象f為60°時(shí)的構(gòu)象為交叉式構(gòu)象f為0～60°時(shí)的構(gòu)象為扭曲式構(gòu)象289227249306非鍵合的兩原子接近到相當(dāng)于范氏半徑之和時(shí)，二者間以弱的引力相互作用，體系能量較低；如果接近到這一距離以內(nèi)，斥力就會(huì)急劇增大，體系能量升高。重疊式的能量大于交叉式能量。(pm)12.5kJ/mol位能0°60°120°旋轉(zhuǎn)度數(shù)乙烷分子的位能曲線圖乙烷的構(gòu)象的穩(wěn)定性：交叉式>重疊式交叉式轉(zhuǎn)變?yōu)橹丿B式，需吸收12.5kJ/mol的能量。室溫時(shí)分子的熱運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生83.6kJ/mol的能量，在常溫下各種構(gòu)象之間迅速互變。二、正丁烷的構(gòu)象60°120°240°180°300°300°360°ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦE1:14.6kJ/molE2:3.3-3.7kJ/molE3:18.4-25.5kJ/mol位能旋轉(zhuǎn)度數(shù)0°60°120°180°240°300°360°ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦE1E2E3穩(wěn)定性順序?yàn)椋簩?duì)位交叉>鄰位交叉>部分重疊>全重疊分子總是傾向于以穩(wěn)定的構(gòu)象形式存在。在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，各種構(gòu)象在整個(gè)構(gòu)象中所占的比例稱為構(gòu)象分布。15%15%70%構(gòu)象分布當(dāng)正烷烴碳原子數(shù)增加時(shí)，盡管構(gòu)象也隨之更復(fù)雜，但仍然主要以對(duì)位交叉式構(gòu)象狀態(tài)存在。所以直鏈烷烴絕大多數(shù)是鋸齒形的。如正戊烷主要以第1種構(gòu)象形式存在，第3種為全重疊構(gòu)象，最不穩(wěn)定。第五節(jié)烷烴的物理性質(zhì)1.物質(zhì)狀態(tài)：

1-4個(gè)C原子的烷烴為氣體；5-16個(gè)C的烷烴為液體；17以上C原子的烷烴為固體2.沸點(diǎn)(b.p.)：

①直鏈烷烴：隨著分子量的增加，而有規(guī)律地升高。②支鏈烷烴：相同C原子的烷烴，支鏈愈多沸點(diǎn)愈低。(支鏈多，分子不易接近)沸點(diǎn)的高低與分子間引力有關(guān)，引力，則沸點(diǎn)。3.熔點(diǎn)(m.p.)：