Transcript 第2章烷烃

第二章
烷
烃
（4课时）
一、烷烃的通式和构造异构
二、烷烃的命名法
三、甲烷分子的正四面体结构
3
--- SP 杂化轨道
四、 烷烃的构象
五、 烷烃的物理性质
六、 烷烃的化学性质
七、烷烃的来源
本章教学要求









理解同系列、同分异构和构象的概念；
掌握烷烃的三种命名法和基的概念；
理解碳正四面体概念、SP3杂化和σ键；
掌握透视式、纽曼投影式等几种表示构象的方法；
掌握烷烃的稳定构象；
认识烷烃的物理性质；
掌握烷烃的化学性质；
掌握卤代反应机理、氢原子活性、碳自由基稳定性；
了解烷烃的来源。
2
烷
烃
• 烃
t īng
只由碳氢两种元素组成的化合物, 链烃也叫脂肪烃。
• 烷烃
脂肪烃分子中只含有C-C单键和C-H单键(石蜡烃)。
 烷烃是饱和脂肪烃（链烃的一种）。
2
烷
烃
±¥ºÍÌþ
ÍéÌþ
¿ªÁ´Ìþ(Ö¬·¾Ìþ)
Ï©Ìþ
²»±¥ºÍÌþ
ȲÌþ
¶þÏ©Ìþ
Ìþ
Ö¬»·Ìþ(
`
»·×´Ìþ
... ... )
`
CH3
·¼ÏãÌþ(
`
`
... ... )
2.1烷烃的通式和构造异构
CH4
CH3CH3
CH3CH2CH2CH3
烷烃的通式
CH3CH 2CH 3
CH3CHCH3
CH3
CnH2n+2
2.1烷烃的通式和构造异构
同系列
同系差 同系物
具有同一通式，构造、性质相似,组成上相差一个或若
干个CH2的一系列化合物称为同系列。CH2称为系差，同
系列中各化合物互称为同系物。如甲烷,乙烷，丙烷等都
属于烷烃系列，三者彼此之间互称烷烃同系物。
同分异构体
分子式相同的不同化合物叫作同分异构体。
构造异构体
分子式相同而分子构造不同的化合物，叫作构造异构体。
(正丁烷和异丁烷————同系列之间)
同分异构的分类
构造异构
碳链异构（正丁烷和异丁烷）
官能团位置异构（1-丁烯和2-丁烯）
官能团异构（乙醇和二甲醚）
互变异构（乙酰乙酸乙酯酮式和烯醇式）
同分异构
顺反异构（烯烃）
构型异构
立体异构
光学异构（旋光异构）
构象异构（烷烃，环己烷，糖类）
2.1烷烃的通式和构造异构
分子构造
分子中原子间互相连接的顺序和方式(P8)。
CH4
CH3-CH3
CH3-CH2-CH3
CH3-CH2-CH2-CH3
CH3-CH-CH3
CH3
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH2-CH3
CH3
CH3
CH3-C-CH3
CH3
2.1烷烃的通式和构造异构
 烷烃的构造异构
构造异构
碳链异构
碳原子连接顺序、方式不同
位置异构
官能团取代不同位置氢原子
官能团异构
构成官能团原子连接顺序、方式不同
烷烃构造异构体的数目(P9表2-1)
问：估计一下C20H42可能有多少种构造异构体？
（366319种）
P9
习题1 写出己烷的所有构造异构体。
C
C C C C
C
C C
C
C C C
C
C C C C
C
C
C
C C C C
C
C C C C
C
练一练
C7H16有9个构造异构体：
C
C C C C C C
C C
C C C C
C
C C C C
C
C
C
C C
C C C C
C
C
C C C C
C
C C C C
C
C
C C C C
C
C C
C
C C C C
C C
C C
C
C C C C
C
C
2.2烷烃的命名法
2.2.1.伯.仲.叔.季碳原子和伯.仲.叔氢原子
碳原子的类
氢原子的类型
o
o
型
伯氢
1
H
伯碳 1
与一个碳相连的碳
1、写出只含有伯碳和仲碳的戊烷的构造异构体;
o
o
仲氢
2H
仲碳 2
与二个碳相连的碳
2、写出含有伯、仲、叔碳的戊烷的构造异构体;
o
o
叔氢
3H
叔碳 3
与三个碳相连的碳
3、写出只含有伯碳和季碳的戊烷的构造异构体;
o
伯
季碳 4
与四个碳相连的碳
0
0
1
2
氢
10
例如 C 5H 12
0
1
3
0
2
0
CH 3CHCH 2CH 3
0
1 CH 3
CH 3CH 2CH 2CH 2CH 3
仲
CH
3
0
1
氢
4
CH 3 C CH 3
0
1 CH 3
0
7
6
5
4
3
2
CH3
1
CH3 CH2 CH CH2 C
9CH3
8
CH3
CH3
C1 、C6 、C7、C8、C9 —伯碳原子、一级碳原子
C3、C5 — 仲碳原子、二级碳原子、2°
C4 — 叔碳原子、三级碳原子、3°
C2 —
季碳原子、四级碳原子、4°
1°
2.2烷烃的命名法
2.2.2 烷基
CnH2n+1
烷基
CH3CH2
CH3
甲基
乙基
0
1
CH 3CHCH 2 H
2
0
H
R-
CH 3CH 2CH 2
丙基
CH 3CH
C H3
异丙基
丁烷
10
2
0
CH3CH2CH2CH3
正丁烷
C4H10
CH3CH2CH2CH2
丁基
CH3CHCH2CH3
仲丁基 (仲碳)
3 2 1
CH 3CHCH 2
0
0
3 1
CH 3CHCH 3
CH 3
异丁烷
异丁基
(伯碳)
(伯碳)
CH 3
CH 3
CH 3C
CH 3
叔丁基
(叔碳)
•带支链烷基只保留8个习惯名称见教材P10
异戊基
CH2
亚甲基
异己基
CH CH3
亚乙基
叔戊基
CH
次甲基
新戊基
C CH3
次乙基
2.2烷烃的命名法
2.2.3烷烃命名法
(1)习惯命名法
甲、乙、丙、丁、戊----天干，
十一、十二—汉文数字
正：无支链
异：直链构造一末端有2个甲基
CH3CHCH2CH2CHCH 3
CH3
CH3
不能用“异”
新：含有1个季碳且总的碳原子数是5或6个
CH 3CH 2CH 2CH 2CH 3
正戊烷
CH 3CHCH 2CH 3
CH 3 异戊烷
CH3
CH3
CH3CCH2CH2CH3
CH3 C CH3
CH3 新戊烷 CH3 新庚烷 ×
2.2烷烃的命名法
2.2.3烷烃命名法
(2)衍生命名法
衍生命名法：是以甲烷为母体,把其它烷烃看作是甲烷的
烷基衍生物,即甲烷分子中的氢原子被烷基取代所得到的
衍生物。命名时,一般是把连接烷基最多的碳原子作为母
体碳原子,烷基则是按次序规则列出。
(CH3)3C-叔丁 > CH3CH2(CH3)CH-仲丁 > (CH3)2CH- 异丙
>(CH3)2CHCH2-异丁 > CH3CH2CH2CH2-正丁 > CH3CH2CH2-正丙
> CH3CH2-乙 >
CH3-甲
较优基团后列出
2.2烷烃的命名法
2.2.3烷烃命名法
(2)衍生命名法
CH 3CHCH 2CH 3
CH 3
CH3
CH3 C CH3
CH3
二甲基乙基甲烷
四甲基甲烷
（异戊烷）
（新戊烷）
CH3
CH3CCH2CH2CH3
CH3
三甲基丙基甲烷
（不能叫新庚烷）
衍生命名法 （练习）
CH3
CH3 —CH2
c —CH —CH
3
CH3
CH3
CH3 CH3
CH3—
c
二甲基乙基异丙基甲烷
CH3
c—CH2 —CH—CH3
CH3 CH2—CH3
甲基乙基异丁基叔丁基甲烷
2.2烷烃的命名法
2.2.3烷烃命名法
(3)系统命名法(采用IUPAC命名原则，结合我国文字特点制
订，国际通用)
 直链烷烃
 支链烷烃
不用“正”字
长
选最长的碳链为主链。
多
若碳链有几种选法时，选取代基多者为主链。
低
编号按最低系列原则(最先出现取代基)。
取代基排列顺序按“次序规则”中所规定的“较
优”基团后列出。
3
1
CH3
8
2
CH
7
3
CH
6
2
CH2
4 4 55
C
5
CH3
1
CH
CH2
4
CH3 CH3 CH2CH3
CH3
66
77
88
3
2
1
CH2
2 4 4 7
2 5 5 6 7
2 3 4 4 7
最低系列
2,3,7-三甲基-4-乙基-4-异丁基辛烷
2,3,7-三甲基-4-乙基-4-(2-甲基丙基)辛烷
2,3,7-三甲基-4-乙基-4-2’-甲基丙基辛烷
CH
CH3
CH3
练一练
P12---2，5，6，7
2.3甲烷分子的正四面体结构--- sp3杂化轨道
 1874年，范托霍夫为了解释有机化合物的对映异构
现象，提出了碳原子四面体结构；
 20世纪以后实验直接证实了甲烷的正四面体结构；
 1931年，为了解释甲烷正四面体结构，鲍林和斯莱
特提出了杂化轨道理论。
2.3甲烷分子的正四面体结构--- sp3杂化轨道
2.3.1甲烷的结构
碳的外层电子结构
2
2S 2P
2
碳为什么呈现四价?
杂化轨道理论解释：
2
2
1.形状不同；
2S
2P
2.空间伸展方向不同；
四条轨道在杂化前后有什么不同？
3.能量不同。
杂化
激发
线性组合
基态
3
激发态
3
4个SP 杂化轨道
sp 杂化 1个S轨道与3个P轨道杂化形成4个能量等同
新轨道的过程。4个新轨道称为sp3杂化轨道。空间伸
展方向为正四面体的4个顶点。
能量相近的原子轨道，可进行杂化，组成能量相等的
杂化轨道。
杂化的结果：
①sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。
② 4 个 sp3 杂化轨道间取最大的空间距离为正四面体构型，键角为
109.5°。（构型——原子在空间的排列方式。）
③四个轨道完全相同。
3
SP 杂化轨道
四个SP3杂化轨道
轨道以头对头方式重
叠形成的键是σ-键。
甲烷分子的形成
甲烷的结构
σ-键的特点：①键能较大
②可沿轴线自由旋转
甲烷的构型
H
2
109.5¡ ã
C
H
H
1
4
3
甲烷的分子模型
H
5
斯陶特模型
球棍模型
透视模型
乙烷分子（CH3-CH3）的形成
常见烷烃的球棍模型
乙
烷
甲
烷
正
丁
烷
丙
烷
异
丁
烷
作业
P12 —习题3，习题4
2.4 烷烃的构象
构象
 围绕单键旋转而产生的分子中原子或基团在
空间的不同排列形式。
 不同构象间互称构象异构体。
2.4 烷烃的构象
分子中基团原子空间形象的图示：
为了说明结构特征，先讲几种立体化学表示方法，其中只有一种是平面式的。
键线式
CH3CH2CH2CH3
H
楔形式
端点和角上都是C ，C 上
H 不写，若有其他原子‘
原子团须写。
H
H ¡- ¡- C－C
¡¡ ¡- ¡- H
¡¡
(伞型式)
H
横放
CH3CH3
H
H
透视式
H
H
(锯架式)
CH3 CH3
H
H
斜放
H
H
H
H
H
H
纽曼投影式
(newman)
立起来
H
H
H
H
H
H H
表示前碳
表示后碳
2.4 烷烃的构象
2.4.1乙烷的构象
重叠式：
交叉式：
Newman投影式
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
HH
问题:理论上
乙烷的构象有
多少个?
乙烷的两种典型构象
重叠式
H
H
透视式
交叉式
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
两种极限构象
其它介于两者之间
HH
投影式
(Newman式)
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
纽曼投影式和能量曲线图
为什么重叠
式能量高？
什么是扭转能?
扭转张力?
以交叉式为基准，转动乙烷分子的C-C单键所需要的能量叫做扭转能。
两个C原子上的C-H键σ电子对之间的斥力叫做扭转张力。
扭转能用来干什么？
用来克服扭转张力。
2.4.2正丁烷的4种典型构象（转动C2-C3σ键）
H3C CH3
H
H
60° H
H
H
H
全重叠式
位交叉式
CH 3
CH 3
H
H
H
C
60° 3
H
H
H3C
H
稳定性
对位交叉式
H
CH 3
H
邻位交叉式
CH3
H
H 60°
H
H3C
> 邻位交叉式
60°
CH3
H
H
H
H
CH3
部分重叠式
H3C
H
H
H
H
>部分重叠式
> 全重叠式
对
正丁烷极限构象的能量曲线图如下：
18.8
15.9
15.9
3.7
思考与练习





为什么烷烃的重叠式构象能量高？（P18）
为什么烷烃的交叉式构象是稳定的？
常温下为什么分离不出来构象异构体？
直链烷烃最稳定的构象是什么样的？
P19—习题8
 重叠式构象扭转张力和立体张力都是极大；
 交叉式构象扭转张力和立体张力都是极小。
2.5 烷烃的物理性质
2.5.1物理性质
状态：C1-C4为气体
沸点（b.p）：
C5-C17为液体
Cn+1>
Cn
C18以上固体 石蜡烃
Cn直链> Cn支链
烷烃溶于有机溶剂而不溶于水。
密度随着相对分子质量的增加而略有增加，分子质量大
的烷烃，密度近乎常数。
2.5.2一些直链烷烃的物理常数（P19-21）
（本书常温常压是指：25℃，0.1MPa）
名称
结构简式
常温
时的
状态
甲烷
CH4
气
-183
-162
0.466
不溶
乙烷
CH3CH3
气
-172
-88.5
0.572
不溶
丙烷
CH3CH2CH3
气
-187
-42
0.585
不溶
丁烷
CH3(CH2)2CH
气
-138
0
0.5788
不溶
戊烷
CH3(CH2)3CH
液
-130
36
0.6262
不溶
十八烷
CH3(CH2)16C
H3
固
28
308
0.7780
不溶
折线
平滑曲线
3
3
直链烷烃
熔点/℃
沸点/
℃
相对
密度
水溶
性
P19表22 P20图2-11
直链烷烃的熔点
直链烷烃的沸点随分子量的↑而有规律地↑
2.5 烷烃的物理性质
有机化合物的物理性质在分离、提纯、鉴定某
些有机化合物时有着非常重要的应用。
（P20-21）
2.6烷烃的化学性质（卤代、氧化、裂化裂解和脱氢）
通常情况下，烷烃很稳定，不易发生化学反应，常温下
不与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂反应。（P21）
烷烃没有官能团，其反应主要是C-C键、C-H键断裂或H原子被取代。
2.6.1卤代 卤原子取代烷烃分子中H原子的反应称卤代反应
卤素的反应活性是：F2＞Cl2＞Br2＞I2
(1)甲烷氯代（光照或加热）
Cl2
Cl2
Cl2
CH 4 Cl2 CH 3Cl
CH 2Cl 2
CHCl 3
CCl 4
光
光
光
光
第一步:CH4:Cl2 /10:1 第四步: CH4:Cl2 / 0.26:1
卤代反应机理（历程）（自由基链反应）
这说
明什
么问
实验：①甲烷与氯的混合物在室温和暗处不反应；题？

②光照或在暗处但温度高于250℃时，反应立即发生；
③氯光照后，在暗处通入甲烷，反应能发生，
甲烷光照后，在暗处通入氯气，反应不发生。

机理
三个阶段
(1) 链的引发
Cl:Cl
hν
或
2Cl.
反应一经引发出自由基，很快就可以连续不断地进行
下去，这样的反应称为连锁反应。
(2) 链的传递 链的传递是得到产物的主要阶段
.
.Cl +
HCl + CH 3
H:CH 3
.
.CH + Cl
主要反应的
+
CH 3Cl
Cl
2
3
一步中有自
.Cl + CH Cl
.
HCl + CH 2Cl 由 基 参 与 ，
3
反应过程中，链的传递和链的终止从反应物和产物上看
.
CH 2Cl 2 + Cl 因 此 整 个 反
CH 2Cl + Cl 2
有什么特点？
应称为自由
前者反应物和产物各有一个自由基。反应过程中不产生H的自由基。
基取代反应。
.
.
而后者反应物全部是自由基，产物都是分子。
CCl 3 + Cl 2
CCl 4 + Cl
(3)链的终止 . .
由于烷烃氯代是一个放热反应，因此反应时
Cl2
Cl + Cl
不能用强烈日光照射，否则会发生爆炸！
链反应的能
.CH + .CH
CH 3CH 3
3
3
量变化（P23）
.
P23 习题10 .
CH 3 + Cl
CH 3Cl
(2)其它烷烃的卤代
CH3CH2CH3
Cl
+ Cl 2 0 光
CH 3CHCH3 + CH3CH 2CH2Cl
25 C,CCl4
55%
CH 3
CH 3CH CH 3 + Cl2
CH 3
CH 3
CH 3C CH 3 + CH 3 CH CH 2Cl
Cl
37 %
CH 3
CH 3CH CH 3 + Br 2
45%
63 %
CH 3
CH 3
CH 3C CH 3 + CH 3 CH CH 2Br
Br
1%
99%
氢原子取代的反应活性
叔氢 ＞ 仲氢 ＞ 伯氢
丙烷中的H被取代时，生成两种游离基：
.
CH3CHCH3
游离基的稳定性
.
CH3CH2CH2
叔 ＞ 仲 ＞ 伯 ＞ 甲基游离基
.
.
.
.
CH3CCH 3 > CH 3CHCH 3 > CH 3CH 2 > CH 3
CH 3
CH 3CH 2CH 2 > CH 3键的解离能大小有关
自由基的活性顺序主要和三种C-H
CHCH 2
CH 3
C·
C+ 相邻碳上的氢越多越稳定
练一练
P24---习题11
2.5.2 氧化反应（加氧去氢）
CH4 + 2 O2
CO2 + 2 H2O
H=
803KJ/mol
属于完全氧化。
RH
[O],乙酸锰
o
120~150 C
R′ COOH
R′ <R
高级烷烃氧化生成的高级脂肪酸可代替动植物油脂
制肥皂等表面活性剂。
2.5.3裂化裂解和脱氢
高温下使烷烃分子发生分解的过程称为裂化或裂解。
隔绝空气加热至400℃以上的裂化叫热裂化；催化剂
作用下的裂化叫催化裂化。
CH3 CH2 CH2 CH3
裂化
CH4 + CH3 CH=CH2
CH2 =CH2 + CH3 CH3
CH3 CH2 CH=CH2 + H2
•炼油厂——裂化——500℃——增产汽油
•石化厂——裂解——750℃——小分子化工基础原
料
阅读材料
 七、烷烃的来源 P26
烷烃小结







烷烃的通式和构造异构
碳原子的类型与烃基
烷烃的命名法(习惯、衍生、系统命名法）
甲烷的sp3杂化轨道
烷烃的构象
烷烃的物理、化学性质（卤代及卤代机理）
烷烃的来源
习题及作业
 习题 26—27页

作业 P26-12 P27-14，15