有机化学第二章-烷烃

CH3Cl + HCl CCl4 + HCl
反应特点:
(1)反应需光照或加热。 (2) 分子中原子、原子团被卤原子取代
反应速率: F2 > Cl2 > Br2 > I2 （不反应）
F2 ：反应过分剧烈、较难控制 Cl2 ：正常 Br2 ：反应时间长 I2 ：不反应。即使反应, 其逆反应易进行
CH3I + HI
系统命名法
用于较复杂化合物的命名
基础：普通命名法
2.3.1普通命名法
C1
CH4
C2
CH3CH3
C3
CH3CH2CH3
➢ 碳原子数目 + 烷
中文名
甲烷 乙烷 丙烷
➢ 碳原子数为1~10用天干（甲、 乙、丙、……壬、 癸）表示
CH3CH2CH2CH3
C4
源自文库
CH3
CH3CHCH3
中文名
正丁烷 异丁烷
CH3(CH2)3CH3
研究反应机理的意义： 了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。 发现反应的一些规律，指导研究的深入。
甲烷的卤代反应机理：自由基反应
自由基：带有孤电子的原子或原子团 CH3
自由基反应的共性：1）链引发、链增长、链终止 2）光、热 自由基引发剂作用下 3）溶剂的极性，酸，碱，催化剂对反应无影响
烷烃
烷基
RH
R
一些常见的烷基
R （烷基）
CH3 CH3CH2
CH3CH2CH2 CH3
CH3CH
中文名
甲基 乙基 （正）丙基 异丙基
要点：
1、选取最长的碳链作主链，称为某烷；支链当作取代基；
3
4
56
例
CH3 CH CH2 CH2 CH3
2 CH2
1 CH3 3-甲基己烷
2、从距离取代基近的一端开始，给主链碳原子编号，使各取代基 的代数和最小
卤代反应中不同类型氢的反应活性 3o H > 2o H > 1o H > CH4
4 甲烷的卤代反应机理
什么是反应机理： 反应机理是对反应过程的详细描述，应解释以下问题：
反应是如何开始的？ 产物生成的合理途径？ 经过了什么中间体？
反应条件起什么作用？ 决速步骤是哪一步？ 副产物是如何生成的？
2.4 烷烃的性质
化合物性质的两个方面
2.4.1 物理性质 物态：气体？ 液体 ？ 固体？ 沸点（b.p.） 熔点（m.p.） 密度（比重） 溶解度： 水中溶解度？ 有机溶剂中？ 折光率
2.4.2 化学性质：有机化学反应（本课程的重点）
2.4.1 物理性质 1 熔点 取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度。
CH4 + I2
烷烃卤代反应的选择性问题
➢ 反应对不同类型氢的反应选择性如何?（不同类型氢的相对反 应活性如何？）
如:
CH3CH2CH3
X2 hv or
CH3CH2CH2 X
X + CH3CHCH3
3o H, 2o H, 1o H：哪种氢易被取代？
氯代反应的选择性
CH3CH2CH3
Cl2 hv , 25oC
要求
➢ 了解并掌握烷烃的结构、同分异构现象等知识。 ➢ 掌握烷烃的两种基本命名方法，能用系统命名法命名结构
较为复杂的烷烃分子。 ➢ 烷烃的卤代（氯代和溴代）反应。 ➢ 烷烃的卤代机理——自由基取代机理，机理的各个步骤及
表示方法。 ➢ 掌握普通环烷烃的命名方法。 ➢ 了解烷烃的污染和危害。
3、取代基的列出次序：
C4H10 C5H12
C6H14 C20H42
同分异构体数 2 3
5 366,319
2.2.3 碳原子的四种类型
伯氢
仲氢
H3C CH2 CH2 CH3
伯碳，一级碳
仲碳，二级碳
H3C
CH3
叔氢
CH CH3
叔碳，三级碳
CH3
H3C C CH3
CH3
季碳，四级碳
2.3 烷烃的命名
普通命名法
用于简单化合物的命名
σ键的特点
*1 电子云可以达到最大程度的重叠，所以比较牢固。 *2σ键旋转时不会破坏电子云的重叠，所以σ键可以自由旋转。
2.2.2 同分异构现象和同分异构体
同分异构体: 分子式相同，结构式不同的化合物。
➢ C1~C3烷烃无异构现象
CH4 C2H6 C3H8
无异构体
➢ C4 以上烷烃出现同分异构现象
同系物：有相同通式、组 成上相差CH2及 其整数倍的一系 列化合物。
2.1烷烃的来源
烷烃的天然来源主要是石油和天然气。天然气成分含有75％的 甲烷、15％的乙烷及5％的丙烷，其余的是较高级的烷烃。而含烷烃 种类最多的是石油，石油中含有1～50个碳原子的链烷烃及一些环烷 烃。
2.2 烷烃的结构及异构现象
正戊烷
CH3
C5 CH3CHCH2CH3
CH3 CH3CCH3
CH3
异戊烷 新戊烷
➢ 异构词头用“正”、“异”和“新”等区分
C7 C8
C9 C10
C11 C12 C13 C20
CH3(CH2)5CH3 CH3(CH2)6CH3 CH3(CH2)7CH3 CH3(CH2)8CH3 CH3(CH2)9CH3 CH3(CH2)10CH3 CH3(CH2)11CH3 CH3(CH2)18CH3
另一个氧化反应途径是生物氧化 烷烃在好氧条件下，能够被某些微生物氧化。
反应是通过许多步才能完成的。
微生物降解烷烃的第一步是非常慢的，氧气分 子进攻烷烃链端碳原子以生成醇。继续氧化，烷烃 最终转变成了二氧化碳和水，微生物从这一过程中 同时获得能量。
2 裂解反应：
（1）热裂反应
在高温及没有氧气的条件下使烷烃分子中的C-C键和 C-H键发生断裂的反应称为热裂反应。
2.2.1 烷烃的结构
1.09 Å
H
键(sp3-s)
C
H H
109.5o
H
H
H
109.3o
H
CC
1.10 Å
H
键(sp3-s)
H
H
1.54 Å
键(sp3-sp3)
C: sp3 杂化，成 键
Ball and Stick Model
Space Filling Model
σ键的定义
在化学中，将两个轨道沿着轨道对称轴方向 重叠形成的键叫σ键。
（1）原子序数大者优先，同位素质量大者优先
如： I > Br > Cl > S > P > F
> O > N > C >D>H
（2）基团的第一个原子相同时，比较与其相连的下一个原子， 依次类推
如：-CH2CH3 > -CH3 -CH2Cl > -CH2F -CH2OCH3 > -CH2OH
（3）对不饱和基团，可认为与同一原子连接 2 或 3 次
中文名
正庚烷 正辛烷 正壬烷 正癸烷 正十一烷 正十二烷 正十三烷 正二十烷
碳原子数大于10以上时用大写数字表示
2.3.2 系统命名法
CH3 CH3CHCH3
普通命名法：异丁烷 系统命名法：2-甲基丙烷
基本方法： ➢ 选定一条最长链作为主链（以普通命名法命名） ➢ 其它支链作为主链上的取代基。
取代基（烷基）：烷烃去掉一个氢原子后留下的原子团
甲烷的氯代反应机理的表达
hv or
(1) Cl Cl
Cl + Cl
自由基 中间体
链引发
(2) Cl + H CH3
Cl H + CH3
(3) CH3 + Cl Cl
CH3 Cl + Cl
第(2), (3)步反应重复进行
链转移 （链传递,链增长）
(4) Cl + Cl (5) Cl + CH3 (6) CH3 + CH3
CH3
1
CH3
CH CH2
2
3
CH3 CH2 CH CH2
45
CH3
6
2-甲基-4-乙基己烷
CH3
1
H3C
C2
34
5
CH CH2 CH3
CH3 CH3
2, 2, 3 -三甲基戊烷
(4)碳链等长时，应选择取代基较多的链为主链：
例
CC
3
C
45
CC
6
C
2-甲级-3-乙基己烷
2C C 1C
而不是 3-异丙基己烷
烷烃熔点的特点 （1） 随相对分子质量增大
而增大。 （2） 偶数碳烷烃比奇数碳
烷烃的熔点升高值 大 （如右图）。 （3）相对分子质量相同的烷 烃，叉链增多，熔点下降。
偶数碳 奇数碳
2 沸点
沸点大小取决于分子间的作用力
烷烃沸点的特点
（1）沸点一般很低（非极性，只有色散力）。 （2）随相对分子质量增大而增大（运动能量增大，范德华引力增大）。 （3）相对分子质量相同、叉链多、沸点低。（叉链多，分子不易接近）
第二章 烷烃
主要内容 烷烃的结构，同分异构体 烷烃的命名（普通命名法， 系统命名法） 烷烃的物理和化学性质 环烷烃的分类和命名 烷烃的污染及其危害
烷烃
烷
完全
饱和
烃
碳氢化合物
烃类（烷烃、烯烃、炔烃、芳烃）
烷烃的通式：CnH2n+2 （例：CH4, C2H6, C3H8, C4H10, ……）
同系物
烷烃虽然是有机化合物中最不活泼的一类物质，但 却是最强烈的麻醉剂，我国出现了一些小型化工厂，由于 工作场地通风不好，使用的烷烃类有机溶剂无法及时从车 间或其他工作环境中消散，直接造成工作人员因长期吸入 而产生疾患。矿坑中喷出甲烷，当其浓度达到10％时，可 观察到呕吐、头痛、软弱、苍白、心浊音、血压降低、腹 反射减弱等中毒症状。
Cl
CH3CH2CH2 Cl + CH3CHCH3
45%
55%
无选择性：2o H : 1o H = 2 : 6
CH3 CH3CHCH3
Cl2 hv , 25oC
CH3
CH3
CH3CHCH2 Cl + CH3CCH3
Cl
64%
36%
无选择性：3o H : 1o H = 1: 9
总结：烷烃卤代反应的选择性
例如：
(1)
CH3 CH CH2 (2) HH
(1)
CH3-CH=CH2 + H2
丙烯
(2)
CH4 + CH2=CH2
乙烯
热裂化反应根据生产目的的不同可采用不同的裂化工艺。
2.催化裂化
1)目的：提高汽油的产量和质量（生产高辛烷值的汽 油）。
2)裂化温度 400-500℃。 3)加入一定的催化剂。
3 甲烷的卤代反应
CH CH2
如： CH O
CH CH2 CC
CH O OC
CN
NC CN NC
1 氧化： (1) 完全燃烧:
CnH2n+2 + O2
CO2 + H2O + Q
（2）控制条件，部分氧化，制备有用化工原料：
例 CH4 + O2
NO 600oC
HCHO + H2O
CH4 + 1/2O2 RCH2CH2R' + 2O2
锰盐 120--150oC
CO + H2 (合成气） RCOOH + R'COOH (制皂）
Cl Cl CH3 Cl CH3 CH3
链终止
自由基反应
甲烷卤代机理的循环表达式
CH3 X
产物
X2
X2
引发
hv or
X
循环
CH3
自由基中间体
CH4
XH
产物
H sp2
CH H
甲基自由 基的结构
2.5 环烷烃的分类和命名
2.5.1 环烷烃的分类
根据分子内环的数目分为：单环 双环 多环
在单环体系中分为：小环(C3-C4) 普通环(C5-C7)五环和六环最普遍 中环(C8-C11) 大环(≥C12)
若与两端最近等距位置上有不同取代基，则按顺序规则，从 取代基顺序较小的一端编号
1
2
CH3 CH2
3
4
CH CH2
CH3
5
6
CH2 CH2
7
8
9
CH CH2 CH3
CH2 CH3
3、含有几个相同取代基时，合并列出，取代基数目用二、三、 四…等中文数字表示，写在取代基名称前面，其位次用阿拉伯数 字逐个表明，位次之间用“，”隔开
CH2 简写成：
H2C CH 2
环丙烷
2.5.2 环烷烃的命名
环丙烷
环己烷
CH3
甲基环丙烷
➢ 以环为母体，名称 用“环” 开头。
➢ 环外基团作为环上 的取代基
1
1
2
2 3
➢ 取代基位置数字取
3 4
最小
1, 3-二甲基环己烷 1-甲基-4-异丙基环己烷
2.6 烷烃的污染及其危害
烷烃的污染物是伴随着石油产品的开发、应用而出 现的。水上原油运输、输送过程中漏油和溢油造成的地面 水污染。在土壤中，烷烃的污染是因采油、炼油、石油的 应用过程造成的。
取代反应
分子中的原子或基 团被其它原子或基 团取代的反应称为 取代反应。
卤代反应
分子中的原子或 基团被卤原子取 代的反应称为卤 代反应。
甲烷的氯代反应
hv or CH4 + Cl2
CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 + HCl
hv or CH4 （过量）+ Cl2
hv or CH4 + Cl2（过量）
3 密度 烷烃的密度均小于1（0.424-0.780)
4 溶解度 烷烃不溶于水，溶于非极性溶剂.
2.4.2 烷烃的化学性质
烷烃的结构
sp3 杂化 已饱和 不能加成
C CH
极性共价键
一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱（常用作低极性溶 剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）
烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应）