有机化学烷烃和环烷烃..ppt

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1、第二章 烷烃和环烷烃,第一节 烷 烃,一 烷烃的结构,二 烷烃的命名,四 烷烃的化学性质,五 烷烃的卤代反应历程,第二节 环 烷 烃,一 环烷烃的分类,二 单环烷烃的命名,三 单环烷烃的结构,四 环烷烃的化学性质,三 烷烃的物理性质,【学习要求】,1.了解C原子和H原子的类型以及烷基。,4.掌握烷烃和环烷烃的化学性质及影响因素。,5.掌握构象异构和顺反异构产生的原因、特 点、命名及书写。,2.掌握普通命名法和系统命名法的基本原则,并能熟练命名烷烃和环烷烃。,3.了解同系物沸点、熔点变化规律。,第一节 烷 烃,烃:由C、H 两种元素组成的化合物 叫碳氢化合物,简称烃。根据碳架的形状及碳原子间连接

2、的方式分类如下:,烃,脂肪烃,脂环烃,芳香烃,不饱和脂肪烃(烯烃、炔烃、二烯烃),饱和脂环烃(环烷烃),不饱和脂环烃(环烯烃、环炔烃),含苯芳烃(萘、蒽、菲),非苯芳烃,饱和脂肪烃(烷烃),烷 烃,定义:分子中只含 C、H 两种元素;,烃分子中碳原子之间以单键连接,碳原 子的其余化合价完全为氢原子所饱和。,通式:CnH2 n+2,同系列:具有同一个分子通式,在组成上相差一个或几 个CH2的一系列化合物。同系物:同系列中的化合物彼此互为同系物。,(一)烷烃的同分异构现象,一.烷烃的结构,分子式相同而结构不同的现象。,同分异构,构型,构造异构,构象(键的旋转产生),立体异构,碳架异构,位置异构,官

3、能团异构,互变异构,顺反异构(键的不能旋转产生),旋光异构(手性产生),分子中原子和基团在空间的排布不同,原子的连接方式和顺序不同,与一个碳相连:一级碳原子,或伯碳(primary),用10C表示,一级碳上的氢称一级氢,用10H表示。与两个碳相连:二级碳原子,或仲碳(secondary),用20C表示,二级碳上的氢称二级氢或仲氢,用20H表示。与三个碳相连:三级碳原子,或叔碳(tertiary),用30C表示,三级碳上的氢称三级氢或叔氢,用30H表示。与四个碳相连:四级碳原子,或季碳(quaternary),用40C表示,(二)C原子和H原子的种类,碳原子的四种类型,1 C(伯碳,一级碳),p

4、rimary carbon,2 C(仲碳,二级碳),secondary carbon,tertiary carbon,3 C(叔碳,三级碳),4 C(季碳,四级碳),quaternary carbon,二种类型 2 C,二种类型 1 C,二种类型 1 C,分析下列化合物所含碳原子种类,碳原子种类的扩展,1自由基(伯自由基),2自由基(仲自由基),3自由基(叔自由基),1碳负离子(伯碳负离子),3碳正离子(叔碳正离子),(三).构象(comformation)和构象异构体,CC单键是可以旋转的 单键的旋转使分子中的原子或基团在空间产生不同的排列(构象)不同的构象之间为构象异构关系(一类立体异构现

5、象),构象(conformation):,原因:由于键绕键轴“自由”转动,非键合原子或基团在空间产生不同的排列,由于单键旋转所形成的异构体称构象异构体,构象异构体的数量:无数,典型构象:根据能量的高低具有代表性的构象,A:构象异构体之间不可能完全分开,B:构象异构体之间的转换不需断键,构象异构体的特点:,描述立体结构的几种方式,伞形式,锯架式,Newman投影式,注意Newman投影式的写法,键电子云排斥,von der waals排斥力,内能较高(最不稳定),乙烷的构象,交叉式构象,扭曲式构象,重叠式构象,staggeredconformer,skewedconformer,eclipsed

6、conformer,原子间距离最远内能较低(最稳定)优势构象,(有无数个),乙烷构象转换与势能关系图,旋转中须克服能垒扭转张力 电子云排斥 相邻两H间的von der waals排斥力,一般情况下(T-250oC):单个乙烷分子:绝大部分时间在稳定构象式上。一群乙烷分子:某一时刻,绝大多数分子在稳定的构象式上。,丁烷的构象,对位交叉式(anti)(反交叉式),部分重叠式,邻位交叉式(gauche),全重叠式,邻位交叉式(gauche),甲基间距离最远(最稳定),较不稳定,较稳定,甲基间距离最近(最不稳定),丁烷构象转换与势能关系图,其它烷烃的构象,规律:大基团总是占据对位交叉,最稳定,最不稳定

7、,立体异构体:由原子或基团在空间的排列(或连接)方式不同所产生的异构体(包括构型异构体和构象异构体),立体异构体、构型异构体与构象异构体,构型异构体,不可转换 理论上可分离,构象异构体,可通过单键旋转转换,一般无法分离,见分类,二.烷烃的命名,普通命名法 用于简单化合物的命名 IUPAC命名法(系统命名法)(IUPAC:国际纯粹与应用化学联合会,International Union of Pure and Applied Chemistry),一些常见的烷基,(1)取代基中与主链直接相连的原子按原子序数由大到小排列,原子序数大的为优先基团。HDCNOFPSClBrI,次序规则,(2)若取代基

8、中与主链直接相连的第一个原子相同,则把与第一个原子直接相连的其他原子进行比较,若仍相同,则继续比较,直到有差别为止。,较优基团,与主链直接相连的第一个原子,与主链直接相连的其他原子,(3)含有双键和三键的基团,可以看作是用单键连有两个或三个相同的原子或基团。,较优基团,较优基团,比较下列基团的优先顺序,(1)根据分子中碳原子的总数称为#烷,碳原子数为1-10的用甲、乙、丙、丁、表示。10个以上的用中文数字表示。如:十二烷。(2)直链烷烃,名字前加“正”。链端第二个碳原子上有一个甲基而无其他支链的,名字前加“异”(CH3)2CH。链端第二个碳原子上有二个甲基而无其他支链的,名字前加“新”。(CH

9、3)3CCH,普通命名法,例:,中文名,英文名,甲烷,乙烷,丙烷,methane,ethane,碳原子数目+烷,碳原子数为110用天干(甲、乙、丙、壬、癸)表示,C1,C2,C3,propane,碳原子数为10以上时用中文数字表示。如:十二烷,异构词头用词头“正”、“异”和“新”等区分 相应的英文词头为 n-(normal)、iso和neo(注意不加“-”),中文名,英文名,正丁烷,异丁烷,正戊烷,异戊烷,新戊烷,n-butane,isobutane,n-pentane,isopentane,neopentane,C4,C5,系统命名法(IUPAC):,(1)选主链,碳链最长,支链最多。(2)

10、定基位,有多个排序时遵循“最低系列原则”(最先遇到位次较低的取代基为最低系列),有多个最低系列时,按“次序规则”使较优基团位次较大。(3)书写时,标明取代基的位次,名称,且按先简后繁。如:,例,最长链为主链取代基编号数最小,练习,2,6二甲基-3,6二乙基壬烷,写出 3甲基8乙基6氯十一烷的结构式,化合物性质的两个方面,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,化学性质:有机化学反应(本课程的重点),三 烷烃的物理性质,1 物态,常温、常压(0.1MPa),C5C16:液态,C1C4:气态,C17:固态,2 沸点(b.

11、p),随分子质量的增加而增高,但高级烷烃沸点差较小,难以分离。在同分异构体中,分子中支链增多,分子间距增大,分子间作用力减少,沸点降低。,分子间作用力,b.p,M支链少,3 熔点(m.p)随分子质量的增加而增高,熔点高低与分子间作用力、分子在晶格中的排列有关。分子对称性高,排列比较整齐,分子间作用力大,熔点高。偶数碳原子的烷烃比含奇数碳原子的烷烃熔点升高值大,两者形成两条熔点曲线。对同分异构体,分子的对称性越高,分子排列越紧密有序,熔点越高。,M,m.p,烷烃 正戊烷 2-甲基丁烷 2,2-二甲基丙烷 熔点:-129.72-159.9-17 沸点:36.1 25 9,如:,结论:高度对称支链异

12、构体m.p 直链异构体不对称的支链异构体。,练习:,1.比较下列各组化合物的沸点高低。并说明理由。,(1)正丁烷和异丁烷;(2)正辛烷和2,2,3,3-四甲基丁烷;(3)庚烷、3-甲基己烷和3,3-二甲基戊烷。,2.比较下列各组化合物的熔点高低。并说明理由。,(1)正戊烷、异戊烷和新戊烷;(2)正辛烷和2,2,3,3-四甲基丁烷;,4 相对密度:,分子量,密度,但1;支链,密度。,5 溶解度:易溶于非极性的有机溶剂,不溶于极性溶剂,C H电负性 2.5 2.2,烷烃的结构,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

13、的重要反应),sp3 杂化已饱和不能加成,低极性共价键H不易被置换,四 烷烃的化学性质,甲烷的卤代反应,甲烷的氯代反应,反应特点:(1)反应需光照或加热。(2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷(反应有引发过程)。,甲烷与其它卤素的反应,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(常温下可发生反应)Br2:稍慢(加热下可发生反应)I2:不反应。即使反应,其逆反应易进行,主要讨论的内容,2 氧化反应:烷烃在高温和空气中燃烧,生成二氧化碳和水,并放出大量的热。,注:烷烃与空气以一定比例混合后会发生爆炸,这就是煤矿常见的瓦斯爆炸。,有机反应的类型,离子

14、型反应 由共价键异裂成离子而引起的反应。,自由基反应 由自由基而引起的反应。,五 烷烃的卤代反应历程,自由基的稳定性顺序:叔自由基仲自由基伯自由基甲基自由基,异裂,均裂,烷烃上H原子的活性顺序:叔H 仲 H 伯H 甲基H,根据离解能解释自由基的稳定性及H的活性,自由基的能量越高越不稳定,C-H断键所需能量越低,该H越活泼,2.卤代反应机理:,实验事实:,CH4、Cl2混合物在黑暗中长期保存,不反应。,CH4经光照后与Cl2混合,也不反应。,Cl2经光照后,迅速在黑暗中与CH4混合,反应立即发 生。,实验事实告诉我们:烷烃的卤代反应是从Cl2的光照开始的。光提供的能量:330kJ/mol Cl-

15、Cl 断键能量:242.4kJ/mol C-H 断键能量:435 kJ/mol,甲烷的氯代反应机理的表达,自由基型链反应(chain reaction),过渡态(Transition State)理论,在化学反应中,反应物相互接近,总是先达到一势能最高点(活化能,相应结构称为过渡态),然后再转变为产物。,例:机理步骤(2),过渡态,势能增加,势能降低,势能最高,甲烷氯代的势能变化图,过渡态:势能最高处的原子排列,,Ea:活化能 DH:反应热,机理的决速步骤(以氯代为例),决速步骤,3.卤代反应中X2的相对活性:,注:从反应热来解释,放出的热越多越易进行,从活化能来解释,活化能越小越易进行,第二

16、节 环烷烃(cycloalkane),一 环烷烃的分类及命名,螺环烃(两个碳环共用1个C);稠环烃(两个或两个以上苯环共用两个相邻C)桥环烃(两个或两个以上碳环共用两个以上C),环烷烃:分子中具有碳环结构的烷烃,(一)环烷烃的分类 根据碳环的数目分类,单环烷烃,多环烷烃,小环(C3C4);普通环(C5C7);中环(C8C11);大环(C12)。,螺环烃,稠环烃,桥环烃,(二)单环烷烃的构造异构和命名,命名 以碳环为母体,环上侧链为取代基,根据成环碳原子的数目称“环#烷”。,一个取代基时 称#基环#烷,多个取代基时 从较小的原子或基团开始,遵循最低系列原则编号。有多个最低系列时,使较优基团位次较

17、大。,1,2-二甲基-1-乙基环丙烷 正确,1,2-二甲基-2-乙基环丙烷 错误,不饱和键位次最小,练习:,1-甲基-3-已基-4氯环己烷,1-甲基-2-乙基-5-异丙基环己烷,反-1-甲基-3-乙基环己烷,注:当环上有复杂的取代基时,碳环作为取代基,4-甲基-1-环丙基己烷,三 单环烷烃的结构,角张力:实际键角偏离正常键角而使分子产生的张力,(一)单环烷烃的结构,扭转张力:相邻C上的H原子间因距离太近而产生的斥力,由此可见:,(1)键的重叠程度小,稳定性。,(2)电子云分布在两核连线的外侧,增加了试剂进攻的可能性,故具有不饱和烯烃的性质。,(二)单环烷烃的立体异构,顺反异构 由于两个成环碳原

18、子上所连接的不同原子或基团在空间的排列(分布)不同而形成不同构型化合物的异构现象。,顺式,反式,顺反异构产生的原因:键不能旋转 顺反异构体的特点:为不同物质,转换需断键,环己烷的构象异构环己烷中C-C键在环不破裂的情况下,可发生协同扭转,产生无数构象。,典型构象:船式构象(能量最高)椅式构象(能量最低)优势构象,环己烷的椅式构象,环己烷的船式构象,范德华张力:原子间由于距离太近(范德华半径之和)而产生的张力,椅式,船式,Newman投影式,从Newman投影式理解船式和椅式的稳定性,椅式构象中的直立键(a)和平伏键(e),注:直立键(a)与中心对称轴平行,指向环上键角的方向。平伏键(e)与中心

19、对称轴成109.5。,且与直立键方向相反,左边向左偏,右边向右偏。,单取代环己烷的优势构象,1甲基环己烷,1.甲基与C2-C3 键处于邻位交叉存在扭转张力,1.甲基与C2-C3 键处于对位交叉,2.甲基H与C3、C5直立H距离近存在范德华力,稳定性:e键 a键,2.甲基H与C3、C5直立H距离远不存在范德华力,多取代环己烷的优势构象,1,2二取代:,顺,反,ae,ae,aa,ee,优势构象,注:环己烷中的顺反,若相同基团都朝上或下,即顺,若相同基团一个朝上,一个朝下,即反,多元取代环己烷优势构象的书写规律,取代基尽可能在e键上,体积大的取代基尽可能在e键上,例1 写出顺-1-甲基-4-异丙基环己烷的优势构象。,同时要满足顺反异构和位置,例2 写出反-1-甲基-2-乙基环己烷的优势构象。,例3 写出下列化合物的优势构象。,四 环烷烃的化学性质,1.与烷烃类似的性质,(1)卤代反应:,(2)氧化反应:,所有环烷烃,2.与烯烃类似的性质 小环烷烃的加成,(1)加H2:,(2)加X2:,3.加HX:,练习,2 如何鉴别丙烷和环丙烷,1,

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