第4章烷烃Word格式文档下载.docx

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成环（脂环烃）

芳香烃

§

烷烃的结构

1、碳原子的四面体构型和SP3杂化

甲烷分子中C—H的键长为110pm，HCH的角度为109o28'

，四个氢原子正好位于以碳原子为中心的正四面体的四个顶点上。

其它烷烃分子中，C–H和C–C的键长分别为110和154pm，或与此相近，C–C–C的键角在111~113之间，接近四面体所要求的角度。

因此，可以认为烷烃分子中碳原子以SP3杂化轨道相互重叠，生成C–Cσ键，碳原子以SP3杂化轨道与氢原子的1S轨道重叠，生成C–Hσ键。

烷烃的同分异构

1、烷烃的同系列

烷烃的通式：

CnH2n+2同系列：

凡具有同一通式，化学性质相似，物理性质随着碳原子数的增加而有规律的变化，分子式间相差N个CH2的一系列化合物。

同系物：

同系列中各化合物的互称。

系差：

CH2

2、烷烃的异构

构造：

分子中原子互相连接的方式和次序。

同分异构体：

分子式相同而构造不同的化合物的互称。

烷烃的命名

一、烷基的概念

碳原子的类型：

伯碳原子：

（一级）跟另外一个碳原子相连接的碳原子。

仲碳原子：

（二级）跟另外二个碳原子相连接的碳原子。

叔碳原子：

（三级）跟另外三个碳原子相连接的碳原子。

季碳原子：

（四级）跟另外四个碳原子相连接的碳原子。

氢原子的类型：

与相应的伯仲叔碳原子相连的氢原子依次称为伯仲叔氢原子。

烷基：

烷烃分子去掉一个氢原子余下的集团称为烷基。

用字母R—表示。

二、普通命名法（ordinarynomenclature）

普通命名法是根据烷烃分子中碳原子的数目命名为“正（或异、新）某烷”。

其中“某”字代表碳原子数目，其表示方法为：

含碳原子数目为C1～C10的用天干名称甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来表示；

含十个以上碳原子时，用中文数字“十一、十二、……”来表示。

命名原则如下：

⑴当分子结构为直链时，将其命名为“正某烷”。

例如：

正丁烷正十二烷

⑵当分子结构为“　　”时，将其命名为“异某烷”。

（n=0，1，2，……）

异丁烷异庚烷

⑶当分子结构为“”时，将其命名为“新某烷”。

新戊烷新己烷

三、系统命名法（systemnomenclacture）

国际纯化学与应用化学联合会（internationalunionofpureandappliedchemistry）于1979年公布的命名原则，简称IUPAC命名原则。

（1）对于直链烷烃和普通命名法基本相同，仅不写正字。

Eg:

CH3CH2CH2CH2CH2CH3己烷

（2）对于支链烷烃，其命名步骤是：

①选主链在分子中选择一条最长的碳链作主链，根据主链的碳原子数叫某烷，将主链以外的其他烷基看作是主链上的取代基（或叫支链）。

烷基是由烷烃分子除去一个氢原子后剩下的部分，通常用R-表示。

CH3-叫甲基，（CH3）2CH-叫异丙基等等。

②编号由距离支链最近的一端开始编号。

书写名称时，将取代基的位置和名称放在母体名称前面，二者之间加一短划线“—”。

如果含有几个相同的取代基，则将它们合并起来，取代基数目用汉字表示，写在取代基前面，其位次必须逐个标明，数字之间要用逗号隔开。

3，10—二甲基—7—乙基十三烷

选主链，如果有等长的碳链均可作主链时，应遵循以下原则：

A、选择含取代基（支链）最多的碳链为主链。

eg：

2，3，5-三甲基-4-丙基庚烷

B、若支链个数相同，则以支链位号加和最小的碳链为主链。

eg：

2，5—二甲基—4—（2—甲丙基）庚烷

C、以支化支链较少的碳链为主链。

3-甲基-4-（1-异丙丙基）壬烷

D、若支链数和位号皆相同，则将支链碳原子个数按从小到大的顺

序排列，最先出现较多碳原子的为主链。

上：

111288

下：

111189

3，5，9—三甲基—11—乙基—7，7—二（2’,4’—二甲己基）十三烷

烷烃的物理性质

1．状态：

在常温常压下，1至4个碳原子的直链烷烃是气体，5至16个碳原子的是液体，17个以上的是固体。

2．沸点：

直链烷烃的沸点随分子量的增加而有规律地升高。

而低级烷烃的沸点相差较大，随着碳原子的增加，沸点升高的幅度逐渐变小。

沸点的高低取决于分子间作用力的大小。

烷烃是非极性分子，分子间的作用力（即范德华力）主要是色散力，这种力是很微弱的。

色散力与分子中原子数目及分子的大小成正比，这是由于分子量大的分子运动需要的能量也大。

多一个亚甲基时，原子数目和分子体积都增大了，色散力也增大，沸点即随之升高。

色散力是一种近程力，它只有在近距离内才能有效地发挥作用，随着分子间距离的增大而迅速减弱。

带着支链的烷烃分子，由于支链的阻碍，分子间不能像直链烷烃那样紧密地靠在一起，分子间距离增大了，分子间的色散力减弱，所以支链烷烃的沸点比直链烷烃要低。

支链越多，沸点越低。

3．熔点：

直链烷烃的熔点，其本上也是随分子量的

增加而逐渐升高。

但偶数碳原子的烷烃熔点增高的幅度比奇数碳原子的要大一些。

形成一条锯齿形的曲线。

烷烃的熔点也主要是由分子间的色散力所决定的。

固体分子的排列很有秩序，分子排列紧密，色散力强。

固体分子间的色散力，不仅取决于分子中原子的数目和大小，而且也取决于它们在晶体中的排列状况。

X-光结构分析证明：

固体直链烷烃的晶体中，碳链为锯齿形的，由奇数碳原子组成的锯齿状链中，两端的甲基处在一边，由偶数碳原子组成的锯齿状链中，两端的甲基处在相反的位置。

即偶数碳原子的烷烃有较大的对称性，因而使偶数碳原子链比奇数碳原子更为紧密，链间的作用力增大，所以偶数碳原子的直链烷烃的熔点要高一些。

4．溶解度：

烷烃是非极性分子，又不具备形成氢键的结构条件，所以不溶于水，而易溶于非极性的或弱极性的有机溶剂中。

5．密度：

烷烃是在所有有机化合物中密度最小的一类化合物。

无论是液体还是固体，烷烃的密度均比水小。

随着分子量的增大，烷烃的密度也逐渐增大。

烷烃的化学性质

烷烃的化学性质很不活泼。

在常温常压下，烷烃与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂等都不易起反应，在有机反应中常用来作溶剂，但烷烃的这种稳定性也是相对的，在一定的条件下，如在适当的温度或压力及催化剂存在的条件下，烷烃也可以和一些试剂起反应，烷烃的主要反应有：

（1）烷烃的燃烧---氧化

有机化学中的氧化是指在分子中加入氧或从分子中去掉氢的反应。

烷烃的燃烧就是它和空气中的氧所发生的剧烈的氧化反应，生成CO2和水，同时放出大量的热。

燃烧反应的通式为：

2CnH2n+2+（3n+1）O2—–—–→2nCO2+2（n+1）H2O+Q

瓦斯爆炸原理。

（2）裂解反应

把烷烃在没有氧气的条件下加热到400度以上，使C—C键和C—H键断裂，生成较小的分子的过程。

CH3CH2CH3—–—–→CH3·

+·

CH2CH3–—–→CH4+CH2＝CH2

这类反应在石油工业中应用很广，石油裂解可得到大量有用的燃料以及重要的化工原料。

实际上，在石油工业中，是实用各种催化剂（铂、硅酸铝、三氧化二铝）来促使裂解反应在较低的温度和压力下进行。

这种过程叫“催化重整”（catalyticreforming）。

铂是使用较多的催化剂，因此又叫铂重整。

（3）卤代反应

烷烃在紫外光、热或催化剂的作用下，氢原子被卤素所取代的反应。

CH4+X2—–—–→CH3X（X=F、Cl、Br、I）

此反应不能停留在一氯代阶段，随着CH3X浓度的加大，它可以继续氯代下去。

如

CH3Cl+Cl2—–—–→CH2Cl2+HCl

CH2Cl2+Cl2—–—–→　CHCl3+HCl

CHCl3+Cl2—–—–→　CCl4+HCl

CH4和Cl2反应的实际产物是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的混合物，混合物的组成取决于原料的配比和反应条件，如果反应中使用大大过量的甲烷，则反应可以控制在一氯取代阶段，如果反应温度在400℃时，

使原料比为CH4︰Cl=︰1,则反应产物主要是CCl4。

丙烷卤代，一卤代产物可有两种：

CH3CH2CH3＋　Cl2–—–→CH3CH2CH2Cl＋　CH3CHClCH3

异戊烷卤代，一卤代产物可有四种：

实验结果表明：

各级氢与碳分离时所需能量：

三级氢（叔氢）<

二级氢（仲氢）<

一级氢（伯氢）<

CH3-H实验测定，氯代，三种氢的活性为：

叔氢：

仲氢：

伯氢=5：

4：

1溴代，三种氢的活性为：

伯氢=1600：

82：

1

这也就是说游离基形成的容易程度是：

30＞20＞10＞·

CH3

越易形成的游离基越稳定，所以游离基的稳定性顺序为：

游离基的结构：

sp2杂化，平面构型。

也可以从电子效应来解释游离基的稳定性。

对于一化学反应，我们不仅要知道它发生了什么反应，而且要知道它是怎样发生的。

因此我们必须认识反应的历程（反应机理），反应历程就是反应所经历的过程，是建立在实验事实基础上的假设。

CH4氯化是游离基反应，首先，氯分子吸收一个光子均裂成两个高能氯原子，这叫做链引发步骤：

Cl:

Cl–—–→Cl·

+Cl·

Cl·

游离基非常活泼，它有强烈的获得一个电子而成为完整的八偶体倾向，于是有下列碰撞：

CH4+Cl·

–—–→·

CH3+HCl

同样，·

CH3也非常活泼，

·

CH3+Cl:

Cl–—–→CH3Cl+Cl·

再继续重复以上反应。

这一步称为链增长反应，这一反应无限的传递下去，直至反应物已完全消耗或游离基相互结合而失去活性，使链增长不能继续，我们称之为链终止反应。

Cl·

–—–→Cl:

Cl

·

CH3+·

CH3–—–→CH3CH3

CH3+Cl·

–—–→CH3Cl

所有的游离基反应通常都在气相或非极性溶剂中进行。

游离基反应都有共同的特征，它们在反应过程中都经历以上三个阶段：

I.链的引发阶段（chaininitiation）

II.链的增长阶段（chainpropagation）

III.链的终止阶段（chaintermination）

例：

写出乙烷溴代生成溴乙烷的反应历程。

①链引发：

Br:

Br–—–→Br·

+Br·

②链增长：

Br·

+CH3CH3–—–→CH3CH2·

+HBr

CH3CH2·

+Br:

Br–—–→CH3CH2Br+Br·

③链终止：

–—–→Br:

Br

+CH3CH2·

–—–→CH3CH2Br

–—–→CH3CH2CH2CH3

（4）烷烃的自动氧化

烷烃中的三级氢可与氧发生下列自由基反应

R3CH+O2–—–→R3C•+•OOH

R3C•+O2–—–→R3COO•

R3CH+R3COO•–—–→R3COOH+R3C•

（5）烷烃的硝化、磺化及氯磺化

CH3CH2CH3+HNO3–—–→CH3CH2CH2NO2（……）

CH3CH3+H2SO4–—–→CH3CH2SO3H

C12H26+SO2C12–—–→C12H25SO2C1