1、第二章 烷烃,烷烃，即饱和烃（saturated group)，是只有碳碳单键和碳氢键的链烃，是最简单的一类有机化合物。烷烃分子里的碳原子之间以单键结合成链状(直链或含支链)外，其余化合价全部为氢原子所饱和。,目录,2- 1 烷烃的同系列、同分异构现象 2- 2 烷烃的命名 2- 3 烷烃的结构 2- 4 烷烃的性质 2- 5 重要的烷烃甲烷,2-1 烷烃的同系列、同分异构现象,烃中的碳原子之间均以单键相连，其它键都与H结合，形成的开链化合物叫烷烃。又叫饱和烃。 一、烷烃的同系列 1、同系列：结构和性质相似，在组成上相差一个或数个CH2的一系列化合物，就是一个同系列。 2、同系物：同系列中的化
2、合物互称同系物。同系物的结构和性质都非常相似。,3、系差：同系列中相邻碳数同系物分子在组成上相差一个CH2基团，这种同系列中相邻化合物在组成上的差别，称为系差。烷烃的系差为CH2 。 4、通式：即能够代表任意一个烷烃组成的式子。烷烃的通式为CnH2n+2,二、烷烃的同分异构现象,构造和同分异构 分子中原子相互连接的方式和次序叫做构造 丁烷（C4H10）：,CCCC 和,CH3 -CH2 -CH2 -CH3,它们可各自形成一种分子。,正丁烷和异丁烷的性质差别,它们的熔、沸点相差都在11以上显然不是同一种分子, 这种分子式相同，而结构和性质不同的化合物，互称同分异构体。把产生同分异构体的这种现象称
3、为同分异构现象，由于同分异构现象是由构造的不同而引起的，所以也叫做构造异构。,同分异构体数目的推算,以C6H14为例，简要说明异构体的简单推算方法。 先写出最长的直链（无支链）CCCCCC 从最长链上减一个C，用该C做支链在长链上移动位置。, 减少2个C作为取代基，注意这两个C可以是两个甲基，也可以是一个乙基。 若C数较大，则依次减少，直到不能再减为止,三、碳原子的类型,伯、仲、叔、季碳原子 1. 伯碳：一个C原子与另一个C原子直接相连，该C称为伯碳原子，用1表示 2. 仲碳：一个C原子与另二个C原子直接相连，该C称为仲碳原子，用2表示。 3. 叔碳：一个C原子与另三个C原子直接相连，该C称为
4、叔碳原子，用3表示。 4. 季碳：一个C原子与另四个C原子直接相连，该C称为季碳原子，用4表示。,分别与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，则相应称为伯、仲、叔氢原子。,有机物之所以种类繁多，是因为它有数目庞大的同分异构体。如C20的烷烃异构体数有36万多个，因此化合物的名称应与其分子结构一一对应。一个名称只能写出一个结构，而一个结构也只能写出一个唯一的名称。一个化合物的名称不能与其它类似化合物重复和混淆，否则这个命名就毫无意义了。 有机物的命名常用的有习惯法、衍生物法和系统法三种。,2-2、烷烃的命名,习惯命名法（普通法）,1. 按烃中的碳原子数叫“烷”，C10及C10以以下用“天干”数表示（甲、
5、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸），C10以上就用中文“十一、十二”表示。 例：,C4H10 C10H22 C11H24 C20H42,丁烷,癸烷,十一烷,二十烷,2. 在习惯命名法中，为了区别异构体，不含支链的直链，叫“正烷”。,含有一个支链形如,含有两个支链形如,，叫 “异烷”。,，叫 “新烷”。,例：C5H12的三个同分异构体,缺点：C原子数较少时可以采用，若C数较多、支链较多，则无法命名。,正戊烷,异戊烷,新戊烷,衍生物命名法,1. 烷基我们把烷烃去掉一个H原子后剩下的原子团叫烷基，用“R”表示。 例：CH4去掉一个H原子后形成的原子团，CH3，我们称之为甲基。 CH3CH2CH2
6、叫丙基,另外有两个烷基容易混淆。,叫异丙基,A. 不论分子中有多少个碳，一律称为“甲烷”，其它均视为取代基。 如：CH4叫甲烷。而CH3CH3可看作是甲烷中的一个H被一个甲基取代的产物，叫做甲基甲烷。 B. 取代基的书写次序按“由小到大”依次书写，取代基数目用大写中文“二、三”表示，并写在取代基名称前。例：,四甲基甲烷,二甲基乙基甲烷,衍生物命名法的不足,缺点：对C数较多，取代基较多的分子无法命名。如：,3，4，4三甲基3乙基庚烷,系统命名法（IUPAC法）,烷烃的系统命名分直链和支链两种情况。 1. 直链直链烷烃的命名同习惯法，只是不称为“正烷”，而直接称为“烷”。例：CH3CH2CH2CH
7、2CH3 习惯法中称为正戊烷系统法中称为 戊烷,2. 含支链烷烃的命名原则 （1）选主链选取含碳原子数最多的长链为主链，并按主链碳（直链）数命名称“烷”。例：,最长C链有4个C原子，就称“丁烷” ，余下的一个甲基作为取代基。,2甲基丁烷,如果可以选出的两条或两条以上的最长C链（含C数相同），此时则应选使取代基最多的那条C链为主链。例：,最长碳链含6个C，共可选出三条，取代基数分别为2、3、4个，主链应选在使取代基最多的C链上。,2,4-二甲基-3，5-二乙基己烷,（2）主链碳编号,为什么要给主链上的碳原子编上号码呢？ 为了表明取代基所处的位置，所以需要用阿拉伯数字给主链编号，该C的编号即是连在
8、该C上取代基的位置。 编号原则：从最靠近取代基的一端开始给主链编号，并确定各取代基的位置，编号写在取代基名前，中间用一短横隔开，再写在主链名前就形成完整的命名。,（3）主链上连有多个取代基时，编号从最先遇到取代基的一端开始给主链编号，并用中文大写“二、三、四 ”表示同种取代基的数目，取代基位次由“小到大”书写，中间用逗号隔开。如：,无论从左或从右编，均在第2位遇到取代基，此时应以第三个取代基为准，并从使该取代基位置最小的一端编起。,2，4，8三甲基壬烷,（4）当主链上连有不同的烷基时，简单的烷基写在前，复杂的基团写在后面。,3乙基4甲基庚烷,4甲基 3乙基庚烷,烷基大小次序*,不论原子数多少，
9、只要原子序较大，就视为较复杂，若连在主体上的第一原子的原子序数相同，则比较连在第一原子上的第二原子，大者较复杂，以此类推，直到比出大小。,相同取代基合并，标明取代基数和位次； 不同取代基按“次序规则”，优先基团后置,（5）若大小不同的两个烷基连在从两端起相同的位置时，则应使较小的基团有较小的位次。如：,练习：,1,3二甲基戊烷,2,3二甲基戊烷,注意：在烷烃命名中，1位不会出现甲基，2位也不会出现乙基，等等。,2,3,5三甲基4异丙基庚烷,写出下面分子的结构式： 2,4二甲基3,3二异丙基戊烷,系统命名法小结：,1. 选主链 ，称“某烷” （最长碳链） 2. 主链编号 原则 首先是 A. 最低
10、系列，离支链最近的一端作为起点。 其次才是 B. 较小基团有较小位次 3.把支链作为取代基。把取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代基的前面用阿拉伯数字注明它在烷烃主链上的位置，并在号数后连一短线，中间用“”隔开。 4.当有相同的取代基，则相加，然后用大写的二、三、四等数字表示写在取代基前面。但表示相同取代基位置的阿拉伯数字要用“，”隔开；如果几个取代基不同，就把简单的写在前面，复杂的写在后面。烷烃命名是其它类化合物命名法之基础，必须熟练掌握。,名称组成:取代基位置 数字意义：阿拉伯数字： 汉字数字:,烷烃的系统命名：,取代基位置,相同取代基的个数,取代基名称,母体名称,2-3 烷烃的结构,一
11、、甲烷的结构甲烷是烷烃中结构最简单的分子，经现代物理方法测定甲烷的分子为正四面体结构。C原子处于正四面体中心，四个H原子位于正四面体的四个顶点。甲烷中的四个C-H键完全相同。（键角10928，键长为0.110nm),甲烷中碳采用sp3杂化方式（杂化轨道理论，美国 鲍林提出，获1964年诺贝尔奖）,2s 2p 2s 2p sp3杂化轨道,这四个sp3杂化轨道的每个杂化轨道均含有1/4的s成份和3/4的p成份，四个杂化轨道除方向不同外完全相同，这四个杂化轨道分别指向正四面体的四个顶点。,二、碳原子的SP3杂化,sp3杂化轨道与p轨道比较,杂化轨道与末杂化前相比，电子云集中于一端，更利于电子云间的重
12、叠，利于成键。杂化后，杂化轨道数目与杂化前相同，但杂化后整体能量降低，虽然电子激发时要吸收能量，但形成化学键后可放出更多的能量，因此体系的能量降低，就稳定。,1、 键的特点 键:成键电子云沿键轴方向以“头碰头”方式重叠而成的共价键。 在烷烃中的CH、CC键电子云的重叠方式均是沿着键轴的方向重叠而成，成键原子可绕轴旋转，而不影响电子云的重叠。 键的特点：电子云重叠程度最大，键比较牢固，原子在绕轴旋转时，键不会被破坏。由于键可以绕轴自由旋转，所以C2以上烷烃分子构象是无穷的。,三、烷烃的形成,碳原子的sp3杂化轨道与H原子的1s 轨道成键示意图,这种重叠的方式称为“头碰头”重叠，可以进行最大重叠，
13、以这种重叠方式形成的共价键称为键。,2、其他烷烃的形成在烷烃分子中，每个C原子均是sp3杂化的，其中，C原子与C原子之间各以一个sp3杂化轨道重叠形成C-C 键，C原子剩下的sp3轨道再分别与H原子的S轨道重叠形成C-H 键,2- 4 烷烃的性质,一、物理性质 物理性质是有机物性质的一个重要方面。主要指物态、熔点、沸点、密度（比重）、溶解度、折光率等等，这些数据是鉴定一个化合物的常规数据，叫做物理常数。 部分直链烷烃的物理常数列于书中P20，表22中。,1、物态：指物质的状态（固、液、气态）、颜色、气味等。 在常温下，C1C4的烷烃是气体，C5C16为液体，C16以上为固体。直链烷烃随分子量增
14、大而发生物态变化与卤素相似。F2、Cl2气体，Br2液体，I2固体。 2. 熔点：直链烷烃的熔点（丙烷除外），基本上是随着分子量的增加而升高，且分子的对称性越好，熔点则较高，并且偶数碳烷烃熔点升高比奇数碳烷烃升高要快。,直链烷烃的熔点与分子中所含碳原子数目的关系,3. 沸点：直链烷烃沸点随C数增加而升高，并且相邻两同系物间的沸点差随分子量增加而减小，并趋于稳定。在同碳数烷烃的异构体分子间，直链烷烃沸点较高，支链越多，沸点越低。因为在烷烃中（极性很小），分子间作用力主要是色散力，分子间距离越近，分子量越大，则分子间引力就越大，其沸点就高。当分子带支链时，分子间不能充分地靠近，所以沸点低于相应碳数
15、的直链烷烃,4. 相对密度：烷烃的相对密度都小于1，基本上随分子量的增加而增加，但当C15以后，相对密度变化不大，其极限值大约在0.8附近。相对密度的变化规律与沸点相似，分子结构中支链增多，则分子间不能相互靠近，色散力较小，同样数目的分子则占用较大的空间，因而相对密度较小。 5. 溶解度：遵循“相似相溶原理”分子量相近，极性相似，则易互溶。烷烃是非极性分子，只能溶于弱极性的苯、醇、醚及无极性的CCl4、CS2等溶剂中。,二、化学性质,烷烃的化学性质不活泼，在室温下与强酸（浓H2SO4、HNO3）、或强碱（NaOH、KOH）、强氧化剂（KMnO4、K2Cr2O7）等化学试剂都不反应。 这是因为烷
16、烃中的CC键、CH键是结构牢固的单键，断开时需要吸收较多能量，故烷烃的性质较为稳定，但也绝不是不能断开，在特定的条件下，如高温、光照条件下，可断开键发生一些反应。,1、卤代反应,烷烃在通常条件下不易发生反应，但在光照或高温条件下，烷烃中H原子可被卤素原子取代，生成卤烷。在有机化学中，有机物中的H原子被其它原子或原子团取代的反应，叫取代反应。如H被卤素取代的反应叫卤代反应。 由于F2性质非常活泼，与烷烃在黑暗中即发生爆炸性反应，不易控制。 碘代反应十分缓慢，均不实用。烷烃的卤代一般是指氯代或溴代。,A、甲烷的氯代,甲烷（低级烷烃）与氯气混合后在直射光照射下，发生爆炸性的剧烈反应，生成HCl和炭黑
17、，反应不能控制该反应中生成的炭黑是黑烟状的一种颗粒极细的炭。,该反应在漫射光的照射下，可以发生较为温和的反应，控制CH4和Cl2的量可生成一系列的卤代烷化合物。,在实验中，反应难以控制，反应产物是这些物质的混合物，无实用价值。在工业中则可以通过控制反应条件、试剂用量来达到使某一种氯代产物为主的目的。,CH4：Cl210:1时，主产物是 CH3Cl CH4：Cl20.26:1时，主产物是 CCl4 利用CH4的 b.p. = 161.5、CH3Cl的 b.p.=24.2 很容易将两者分开。 氯代反应的反应活性：（F）Cl Br（I）,B、氯代反应机理 _自由基反应机理,通过对反应速度的研究，人们
18、认为甲烷氯代反应机理是分以下几步进行的。 首先氯在光的照射下，发生均裂生成两个氯自由基，而氯的这种状态是非常活泼的，非常容易形成8电子的稳定结构。,为了形成8电子的稳定结构， Cl夺取CH4中的一个H原子生成HCl，同时生成一个 CH3 。CH3也很活泼，它夺取Cl2中一个Cl原子生成CH3Cl和一个新的 Cl。,在两步反应中，每一步都生成一个新自由基，反应在间循环传递。在第步中生成的CH3，在第步中消耗但又生成一个Cl， Cl自由基重复第步反应。象这样每一步反应都生成一个新的自由基，使下一步反应可以不间断地进行下去，这样的反应叫链式反应、链反应或连锁反应。,随着第反应的进行，Cl2、CH4不
19、断消耗，Cl和CH3相对较多而发生碰撞使Cl和CH3同时失活。,反应中产生的活性物质引发和整个反应，反应称为链引发 “链引发”步骤；反应链的维持是依靠反应的重复进行，反应称为链增长（链传递）步骤；反应使反应物失活，使反应终止，反应称为“链终止”。所有的链反应都要经过这三个步骤。,在CH4氯代反应中，当CH3Cl达到一定浓度后，Cl还可以与CH3Cl反应，产生氯甲基自由基（CH2Cl）。,只要Cl2的量足够，反应可以一直进行下去直到生成CCl4，因此CH4氯代时，反应得到的是多个产物的混合物。,C、 伯、仲、叔氢的反应活性,在氯代反应中，H的活性顺序是：叔H 仲H 伯H 这个顺序与“叔丁基自由基
20、 仲丁基自由基 正丁基自由基”的稳定性顺序相同。 在这里同学们先记住这个顺序，其原因将在以后的课程中学到，当生成的自由基越稳定，相对越易失去其上的H原子，则相应的H原子就越活泼。,二、氧化反应,1. 完全氧化燃烧低级烷烃在空气中可以点燃，燃烧生成CO2和H2O。如：CH42O2CO2H2O一些烷烃因为燃烧相对缓和，而常被用作燃料，如汽油是C7C8的烷烃，柴油是C15C19的烷烃。在有机反应中，氧化是一个很宽的概念，不仅分子中加入氧叫氧化，分子中脱去氢也叫氧化。相应的分子中加氢去氧叫还原。,爆炸极限烷烃的完全氧化就是与氧发生剧烈的氧化反应，同时放出大量的热，使产生的气体膨胀，可以用来作功。低级烷
21、烃的蒸气与空气混合达到一定比例，遇到明火或火花就会发生剧烈爆炸，这一比例范围就称为该化合物的爆炸极限。例如：甲烷的爆炸极限为5.314。,甲烷的爆炸极限为5.314，当甲烷与空气混合的浓度低于5.3，则混合物既不燃烧也不爆炸，当甲烷的浓度高于14，可以燃烧但不会发生爆炸性反应。 在煤矿中，CH4（瓦斯、瓦斯气）积累到一定量遇明火或达到足够的温度就发生剧烈的爆炸引起事故。 一些内燃机（汽油机、柴油机）也是利用烷烃燃烧产生的能量来工作,2. 部分氧化 _ 控制氧化,烷烃与O2在一定温度下，用特殊的催化剂催化，则可以将烷烃氧化成醇、醛或羧酸。 甲烷在NO催化下，于600下用空气氧化可以生成甲醛。,三
22、、裂化反应,裂化反应是大分子烃在高温、高压或有催化剂的条件下，分裂成小分子烃的过程。裂化反应属于消除反应，因此烷烃的裂化总是生成烯烃。如十六烷(C16H34)经裂化可得到辛烷(C8H18)和辛烯(C8H16) 在工业中，深度的裂化叫做裂解,2-5 重要的烷烃甲烷,烷烃的主要来源是石油和天然气，由于烷烃的制取成本较高（一般要用烯烃催化加氢），所以在工业上不制取烷烃，而是直接从石油中提取。 甲烷是最简单的烷烃，甲烷是无色、无味、无毒、比空气轻的可燃气体。 瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。,甲烷的化学性质,甲烷的受热分解： 在隔绝空气并加热至1000的条件下，甲烷分解生成炭黑和氢气 CH C+2H甲烷的裂解,高温,
