当前位置:首页 >> 化学 >>

烷烃


烷 烃

第二章
(一) 烃的定义

烷烃 (Alkane )

? 分子中只含有C、H两种元素的有机化合物叫 碳氢化合物,简称烃.
(二) 烃的分类: (1)开链烃(链烃),又叫脂肪烃. 可分为:烷烃 、烯烃 、二烯烃 、炔烃等 (2)闭链烃(环烃). 又分为:脂环烃和芳香烃两类.

2.1 烷烃的通式,同系列和构造异构

(1)烷烃 —又叫饱和烃,由于石蜡是烷烃的混合物,故
烷烃也称石蜡烃. 例如:甲烷,乙烷,丙烷,丁烷(正丁烷,异丁烷),戊烷 (正戊 烷,异戊烷,新戊烷)...... 名称 甲烷 分子式 CH4 构造式 构造式的简写式 CH4

乙烷

C2H6

CH3CH3

名称 丙烷

分子式

构造式

构造式的简写式

C3H8

CH3CH2CH3 CH3(CH2)2CH3

丁烷

C4H10

戊烷

C5H12

CH3(CH2)3CH3

Name Methane(甲烷) Ethane(乙烷)

Condensed Structure 甲基: -Methyl CH4 CH3CH3

Propane(丙烷)
Butane(丁烷) Pentane Hexane Heptane Octane Nonane Decane Undecane Dodecane

CH3CH2CH3
CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2)3CH3 CH3(CH2)4CH3 CH3(CH2)5CH3 CH3(CH2)6CH3 CH3(CH2)7CH3 CH3(CH2)8CH3 CH3(CH2)9CH3 CH3(CH2)10CH3

(2)烷烃的通式 —— 直链烷烃分子中,一个或几
个-CH2-基团(亚甲基)连成碳链,碳链的两端再连 有两个氢原子,因此直链烷烃的通式可写为:
H-(-CH2-)n-H 或: CnH2n+2 ? 乙烷可看成甲烷的一个氢原子被甲基-CH3取代; ? 丙烷可看成乙烷上的一个H被甲基-CH3取代; ? 丁烷可看成丙烷的一个H被甲基 -CH3 取代:

? 同分异构体 ——由于分子式相同,但它们的构造 不同(分子中各原子相连的方式和次序不同). 又叫构 造异构体。
?它们是两种不同的化合物.物理性质一定的差异. 直 链烃的沸点比带有支链的构造异构体的高(表2-1).

如:正丁烷的沸点:- 0.5℃,熔点:- 138.3℃, 异丁烷的沸点:- 11.7℃,熔点:- 159.4℃,

?戊烷可看成是正丁烷和异丁烷上的一个 H被甲基CH3 取代的产物: (正戊烷,异戊烷,新戊烷)......

?随着碳原子数的增加,烷烃的构造异构体的数目也越 多.庚烷C7H16有9个构造异构体,辛烷C8H18有18个. ?部分异构体的物理性质差异见表2-1. (3)同系物 烷烃的通式 CnH2n+2, 直链烃的通式可写为:

H-(-CH2-)n-H
?同系物—在组成上相差一个或多个 CH2,且结构和性质
相似的一系列化合物称为同系列.同系列中的各化合物互 称同系物. (表2-1中的化合物都是烷烃同系列中的同系物)

?系差—同系列相邻的两个分子式的差值 CH2 称为系差.

(4)烷烃中碳原子的分类:
?伯碳原子(第一碳原子),用“1? ”表示 ; ? 仲碳原子(第二碳原子),用“2? ”表示 ; ? 叔碳原子(第三碳原子),用“3? ”表示 ; 与伯,仲,叔碳原子相连的H原子,分别称为 伯,仲,叔H原子 ? 季碳原子(第四碳原子),用“4? ”表示 。 如:

? 伯碳原子(第一碳原子)

? 仲碳原子(第二碳原子) ? 叔碳原子(第三碳原子) ? 季碳原子

(5)烷基
——烷烃去掉一个氢原子后的原子团.常用R-,或 (CnH2n+1-)表示,所以烷烃又可用通式RH表示. ? 正烷基 :对去掉一个直链烷烃末端氢原子所得的原 子团.命名时“正”字常用n-代表. ?甲基,乙基; ?正丙基CH3CH2CH2-: n-丙基 ? 仲烷基 :去掉一个仲氢原子所得的烷基. 用“sec-”表示. ? 仲丁基 CH3CH2CH- , sec-丁基 CH3

? 异烷基: 而 CH3CH(CH2) n- (n?0) 型的烷基叫异烷基 CH3 用“iso-”表示. ?iso-异丙基 ?iso-异戊基 CH3CHCH2CH2CH3 ? 叔烷基: 去掉一个叔氢原子所得的烷基. 用“t-”或“tert-”表示. CH3 叔丁基: CH3-Ct-丁基 CH3

?叔戊基:
CH3 CH3-CH2-CCH3 ?新戊基: CH3 CH3-C-CH2CH3 t-戊基

? 部分烷基的英文表示:
? 烷基(Alkyl)——烷烃分子中从形式上消除一个氢的 部分,通常用 R- 表示,英文 用 “ yl ” 替代 “ ane ”
? ? ? ? ? ?

Methane —— Methyl Ethane —— Ethyl n-Propane —— n-Propyl CH3CH2CH3 n-Butane —— isopropyl n-Butyl

CH3CH3CH2CH3CH2CH2(CH3)2CHCH3CH2CH2CH2CH3CH2CHCH3

Me Et n-Pro i-Pro n-Bu sec-Bu

CH3CH2CH2CH3 sec-Butyl

?
?

iso-Butane—— iso-Butyl
(CH3)2CHCH3 tert-Butyl

(CH3)2CHCH2(CH3)3C-

i-Bu
tert-Bu

常用基团的英文简写

Et—乙基;Pr—丙基;i-Pr—异丙基;n-Bu—正丁基
t-Bu—叔丁基(三级丁基);Me—甲基;Ar—芳基 Ph—苯基;Ac—乙酰基;R—烷基

2.2 烷烃的命名
一. 习惯命名法

?最早根据碳原子数命名:甲烷,乙烷,丙烷..... ? 支链烷(异构体) CH3 CH3CHCH2CH3 异戊烷 CH3 CH3-C-CH3 CH3 新戊烷

CH3CH2CH2CH2CH3

正戊烷

二、衍生物命名法
H CH3-C-CH3 CH3 异丁烷 三甲基甲烷 H CH3-C-CH2CH3 CH3 异戊烷 二甲基乙基甲烷 CH3 CH3-C-CH3 CH3 新戊烷 四甲基甲烷

三. 系统命名法(IUPAC)

(1) 直链烷烃按碳原子数命名
? 10以内:依次用天干:甲乙丙丁戊己庚辛壬癸(gui) . ? 10以上:用中文数字:十一....烷.

(2)带有支链的烷烃

?选择主链 ——把构造式中连续的最长碳链--作为母
体称为某烷.若最长碳链不止一条,选择其中含较多支 链的为主链. 例1:

最长连续碳链有八个碳原子,该化合物母体的名称为辛烷

例2:

六个碳的主链上有四个取代基

六个碳的主链上有两个取代基

带有支链的烷烃编号:
按最接近取带基的一端开始将主链碳原子用阿拉伯 数字1,2,3...编号. (使取代基的位次最小)

编号正确

编号不正确

?命名取代基(1): a:把它们在母链上的位次作为取代基的前缀,2-甲基... b:有不同取代基时,简单的放在前面,复杂的放在后面; c:相同的取代基可以合并,但应在基团名称之前写明位 次和数目,数目用二,三,四.....表示. d:位次数字之间须用逗号“,”隔开,位次与基名之间需 用短线“-”相隔。最后一个基名和母体名称直接相连。

?命名取代基(2):

取代基: 3-甲基 5-乙基

取代基: 2,5-二甲基 3,4-二乙基

例1:
CH2CH3 CH3CHCH2CHCH2CH3 CH2CH2CH3
1

3-甲基-5-乙基辛烷 (注意编号)

例2:
CH3CH2CH -CHCH2CH3 CH3-CH CHCH3 2,5-二甲基-3,4-二乙基己烷 CH3 CH3 (注意主链)
1

例3:
1

CH3CH-CHCH2CHCH2CH3 CH3 CH3 CH2 CH-CH3 CH3
2,3,7-三甲基-5-乙基辛烷

2.3 烷烃的结构 2.3.1 甲烷的结构和 sp3杂化轨道
Stuart模型

甲烷的球棒模型

?sp3杂化轨道

一个s轨道与三个p轨道形成四个sp3杂化轨道

甲烷的四个C-H ?键

? ?键 ——凡是成键电子云对键轴呈圆柱形对称的 键均称为 ?键.以 ?键相连的两个原子可以相对旋转 而不影响电子云的分布.

2.3.2 其它烷烃的结构

?乙烷的C- C ?键

Stuart模型

乙烷分子中C-C?键(C-H?键用直线表示)

其他烷烃:据测定,除乙烷外,烷烃分子的碳链并不排 布在一条直线上,而是曲折地排布在空间。这是烷烃碳 原子的四面体结沟所决定的。如丁烷的结构:

烷烃分子中各原子之间都以σ键相连接的,所以两个碳原子 可以相对旋转,形成了不同的空间排布。实际上,在室温下 烷烃(液态)的各种不同排布方式经常不断地互相转变着。

注意:键线式书写烷烃的分子结构:
?为了方便,只要写出锯齿形骨架,用锯齿形线的 角 (120? )及其端点代表碳原子.不写出每个碳上所连的氢 原子.但其它原子必须写出.

2.4 烷烃的构象 2.4.1 乙烷的构象 (1) 球棒模型(一)

乙烷的交叉式构象

(1) 球棒模型(二)

乙烷的重叠式构象 重叠式、交叉式构象比较

(2)透视式表示乙烷的构象

重叠式构象

交叉式构象

(3)纽曼投影式

重叠式构象

交叉式构象

重叠式

重叠式

12.6kJ/mol

交叉式

交叉式

交叉式

乙烷分子各种构象的能量曲线

2.4.2丁烷的构象 丁烷的结构(模型)

2.4.2丁烷的构象




丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化

丁烷C(2)-C(3)键旋转引起的各构象的能量变化

2.5 烷烃的物理性质
(1)沸点(直链烷烃)

?直链烷烃— 随着烷烃相对分子量的增加,分子间
的作用力也增加,其沸点也相应增高。

(1-2)沸点(带支链的烷烃) ? 同数碳原子的构造异构体中——支链增多,则分子趋 向球形,使分子不能像正烷烃那样接近,分子间作用 力也就减弱,所以在较低的温度下,就可以克服分子 间引力而沸腾。
?同数碳原子的构造异构体中,分子的支链越多,则 沸点越低。 例如: 正丁烷的沸点:- 0.5℃ 异丁烷的沸点:- 11.7℃

(2)熔点
? 基本上随分子量 的增加而增加。 (奇数和偶数碳) ? 烷烃的熔点变化: 是因为晶体分子 直链烷烃的熔点与分子中所含 间的作用力不仅 碳原子数目的关系 取决于分子的大 小,也取决于他们在晶格中的排列。 分子的对称性增加,它们在晶格中的排列越紧 密,熔点也越高。

例: (正戊烷-129.8 ℃ ,异戊烷-159.9 ℃,新戊烷-16.8 ℃)

(3)相对密度: 随着相对分子量的增加而有所增加, 最后接近0.8左右.

— 作用力随着分子质量的增加而增加,使分子间 的距离相对地减少的缘故。

(4)溶解度 — 当溶剂分子之间的吸引力和溶质分子之间,以及溶剂 分子与溶质分子之间的相互吸引力相近时,溶解容易进 行。

氯化钠的溶剂比
? 烷烃不溶于水,而易溶于四氯化碳—“结构相似者相溶”

2.6 烷烃的化学性质
?烷烃为不活泼有机物。石油醚(C5~C6的烷烃),汽油, 煤油等作为溶剂;凡士林(C18~C34的烷烃)润滑剂. 2.6.1 氧化反应 ?燃烧: CH4 + 2O2 ? CO2 + 2H2O ??=-881kJ/mol CH3CH3 + 7O2 ? 4CO2 + 6H2O ??=-1538kJ/mol ?高级脂肪酸:RCH2CH2R’ + O2? RCOOH + R’COOH
条件:催化剂KMnO4,MnO2或脂肪酸锰.120℃,1.5~3MPa

其中C10~C20的脂肪酸可代替天然油脂制取肥皂. CH3 2.6.2 异构化反应 AlBr3+HBr,27℃ ?CH3CH2CH2CH3 CH3-CH-CH3 20% 80%

2.6.3 裂化反应

?裂化——在高温下使烷烃分子发生裂解的过程。
CH3CH2CH2CH3?混合物 (较低级的烯,烷,H2)

?热裂化反应——通常在5MPa及500~600℃下进行的裂
化反应。

?催化裂化 ——在催化剂存在下的裂化.碳链断裂的同
时伴有异构化,环化,脱氢等反应,生成带有支链的 烷烃,烯烃和芳香烃等。催化裂化一般在450~500 ℃ , 常压下进行。能提高汽油的质量(高辛烷值,2,2,4-三甲 基戊烷为100)。 ? 裂解——在更高温度下(>700℃)进行深度裂化,这 种以得到更多低级烯烃(乙烯,丙烯,丁烯等)为目 的的裂化过程,叫“裂解”。

2.6.4 取代反应 (1)甲烷的氯代反应 (自由基取代)

CH4 + Cl2 ? CH3Cl ? CH2Cl2 ? CHCl3 ? CCl4
(2)其它烷烃的氯代反应— 伯,仲,叔氢原子的反应活性

丙烷氯代反应:
Cl CH3CH2CH3 25℃,CCl4 CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3 正丙基氯43% 异丙基氯57% 设:伯氢原子活泼性为1,仲氢原子相对活泼性为x:
Cl2 光

57/43=2x/6

x=4

*异丁烷氯代反应:
CH3 CH3 CH3 CH3CH + Cl2 ? CH3-C-Cl + CH3-CH CH3 CH3 CH2Cl 叔丁基氯36% 异丁基氯64% ?设y为叔氢原子的相对活泼性 则: 36/64 = y/9 y=5.06
产物混合,复杂,一 般不用氯代来制备卤 代烃

则在室温下伯,仲,叔氢原子的反应活性:1:4:5.
[补充]--高温下逐渐接近1:1:1.

(3)烷烃与其它卤素的取代反应 CH3 CH3-CH CH3 + Br2
光 127℃

CH3 CH3 CH3-C-Br + CH3-CHCH2Br CH3 痕量 99%

?仲,叔氢原子的反应活性:1:82:1600.溴更具有选择性.

? 与氟反应剧烈,不易控制,会引起爆炸.
? 烷烃与碘作用得不到碘代烷.
产物单一,可用溴代 来制备卤代烃

? 写出下列反应的主要产物:
例题1

Br

CH3CH2CH3
例题2

Br2


CH3CHCH3

CH3

Br2


CH3 Br

2.7 甲烷氯代反应历程 (1)链的引发: Cl?Cl + 能量 ?Cl· Cl· + (氯原子,氯自由基)

(2)链增长(链传递): Cl· H?CH3 ? HCl + · 3 (甲基自由基) + CH · 3 + Cl2 ? CH3Cl + · CH Cl ................ (3)链终止: Cl· Cl· Cl2 + ? · 3 + · 3 ? CH3CH3 CH CH Cl· · 3 ? CH3Cl + CH ................

2.8 甲烷氯代反应过程的能量变化 ——反应热、活化能和过渡态 (1) 反应热—反应物与产物之间的能量差(?H).负值为 放热.用键离解能估算. ? CH3-H + Cl-Cl ? CH3-Cl + H-Cl
435 243 349 431

678

780

?H=678-780= -102 kI/mol

? CH3-H + Br-Br ? CH3-Br + H-Br
435
627

192

293
659

366

?H=627-659= -32 kI/mol

说明:比较反应热 ,溴代反应比氯代反应缓慢.

(1)
(2) (3)

Cl-Cl ? 2Cl·
243

?H= + 243 kI/mol

Cl· H-CH3 ? H-Cl + · 3 + CH
435 431

?H= + 4 kI/mol
349 ?H= -106 kI/mol

CH3· Cl-Cl ? CH3-Cl + · + Cl
243

?活化能--过渡态与反应物之间的能量差是形成过渡态所必须 的最低能量,也是使该反应进行所需的最低能量,叫活化能.

Cl · H-CH3 ?[H3C…H…Cl] ? H-Cl + · 3 + CH 反应的能量变化

?CH3 · Cl-Cl ? [CH3…Cl…Cl] ? CH3-Cl + · + Cl
?H= -106 kI/mol

能量变化
110 kJ/mol

2.9 一般烷烃的卤代反应历程 (1)链的引发: X2 ? 2X · (光或热) (2)链增长(链传递): X· RH ? HX + R· + R· X2 ? RX + X· + ................ (3)链终止:

X·+ X· X2 ? R· X· RX + ? R · R · R-R + ?

从丙烷开始,一氯代产物就不止一种。 ?氯自由基可以分别夺取伯,仲,叔氢原子形成伯,仲,叔烷基 自由基,进一步可生成不同的一氯代产物. ?从各键的离解能来看:形成各烷基自由基所需的能量: (1) CH3-H ? CH3 ? + H? D=435kJ/mol (2) CH3CH2CH2-H?CH3CH2CH2 ? + H ? D=410kJ/mol (3) CH3-CH-H ? CH3-CH ? + H ? D=395kJ/mol CH3 CH3 CH3 CH3 (4) CH3-C-H ? CH3-C ? + H ? D=380kJ/mol CH3 CH3

?从各键的离解能来看:形成各烷基自由基所需的能量: · 3> 1?R · CH (伯烷基自由基) > 2 ?R · 3 ?R · > ?烷基自由基的稳定次序:
3 ?R · 2 ?R · 1?R · · 3 > > > CH ------- 越稳定的自由基越易生成. ? 伯,仲,叔氢原子活泼性 (即氢被夺取的容易程度) 3 ?H > 2 ?H > 1 ? H

2.10 烷烃的天然来源
(1) 石油(分馏产物); (2) 天然气 干天然气--甲烷86%~99%(体积) 湿天然气--甲烷60%~70%,还含有一定的乙烷, 丙烷,丁烷等气体. (3) 油田气--低级烷烃,如甲烷,乙烷,丙烷,丁烷和戊烷等; (4) 煤层气,沼气--甲烷等; (5) 甲烷冰.


相关文章:
烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃的比较
烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃的比较 - 烷烃 结构简式 CH4(正四面体) 空间型 烯烃 CH2=CH2 平面型 炔烃 CH=CH 直线型 芳香烃 通式 颜色 溶解度 密度 熔沸点 ...
烷烃的命名练习题
烷烃的命名练习题 - 课时作业(三) 一、选择题 1.已知下列两个结构简式:CH3—CH3 和 CH3—,两式中均有短线“—”, 这两条短线所表示的意义是( A.都表示...
烷烃与烯烃
烷烃与烯烃一、烷烃和烯烃物理性质: 随着分子中碳原子的递增 1.沸点逐渐___ 2.相对密度逐渐___ 3.常温下的状态:气态→液态→固态。 二、典型代表物的结构 ...
第二章烷烃
第二章烷烃 - 第二章 H H C H C H H C H H C H H C H H C H 烷烃 简化式 [问题 2—1]:请写出庚烷 C7H16 的同分异构体构造式和简化式 ...
高一化学烷烃
高一化学烷烃 - 第一节 三维目标 知识与技能: 最简单的有机物--烷烃(第 2 课时) 1、使学生认识烷烃同系物在组成、结构式、化学性质上的共同点以及物理性质...
烷烃的同分异构体的书写
烷烃的同分异构体的书写 - 烷烃的同分异构体的书写 【学习目标】 1 掌握烃基的概念及简单烃基的书写,根和烃基的区别。 2 理解同分异构体的概念,理解等效氢和...
烷烃知识点总结
烷烃知识点总结 - 1 第一节 一、甲烷的存在和能源 烷烃 甲烷 (1)甲烷是由 C、H 元素组成的最简单的烃,是含氢量最高的有机物。是天然气、沼气、油田气、...
烷烃的性质与计算(第一轮专题)
烷烃的性质与计算(第一轮专题) - 烷烃的性质与计算 1.下列叙述不正确的是( ) B. 烷烃分子中一定含有 C—C 键和 C—H 键 D. 1 mol 辛烷 (C8H18)中...
烷烃
烷烃一、选择题 1.下列叙述错误的是( ) A.同系物之间在化学性质上相似 B.同系物不可能是同分异构体 C.同系物之间的物理性质随分子里碳原子数的递增,呈规律性...
烷烃同分异构体书写的程序与技巧
烷烃同分异构体书写的程序与技巧 同分异构体的书写或数目的确定是有机化学的热点习题之一,也是有关竞赛、高考命题的热点 之一,书写时如何做到快速、不重复、不漏...
更多相关标签: