第02章 饱和烃

烃(Hydrocarbon)烷烃(Alkane)：分子中所有化学键都是单键的开链烃脂肪烃(Aliphatichydrocarbon)：烷烃的别称苯(芳香族)乙烷(脂肪族)环己烷(脂环族)烃：只含有碳(Carbon)和氢(Hydrogen)两种元素的化合物烷烃的构造异构(1)C2H6(1)C3H8(1)CH4(1)直链烷烃(正构烷烃)Straight-chain(normal)alkaneC4H10(2)支链烷烃Branched-chainalkane构造异构(Constitutionalisomerism)分子中的原子因连接次序和方式不同而产生的异构烷烃的构造异构(2)C5H12(3)构造异构体(Consititutionalisomers)烷烃构造异构(3)75C10H222C4H10366,319C20H423C5H124,111,846,763C30H625C6H14C9H20C8H18C7H16分子式35189异构体数目1C3H81CH41C2H6异构体数目分子式ThenumberofCnH2n+2(Generalformula)isomershasbeencalculatedforvaluesofnfrom1to400andthecommentmadethatthenumberofisomersofC167H336exceedsthenumberofparticlesintheknownuniverse(1080).FrancisCarey:OrganicChemistry,Chapter2,4thed构造异构的种类骨架异构官能团异构位置异构烷烃的同系列同系列(Homologousseries)在组成上相差一个或几个CH2，且结构和性质相似的一系列化合物同系物(Homolog)构成同系列化合物(CH2为系差)同系物非同系物同系物烷烃分子中不同环境的碳伯Primary(1)仲Secondary(2)叔Tertiary(3)季Quaternary(4)烷烃分子中不同环境的氢伯氢叔氢仲氢烷烃的命名－概述前缀母体后缀化合物系统名称的构成IUPAC(国际纯粹与应用化学联合会)InternationalUnionofPureandAppliedChemistry烷烃的命名－直链烷烃甲烷(1)，乙烷(2)，丙烷(3)，丁烷(4)，戊烷(5)己烷(6)，庚烷(7)，辛烷(8)，壬烷(9)，癸烷(10)十一烷(11)，十二烷(12)，十三烷(13)，十四烷(14)Tritriacontane33Tricosane23Tridecane13Propane3Nonacontane90Nonacosane29Nonadecane19Nonane9Heptacontane70Heptacosane27Heptadecane17Heptane7Pentacontane50Pentacosane25Pentadecane15Pentane5Dotriacontane32Docosane22Dodecane12Ethane2Hectane100Triacontane30Icosane20Decane10Octacontane80Octacosane28Octadecane18Octane8Hexacontane60Hexacosane26Hexadecane16Hexane6Tetracontane40Tetracosane24tetradecane14Butane4Hentriacontane31Henicosane21Undecane11Methane1烷烃的命名－直链烷基BuPrEtMe缩写戊基(Pentyl)－CH2CH2CH2CH2CH3丁基(Butyl)－CH2CH2CH2CH3丙基(Propyl)－CH2CH2CH3乙基(Ethyl)－CH2CH3甲基(Methyl)－CH3名称烷基(Alkyl)烷烃的命名－支链烷烃2-甲基戊烷新己烷新戊烷异戊烷异丁烷烷烃的命名－支链烷基1,2-二甲基丙基异丙基(Isopropyl)异丁基(Isobutyl)仲丁基(sec-Butyl)叔丁基(tert-Butyl)烷烃的命名－复杂烷烃(1)(3-甲基己烷)(2-甲基-3-乙基己烷)(3-甲基-4-乙基庚烷)(4,7-二甲基-3-乙基壬烷)烷烃的命名－复杂烷烃(2)3-甲基-5-乙基-4-叔丁基庚烷2,3,5-三甲基-4-丙基庚烷烷烃的结构－杂化轨道理论1931年，鲍林(Pauling，美国量子化学家)(Nobelprizeinchemistryin1954,Nobelpeaceprizein1962)提出了杂化轨道理论在形成分子时，同一原子中不同类型、能量相近的原子轨道（波函数）能重新组合成一组新的轨道，这个过程称为杂化，新形成的轨道称为杂化轨道。杂化轨道在空间的分布使电子云更加集中，成键时重叠程度更大，成键能力更强，形成的分子更加稳定。碳原子sp3杂化轨道的生成电子跃迁杂化sp3轨道碳原子sp3轨道三维图甲烷的生成及结构参数处于sp3杂化状态的碳，每个sp3轨道和一个氢原子的1s轨道重叠，生成一个C－H键键能438kJ/mol甲烷、水和氨分子结构的比较CNO乙烷的生成及结构参数键能C—C376kJ/molC—H420kJ/mol乙烷的构象－交叉式构象(Conformation)分子中的原子或取代基绕-键旋转在空间产生的不同排列方式交叉式构象乙烷的构象－重叠式重叠式构象构象与能量的关系丁烷的构象对位交叉式(Anti)部分重叠式(Eclipsed)邻位交叉式(Gauche)全部重叠式(Eclipsed)丁烷构象能量图烷烃的物理性质熔点：物质固液两相平衡时的温度沸点：物质的饱和蒸气压等于外界压力时的温度溶解度：两种以上的物质能够均匀混合形成一相时的最大浓度物理性质与分子间力存在着直接的关系分子间力－取向力偶极分子之间的作用力(Dipole-dipoleforce)分子间力－诱导力极性分子非极性分子极性分子和非极性分子间的作用(Induceddipoleforce)分子间力－色散力氦原子的极化非极性分子间的作用(Londondispersionforce)烷烃分子的大小对沸点的影响烷烃分子的形状对熔点和沸点的影响烷烃的溶解度对任何物理或化学过程：G：吉布斯函数变H：焓T：温度S：熵（混乱度）在等温等压条件下若G<0则过程自发进行对一个溶解过程，S>0；若溶剂和溶质具有相似的分子结构，则H0，那么G<0，溶解过程可以自发进行－相似相溶(Likedissolveslike)。Afamiliarphysicalpropertyofalkanesiscontainedintheadage“oilandwaterdon’tmix.”烷烃的化学性质－氧化可用烷烃的燃烧热判断烷烃的相对稳定性烷烃的反应－裂化热解：有机物在高温下的分解裂化：烷烃的热解称为裂化（500～600C）催化裂化：在催化剂存在下进行的裂化裂解：在700℃以上进行的裂化烷烃的反应－甲烷的氯代取代反应分子中的原子或原子团被其它原子或原子团代替的反应烷烃的氯代－不同氢的活性不同环境的氢有不同的活性烷烃氯代时不同氢的活性比为：3氢2氢1氢＝541h43%57%64%36%h烷烃的溴代反应的活性：Cl2Br2反应的选择性：Br2Cl2反应机理－共价键的断裂与生成均裂－自由基(中间体)异裂－离子(中间体)自由基反应离子型反应反应机理反应从反应物开始经由中间体到生成产物的全过程自由基反应的三个阶段链引发链增长链中止共价键的解离能与自由基反应活性的关系438kJmole－1420kJmole－1390kJmole－1401kJmole－1自由基的稳定性－三类氢的活泼性和溴的选择性脂环烃的异构及命名脂环烃的异构形式环的大小的不同；取代基数目的不同；取代基位次的不同；空间排列的方式不同。2,4-二甲基-1-乙基环己烷环戊烷甲基环丁烷乙基环丙烷1,1-二甲基环丙烷顺-1,2-二甲基环丙烷反-1,2-二甲基环丙烷环烷烃的反应小环烷烃的反应环丙烷的结构－弯曲键环丙烷的构象所有的C－H键都处于重叠的位置环丁烷的构象C－H键并不处于完全重叠的位置环戊烷的构象所有的C－H键都处于交叉式的位置所有化学键的夹角都是109.5环己烷的构象直立键(a键)与平伏键(e键)环己烷构象的翻转Ring-flip取代环己烷的稳定性规则最大的基团尽可能在e键上尽可能多的基团在e键上（注意顺反异构现象）Ring-flipMorestableLessstable取代环己烷最稳定的构象取代环己烷最稳定的构象Ring-flipMorestableLessstable葡萄糖的开链和环状结构D-葡萄糖-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖自然界中的六元环结构－淀粉自然界中的六元环结构－纤维素核糖核酸(RNA)DNA(脱氧核糖核酸)环己烷的船式构象