第二章 烷 烃（课件）-《有机化学》同步教学（武汉大学出版社）

第二章 烷 烃 只含有碳和氢两种元素的有机化合物称为碳氢化合物，简称为烃 （音ting)。烃又可分为脂肪族烃、脂环族烃和芳香族烃。脂肪烃也称为开链烃，它又分为饱和烃和不饱和烃两类。饱和烃又叫烷烃，其分子中碳碳原子和碳氢原子间都是以共价单键结合。 主要内容 2.1 烷烃的通式、同系列和构造异构 2.2 烷烃的命名 2.3 烷烃的性质 2.4 烷烃的来源和用途 2.1 烷烃的通式、同系列和构造异构 1. 烷烃的通式 在烷烃分子中，碳原子和氢原子之间存在特定的数量关系，随着烷烃中碳原子个数的增加，氢原子也按一定的关系递增。 名称 分子式 碳原子数 氢原子数 甲烷 CH4 1 4 乙烷 C2H6 2 6 丙烷 C3H8 3 8 丁烷 C4H10 4 10 戊烷 C5H12 5 12 … … … … 表2-1 烷烃分子中碳氢原子间的数量关系 2. 烷烃的同系列 在烷烃中，任意两个相邻的分子之间，其组成上都相差一个－CH2结构，－CH2即为烷烃的系差。 像甲烷、乙烷、丙烷等一些结构相似，具有同一通式，在组成上相差一个或多个系差的一系列化合物叫做烷烃的同系列。同系列中的各化合物互称为同系物。同系物具有相似的结构，因此一般具有相似的化学性质，其物理性质随分子中碳原子的增加呈规律性变化。 3 . 烷烃的结构 烷烃中最简单的化合物是甲烷，分子中只有一个碳原子和四个氢原子，分子式为CH4。下面即以甲烷为例讨论烷烃的结构。 (1) 碳原子轨道的SP3杂化 图2-1 碳原子轨道的sp3杂化 图2-3 碳原子的sp3杂化轨道及甲烷分子 图2-2 sp3杂化轨道形 烷烃分子中的碳原子在成键时，一个2s轨道跃迁到2p轨道，剩下的一个2s轨道和三个2p轨道进行重新组合，形成了四个新的轨道，称为sp3杂化轨道。每个sp3杂化轨道含1/4 s 成分和 3/4 p 成分,这四个sp3杂化轨道完全相同，彼此间夹角为109.5°，当它们分别与四个氢原子的1s轨道重叠时，就形成了四个完全等同的C－H键，即甲烷分子。 (2) 正四面体构型 甲烷是最简单的有机化合物，为了建立起有机化合物分子结构的立体概念，首先要掌握甲烷分子的构型。实验测得甲烷分子为正四面体构型，碳原子处于四面体的中心，四个C－H键是完全等同的，彼此间的键角为109.5°。 图2-4 甲烷的正四面体构形 (3) σ键 原子轨道沿键轴以“头碰头”形式相互重叠，形成的共价键称为σ键。其键能较大，可极化性较小，成键原子可沿键轴自由旋转，例如：甲烷分子中有四个C－H σ键。 图2-5甲烷分子的σ键 图2-6乙烷分子的σ键 在其他烷烃分子中，碳原子的四个sp3杂化轨道分别与碳原子和氢原子形成σ键。例如，乙烷分子中有两个碳原子和六个氢原子。两个碳原子之间各以一个 杂化轨道沿键轴方向重叠，形成了一个C－C σ键，两个碳原子在一条直线上。每个碳原子以剩余的三个sp3杂化轨道分别与三个氢原子的s轨道沿键轴方向重叠，共形成六个C－Hσ键，即乙烷分子，如图2-6所示。 4. 烷烃的构造异构 在烷烃分子中，分子式相同但结构式不同的一系列化合物通称为同分异构体，烷烃的同分异构又称构造异构。C1-C3的烷烃不存在同分异构体，而丁烷存在两种异构体，戊烷存在三种异构体，二十烷的同分异构体的数目已达到36万多种。在有机化合物中同分异构现象普遍存在，并且随碳原子的增加其同分异构体的数目急剧增加，异构现象也趋于复杂。 对由于碳原子的连接方式不同而产生异构的同分异构体，常常采用“碳链缩短法”来书写并确定异构体的数目。现以C6H14为例，具体推导步骤如下： (1) 先写出最长的碳直链 即主链上为六个碳原子。 (2) 写出少一个碳原子的直链 即主链上为五个碳原子，剩余的一个碳原子作为支链连在主链中可能的位置上，并由主链中间位置开始摆放，逐渐向外移，但不能移到端碳上。可形象的称为：去一个，挂中间；向外移，不靠边（只分叉，不拐弯）。 (3) 写出少两个碳原子的直链作主链 即主链为四个碳原子，将余下的两个碳原子摆放在主链的不同位置上（可以把两个碳原子连接在相同的碳原子上和不同的碳原子上）。 由于上式主链中只有四个碳原子，若将两个碳原子作为一个支链连在主链上，相当于又接长了主链，所以在这里，就不能将两个碳原子作为一个支链连在主链上了。