第二章饱和脂肪烃

第二章饱和脂肪烃 Alkane

一、同系列 最简单的烷烃叫甲烷。 CH4 甲烷乙烷 C2H6 …… …… …… CnH2n

所以，烷烃的通式为：CnH2n+2。给你一个分子式，你就可以通过通式来判别是不是烷烃。所以，烷烃的通式为：CnH2n+2。给你一个分子式，你就可以通过通式来判别是不是烷烃。通过上式也可以看出：结构相似而在组成上相差CH2或它的倍数的许多化合物组成一个系列——同系列。 CH2叫作系差，同系列中各化合物叫作同系物。

由于同系列中同系物的结构相似性，因此具有相似的化学性质，所以只要研究几个同系物的性质以后就可以推断同系物其它化合物的性质。由于同系列中同系物的结构相似性，因此具有相似的化学性质，所以只要研究几个同系物的性质以后就可以推断同系物其它化合物的性质。但也必须指出，在同系列中，对于低级和高级同系物之间由于碳原子的增加，有个量变到质变的过程，性质上也有很大的区别。

二、同分异构体 分子式相同，构造式不同——同分异构体，简称异构体。同分异构是有机化学中一个普遍的现象。我们来观察可发现甲烷、乙烷中H原子所处的环境是完全相同的，如果用甲基取代它们中的任一个氢则能得到一种化合物。

在丙烷中有两种不同环境的氢，其中有6个H相同，另有2个H相同，所以用甲基去取代氢时有两种途径，如下：在丙烷中有两种不同环境的氢，其中有6个H相同，另有2个H相同，所以用甲基去取代氢时有两种途径，如下：异丁烷正丁烷随着C原子数目增多，同分异构体也增多。10个C有75种；20个C有366319种；30个C有62491178805831种。

如何推同分异构体是本章重点，下面以6个C为例推导C6H14分子式的同分异构体，共5种。如何推同分异构体是本章重点，下面以6个C为例推导C6H14分子式的同分异构体，共5种。

1.写出最长的碳链 C-C-C-C-C-C 2.写出少一个碳原子的主链，把减少的一个碳原子作为支链连接在主链上并依次交换在主链上的位置，但注意不能将支链连接在碳链的两侧。 3.写出少两个碳原子的主链，把减少的两个碳原子作为支链连接在主链上并依次交换在主链上的位置。

课堂练习： 请写出分子式为C7H16的同分异构体？（9种）答案:

此外在这里还要介绍几个名词： ●伯碳原子：又称一级C原子10 ，C和3个H原子相连，相连的氢也叫伯氢； ●仲碳原子：又称二级C原子20 ，C和2个H原子相连，相连的氢也叫仲氢； ●叔碳原子：又称三级C原子30 ，C和1个H原子相连，相连的氢也叫叔氢； ●季碳原子：又称四级C原子40 。

三、烷烃的命名 （一）取代基的名称：烷烃分子中从形式上去掉一个氢原子后剩下的原子团叫作烷基，通常用R-表示。如：甲烷去掉一个氢 CH3— 甲基；乙烷去掉一个氢 CH3CH2— 乙基；异丙烷去掉一个氢称异丙基，依次类推。（二）命名法：普通命名法、系统命名法、俗名（根据来源或某种性质命名）

1.普通命名法： （1）用甲、乙、丙、丁十个字来表示十个碳以下的数目，如CH3CH2CH2CH2 CH3称为正戊烷。（2）十个碳以上烷烃是用数字表示，如C11H24直链烷烃叫作正十一烷。（3）对于相同碳原子并带有支链的烷烃，则用异、新加以区别同分异构体。如异戊烷、新戊烷。

普通命名法只适用于简单的含碳较少的烷 烃，如就无能为力了。

2. 系统命名法： 采用国际通用的命名原则，并根据我国文字特点采用的一种命名方法。 ⑴选择一条最长的碳链作主链，将主链以外的其它烷基看作是主链上的取代基（或叫支链）。定主链 ⑵由距离支链最近的一端开始，将主链上的碳原子用阿拉伯数字编号，支链所在的位置就以它所连接的碳原子的号数表示。定编号

⑶支链烷基的名称及位置写在母体名称的前面，按“次序规则”排列多个支链。定顺序⑶支链烷基的名称及位置写在母体名称的前面，按“次序规则”排列多个支链。定顺序 “次序规则”： ①原子序数大的为较优基团； ②第一个原子相同时，比较第二个原子，依次类推。 ③含有双键和叁键的基团，把双键和叁键的基团看作单链原子的重复，然后进行比较。 ⑷满足最低系列原则。

命名的几个实例： 最低系列例子 4-甲基-3-乙基庚烷 2,2,3,5-四甲基己烷

四、烷烃的结构 前面所写化合物的结构式，只能告诉我们分子中原子之间的连接次序。例如，甲烷的结构式只能说明分子中有四个氢原子与碳原子直接相连，而没有表示出氢原子与碳原子在空间的相对位置，也就是不能说明分子的立体形状。实际烷烃的分子结构是怎样的，即它的原子在空间如何分布呢？我们拿最简单的甲烷来剖析一下。

据近代物理仪器X-射线结构分析发现： ①四个C-H键长完全相等； ②H-C-H间夹角都是109.50。这些数据说明甲烷的分子不是像结构式画的那样一个平面正方形，而是正四面体型的，即四个氢原子在正四面体的四个顶点，碳原子在正四面体的中心。（照书讲述，简单介绍一下球棍模型、斯陶特模型）

我们知道碳原子基态电子层结构是1S22S22Px12Py1，按照电子配对法规则，碳原子可以接受两个电子，也就是说化合价应为2，而实际上碳原子化合价为4。我们知道碳原子基态电子层结构是1S22S22Px12Py1，按照电子配对法规则，碳原子可以接受两个电子，也就是说化合价应为2，而实际上碳原子化合价为4。

对于上述现象，化学家鲍林提出了杂化轨道理论，认为碳原子的一个S轨道与三个P轨道经过杂化后形成了四个等同的SP3杂化轨道，四个SP3杂化轨道的轴在空间的取向相当与从四面体的中心伸向四个顶点的方向，只有这样价电子对间的互斥作用才最小，即键角均为109.50。对于上述现象，化学家鲍林提出了杂化轨道理论，认为碳原子的一个S轨道与三个P轨道经过杂化后形成了四个等同的SP3杂化轨道，四个SP3杂化轨道的轴在空间的取向相当与从四面体的中心伸向四个顶点的方向，只有这样价电子对间的互斥作用才最小，即键角均为109.50。

乙烷的分子结构：碳原子同样进行SP3杂化，其中一个碳原子的SP3和另一个碳原子的SP3轨道沿着轨道对称轴方向重叠，这样可达到电子云的最大重叠，形成一个C—C键，余下的六个SP3轨道分别和六个H原子1S重叠形成六个C—H键。乙烷的分子结构：碳原子同样进行SP3杂化，其中一个碳原子的SP3和另一个碳原子的SP3轨道沿着轨道对称轴方向重叠，这样可达到电子云的最大重叠，形成一个C—C键，余下的六个SP3轨道分别和六个H原子1S重叠形成六个C—H键。

以上介绍了甲烷和乙烷和分子结构，丙烷……的分子结构和上述大致相同。以上介绍了甲烷和乙烷和分子结构，丙烷……的分子结构和上述大致相同。从上面轨道重叠来看，不管是C—H键还是C—C键中成键原子的电子云是沿着它们对称轴方向互相重叠而成，即在两个原子核的连线方向上重叠，这样形成的键叫键。 键的特点：①键能大（重叠多）； ②可以自由旋转。

五、烷烃的构象 1.乙烷的构象上面讲了键可以自由旋转而不影响电子云的重叠，如果使乙烷分子中一个碳原子不动，另一碳原子绕C—C键轴旋转，则一个碳原子上的三个氢相对于另一碳原子上的三个氢，可以有无数的空间排列形式，这种由于围绕单键旋转而产生的分子中的原子或基团在空间的不同排列形式叫做构象(conformation)。

由于C--C键的自由旋转，乙烷可以有无限数目的构象，但从能量上来说只有一种构象的内能最低，因而稳定性也最大，这种构象就叫做优势构象。乙烷的优势构象是交叉式。在交叉式构象中，两个碳原子上的氢原子间的距离最远，相互间的排斥力最小，因而分子的内能最低。由于C--C键的自由旋转，乙烷可以有无限数目的构象，但从能量上来说只有一种构象的内能最低，因而稳定性也最大，这种构象就叫做优势构象。乙烷的优势构象是交叉式。在交叉式构象中，两个碳原子上的氢原子间的距离最远，相互间的排斥力最小，因而分子的内能最低。

内能最高的一种构象则是重叠式。在重叠式构象中两个碳原子上的氢原子两两相对，距离最近，相互间的排斥作用最大，因而内能最高，也就最不稳定。交叉式与重叠式是乙烷的两种极端构象。其它构象的内能都介于这二者之间。内能最高的一种构象则是重叠式。在重叠式构象中两个碳原子上的氢原子两两相对，距离最近，相互间的排斥作用最大，因而内能最高，也就最不稳定。交叉式与重叠式是乙烷的两种极端构象。其它构象的内能都介于这二者之间。

乙烷的交叉式构象 （staggered conformation）乙烷的重叠式构象（eclipsed conformation）

乙烷的构象：

交叉式与重叠式的内能虽不同，但差别较小，约为12.5kJ/mol。在接近绝对零度的低温时，分子都以交叉式存在，而在室温情况下的热能就足以使两种构象之间以极快的速度互相转化（克服扭转能），因此在室温时，可以把乙烷看作是交叉式与重叠式以及介于这二者之间的无数构象异构体的平衡混合物，而不可能分离出构象异构体。交叉式与重叠式的内能虽不同，但差别较小，约为12.5kJ/mol。在接近绝对零度的低温时，分子都以交叉式存在，而在室温情况下的热能就足以使两种构象之间以极快的速度互相转化（克服扭转能），因此在室温时，可以把乙烷看作是交叉式与重叠式以及介于这二者之间的无数构象异构体的平衡混合物，而不可能分离出构象异构体。

但假若某一化合物的两种构象之间的内能差别较大，由一种构象转变为另一种构象需要较大的能量时，就有可能用一定的方法分出不同的构象异构体。由于不同构象的内能不同，构象之间相互转化是需要克服一定能障的，所以所谓单键的自由旋转，并不是完全自由的。但假若某一化合物的两种构象之间的内能差别较大，由一种构象转变为另一种构象需要较大的能量时，就有可能用一定的方法分出不同的构象异构体。由于不同构象的内能不同，构象之间相互转化是需要克服一定能障的，所以所谓单键的自由旋转，并不是完全自由的。

2. 丁烷的构象 丁烷可以看作是乙烷的二甲基衍生物，用如下投影法表示全重叠式的丁烷及其四个碳原子：由全重叠式构象开始，固定C1与C2，而使C3绕C2一C3间的键轴作相对旋转，则每旋转600，可以得到一种有代表性的构象，旋转3600则复原。

动画演示：

在上述六种构象中，(Ⅱ)与(Ⅵ)相同，(Ⅲ)与(V)相同，所以实际上有代表性的构象为(I)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)四种。它们分别叫做全重叠式、邻位交叉式、部分重叠式及对位交又式。在上述六种构象中，(Ⅱ)与(Ⅵ)相同，(Ⅲ)与(V)相同，所以实际上有代表性的构象为(I)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)四种。它们分别叫做全重叠式、邻位交叉式、部分重叠式及对位交又式。这几种构象的内能高低为全重叠式>部分重叠式>邻位交叉式>对位交叉式，但它们之间的能量差别仍是不大的，因此不能分离出构象异构体。由于甲基比氢原子大得多，所以丁烷的全重叠式构象与对位交叉式构象间的能量差要比乙烷的重叠式构象与交叉式构象间的能量差高。

由于对位交叉式是最稳定的构象，所以三个碳以上烷烃的碳链应以锯齿形为最稳定。由于对位交叉式是最稳定的构象，所以三个碳以上烷烃的碳链应以锯齿形为最稳定。

六、烷烃的性质 1. 物理性质：纯物质的物理性质在一定条件下都有固定的数值，所以也常把这些数值称作物理常数，通过物理常数的测定，可以鉴定物质的纯度，或鉴别个别的化合物。请看书P19-21页，后回答以下问题：待定一般说来，同系列中各物质的物理常数是随相对分子质量的增加而递变的。例如，烷烃的沸点和相对密度都随相对分子质量的增加而升高。在室温下，烷烃系列中前四个化合物是气体，由戊烷开始是液体，十七烷以上是固体。

总结如下： ①碳原子数增加，分子量增加，熔沸点增加，折射率也缓慢增大。 ②对于同分异构体，分支程度越高，熔沸点越低。但也不是绝对的，而是相对的。

③密度也随分子量的增加而增加，但都小于1。③密度也随分子量的增加而增加，但都小于1。 ④溶解度，不溶于水等极性溶剂中，而易溶于非极性或弱极性的物质中。解释： ①碳原子数增加，分子的表面积就越大，则色散力越强。 ②分子热运动需一定动能，E=1/2MV2，所以碳原子数增加，分子量增加，所需的动能也越大。 ③对于同分异构体，分支程度越高，分子的接触面积就越少，则色散力越小。

2. 化学性质： 在所有的有机物中，烷烃是不含官能团的化合物，分子中除了C—C键，就只有C—H键，所以烷烃的化学性质是最不活泼的。 ⑴S稳定性：一般条件下，烷烃不与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂等反应。（注意：一般条件与高温高压、催化剂等的区别）

⑵卤代反应—游离基反应 在日光（紫外线）照射或在高温下，烷烃分子中氢原子能逐步被氯取代，得到不同氯代烷的混合物。这反应是怎样进行的呢？是通过游离基历程进行的，它一般经过下列三个步骤：

动画演示：

需光照或高温 ①链的引发—游离基产生： ②链的增长： (需光照或高温) 如此循环，可以得到三氯甲烷及四氯化碳。

③链的终止： 有关活化能部分同学们自学！！如果甲烷和氯气在强光照条件下，反应更为激烈，以至发生爆炸。

烷烃对卤代反应的相对反应活性与烷基自由基的稳定性：烷烃对卤代反应的相对反应活性与烷基自由基的稳定性： sp2平面构型结构：CH3· 甲基自由基的结构其它烷烃进行卤化反应，也是按游离基历程进行的，但由于结构不同，其氢原子被取代的难易也不同。一般说来活性是，叔氢〉仲氢〉伯氢。

举例推出以下结论： 丙烷分子中有6个伯氢、两个仲氢，按理说取代产物比例应为3∶1，然而实际上取代产物比例为1∶1。这和产生的中间体—游离基的稳定性有关，含单电子的碳上连接的烷基越多，这样的游离基越稳定。几种游离基的稳定性为：

⑶氧化反应和燃烧 ①完全氧化：烷烃在高温和足够的空气燃烧这就是汽油内燃机工作的原理 ②部分氧化：如果改变氧化条件和催化剂存在下，可以达到部分氧化，这反应主要用于制备高级醇和高级脂肪酸的制备。

氧化：在有机分子中加入氧或去掉氢； 还原：在有机分子中加入氢或去掉氧。低级烷烃蒸气与空气混合至一定比例时，遇到明火或火花发生爆炸，比如煤矿瓦斯爆炸。

⑷热裂：有机化合物在高温和无氧条件下发生键断裂的反应。温度在450℃ 以上。为自由基反应。催化热裂的温度可以低些。裂化在炼油工业上是一个很重要的反应。

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