第三章饱和烃(环烷烃)
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饱和烃的结构和性质饱和烃是指分子中只含有碳和氢,碳原子之间的化学键都是单键的化合物。
饱和烃可分为烷烃和环烷烃两大类,其中烷烃分子中只包含直链或支链的碳链,而环烷烃则包含了一个或多个碳环。
这些化合物在自然界中普遍存在,如石油和天然气中含有大量的饱和烃,其化学性质主要是烷烃和环烷烃之间的分子量差异,长链的分子量会比短链的分子量更大,同时在同一种分子量下,支链烷烃的沸点也比直链烷烃的沸点低。
烷烃的结构和性质烷烃的分子结构是由碳原子链构成的,每个碳原子上都与四个其它原子(其中一个是氢原子)连接。
这种化学键称为单键,通过这种单键链可以形成不同长度的直链链烷烃。
此外,由于碳原子能够在空间上自由旋转,这种链烷烃的分子也可以通过碳原子之间的旋转来改变的,产生的结构就是所谓的支链烷烃。
烷烃分子中每个碳原子上都有2个可能的氢原子位,因此线性烷烃分子的数目很大。
其中,最简单的是甲烷(CH4)和乙烷(C2H6),它们的分子式分别为CH4和C2H6。
甲烷是一种无色、无味的气体,燃烧时能够发生强烈的火焰,而乙烷则具有明显的气味。
此外,随着碳原子数量的增加,烷烃分子的物理和化学性质也在逐渐发生着变化。
长链烷烃分子的熔点和沸点一般比较高,这是因为长链烷烃分子之间的范德华力较强,分子之间吸引力度随分子量的增加而增强,因此大分子量的烷烃会出现固态、液态、气态三态平衡,其沸点逐渐升高。
此外,直链烷烃分子之间的相互作用力会比支链烷烃大,因此支链烷烃往往比直链支链烷烃的沸点低。
环烷烃的结构和性质环烷烃是包含一个或多个碳环的烷烃,是一类由相邻的碳原子单键组成的环状分子。
环烷烃中的环越大,则其相对稳定性越高。
六元环状的烷环烃最为稳定,如正己烷(C6H14)就是一种典型的烷环烃。
同时,环烷烃有一个特点,它们分子内的碳——碳键、碳——氢键倾向于来回转动,从而使环内碳原子的键价能量特别稳定。
环烷烃由于分子内强烈的形成屏障而难于引发反应,因此环烷烃的反应活性比同分子量的非环烷烃要低。
烷烃烷烃即饱和烃(saturated group),是只有碳碳单键的链烃,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。
烷烃分子中,氢原子的数目达到最大值,它的通式为CnH2 n+2。
分子中每个碳原子都是sp3杂化。
最简单的烷烃是甲烷。
烷烃中,每个碳原子都是四价的,采用sp3杂化轨道,与周围的4个碳或氢原子形成牢固的σ键。
连接了1、2、3、4个碳的碳原子分别叫做伯、仲、叔、季碳;伯、仲、叔碳上的氢原子分别叫做伯、仲、叔氢。
为了使键的排斥力最小,连接在同一个碳上的四个原子形成四面体(tetrahedro n)。
甲烷是标准的正四面体形态,其键角为109°28′(准确值:arccos(-1/3))。
理论上说,由于烷烃的稳定结构,所有的烷烃都能稳定存在。
但自然界中存在的烷烃最多不超过50个碳,最丰富的烷烃还是甲烷。
由于烷烃中的碳原子可以按规律随意排列,所以烷烃的结构可以写出无数种。
直链烷烃是最基本的结构,理论上这个链可以无限延长。
在直链上有可能生出支链,这无疑增加了烷烃的种类。
所以,从4个碳的烷烃开始,同一种烷烃的分子式能代表多种结构,这种现象叫同分异构现象。
随着碳数的增多,异构体的数目会迅速增长烷烃还可能发生光学异构现象。
当一个碳原子连接的四个原子团各不相同时,这个碳就叫做手性碳,这种物质就具有光学活性。
烷烃失去一个氢原子剩下的部分叫烷基[1],一般用R-表示。
因此烷烃也可以用通式RH来表示。
烷烃最早是使用习惯命名法来命名的。
但是这种命名法对于碳数多,异构体多的烷烃很难使用。
于是有人提出衍生命名法,将所有的烷烃看作是甲烷的衍生物,例如异丁烷叫做2-一甲基丙烷。
现在的命名法使用IUPAC命名法,烷烃的系统命名规则如下:找出最长的碳链当主链,依碳数命名主链,前十个以天干(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸)代表碳数,碳数多于十个时,以中文数字命名,如:十一烷。
一、环烷烃的命名环烷烃的命名与烷烃相似,只是在同数碳原子的链环烷烃的名称前加“环”字。
环丙烷环丁烷环己烷成环碳原子的编号,应使环上取代基的位次最小。
甲基环戊烷1-甲基-3-乙基己烷当环上有复杂取代基时,可将环作为取代基命名。
CH2CH2CH2CH3CH2CH2CH2CH21-环丁基丁烷1,4-二环戊基丁烷二、环烷的结构与稳定性环烷烃的稳定性与其环的几何形状和角张力有关,分子键角越接近正四面体角(109°28′),分子越稳定,反之,偏差越大角张力越大,环越不稳定。
………一、稳定性:烷烃具有高度的化学稳定性,常用作溶剂的药物基质。
烷烃在适宜的反应条件下,也能进行一些反应,主要有卤代反应。
二、卤代反应:有机化合物分子中的氢原子(或其他原子)或基团被另一原子或基团取代的化学反应称为取代反应。
烷烃分子中的氢原子被卤素原子取代的反应称为卤代反应。
1、甲烷的卤代反应条件:紫外光照射或加热至250~400℃产物:一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷(氯仿)和四氯甲烷(四氯化碳)的混合物一般较难限定取代在一元取代的产物(CH3Cl)的阶段CH4+Cl22、烷烃卤代反应的取向含有不同类型氢原子的烷烃,发生自由基氯取代反应,生成多种氯代烷异构体的混合物。
CH3CH2CH33CH2CH2Cl+CH3CHCH3Cl1-氯丙烷(43%)2-氯丙烷(57%)CH3CH3CH3CH3CHCH3+Cl23CHCH2-Cl + CH3CCH3Cl2-甲基-1-氯丙烷(37%)2-甲基-2氯丙烷(63%)由于氯的活泼性较大,选择性较差,在氯代反应中,各种产物间的相对比例相差不大;溴的活泼性较小,选择性较强,总是以一种产物占优势。
CH3CH2CH3CH3CH2CH2Br+CH3CHCH3Br1-溴丙烷(3%)2-氯丙烷(97%)CH3CH3CH3CH3CHCH3+Br3CHCH2-Br + CH3CCH3Br卤代反应活性:叔氢>仲氢>伯氢F 2>Cl 2>Br 2>I 2不同类型的C-H 键离解能不同,离解能越小,生成的自由基稳定性越大。