烷烃(二)

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系统命名构象分析自由基反应环烷烃

烷烃(二)

系统命名、构象分析与卤代反应,一次彻底讲透

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系统命名构象分析自由基反应环烷烃

烷烃(二)

系统命名、构象分析与卤代反应,一次彻底讲透

1第 1 页 · 烷烃(二)

正丁烷

上一节我们认识了烷烃——只含单键的饱和烃。最简单的甲烷只有1个碳,向前推一格,碳数加到4、直链排列,就是今天的主角:正丁烷。

结构与定义
4个碳原子首尾相连成直链,两端为甲基(CH₃)、中间为两个亚甲基(CH₂),分子式 C₄H₁₀
物理性质
无色易燃气体,沸点仅 -1 ℃,稍加压即液化,便于罐装运输
化学性质
饱和烃,化学性质稳定;主要反应是燃烧,放出大量热
典型应用
打火机油、液化石油气(LPG)主成分、家用制冷剂(R-600)、气雾剂推进剂
同分异构
与异丁烷互为同分异构体,分子式相同但碳骨架不同(直链 vs 支链)
4节车厢的小火车对应 →正丁烷的直链结构

车头—车厢—车厢—车尾直线排开;异丁烷相当于中间一节伸出岔道

2C4H10+13O28CO2+10H2O2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \longrightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O}
2第 2 页 · 正丁烷

异丁烷

正丁烷是四颗碳一字排开的直链;若中间一颗碳上多挂一个甲基,就成了它的同分异构体——异丁烷。

结构定义
丁烷的支链同分异构体,中心碳连三甲基+一氢
系统命名
最长链只有三碳,称2-甲基丙烷,「异」表支链
沸点对比
比正丁烷低约11°C,支链使分子更球形、接触面积变小
典型应用
家用制冷剂与汽车LPG燃气,沸点低易汽化吸热
树的主干与枝丫对应 →异丁烷的主链与支链

主干只算最长链(3C),枝丫是甲基;支链改变分子形状与沸点

(CH3)3CH(CH_3)_3CH
3第 3 页 · 异丁烷

正戊烷

正丁烷沸点 -0.5°C,室温下是气体;再多一个碳会怎样?正戊烷给出了答案——这「一个碳」的累加,把分子恰好推过了液体的门槛。

直链五碳骨架
CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃,五个碳首尾相连,无支链
沸点 36.1°C
已高于室温 25°C,常温常压下稳定为液态
气-液临界点
C1~C4 直链烷烃常温为气,C5 起进入液态
典型用途
低沸点溶剂、聚氨酯发泡剂、汽油轻馏分
口袋里的硬币 vs 包里的水瓶对应 →C1~C4 烷烃 vs C5+ 烷烃

硬币轻、易漏掉(蒸发逃逸);水瓶有重量能站稳(液态留存)

C5H12C_5H_{12}
4第 4 页 · 正戊烷

异戊烷

正戊烷的五个碳排成一条直线。如果让第二号碳「岔出去」再接一个甲基——支链版的戊烷:异戊烷就出现了。

结构与命名
2-甲基丁烷:四个碳为主链,第二号碳上接一个甲基;「异」即有支链之意
与正戊烷的关系
同为 C₅H₁₂,互为同分异构体;支链让分子更接近球形,接触面积减小
沸点对比
异戊烷沸点 27.8°C,比正戊烷的 36.1°C 低近十度;支链烷烃普遍沸点更低
用途延伸
制冷剂替代品、聚氨酯发泡剂、汽油抗爆添加剂,工业用途广泛
排队时直队 vs 中间有人拐弯对应 →正戊烷 vs 异戊烷

直队贴得紧走得慢(沸点高);分岔后队伍松散跑得快(沸点低)

(CH3)2CHCH2CH3\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2CH_3}
5第 5 页 · 异戊烷

新戊烷

异戊烷是「主链加一个支甲基」——再加一个支链,而且把两个支甲基挂在同一个碳上,就得到戊烷的第三种异构体:新戊烷。这一页要看它在结构和物理性质上的两个反常。

季碳中心
中心碳连4个甲基,没有C—H键,是烷烃中典型的季碳结构
四面体对称
四个甲基完全等价,分子近似球形,具有Td点群对称性
沸点反常
沸点仅9.5°C,常温下是气体,比正戊烷(36°C)和异戊烷(28°C)都低得多
支链规律
正>异>新——支链越多越对称,分子间接触面积越小,色散力越弱
摊开的长面条 vs 紧实的饭团对应 →正戊烷(长链) vs 新戊烷(球形)

面条之间整段贴合,饭团之间只能点接触——点接触比贴合更容易分开

C(CH3)4\text{C(CH}_3\text{)}_4
6第 6 页 · 新戊烷

烷烃的物理性质

前面我们见过正丁烷、异戊烷、新戊烷——同样是 C5,沸点却能差 20 多度。这不是巧合,背后有一套由「碳数」和「形状」共同决定的物理规律。

状态随碳数递变
C1~C4 气态,C5~C17 液态,C18 以上固态
沸点随碳数升高
同系列中碳数越多,分子间作用力越强,沸点越高
支链使沸点降低
碳数相同时,支链越多越难紧密堆叠,沸点反而更低
难溶于水,比水轻
非极性分子,密度均小于 1 g/cm³
无色、气味淡
低碳无味,高碳略带石油味,液体有折光性
长绳 vs 多脚树枝对应 →直链烷烃 vs 支链烷烃

直链像长绳缠紧,加热才化开;支链像多脚树枝把分子撑开,容易跑掉

7第 7 页 · 烷烃的物理性质

烷烃的化学性质

上一页烷烃物理上很'懒'——不溶水、密度小,化学上更'懒':只有 C-C 和 C-H 两种非极性键,键能大,常温下不与酸、碱、氧化剂反应。但给光、热或催化剂,能发生四类经典反应。

化学惰性
常温常压下不与酸、碱、KMnO4 等反应;原因是 C-C、C-H 键非极性且键能大
燃烧反应
在 O2 中燃烧,充足时生成 CO2 和 H2O 并大量放热;O2 不足则生成 CO 或炭黑
卤代反应
光照或加热下 H 被 Cl2/Br2 取代;不同 H 活性 3°>2°>1°>CH3,自由基机理
裂化与裂解
高温或催化剂下 C-C 键断裂,长链变短链;裂化(≈500°C)制汽油,裂解(更高温)制乙烯
氧化反应边界
催化氧化可定位生成醇、醛、酮、酸;是工业制备含氧衍生物的关键路径
一个没有把手的铁盒子对应 →烷烃的化学性质

无接口(无极性键/官能团)让外来试剂下手;但用工具(光/热/催化剂)撬开后,原子可重新组合

8第 8 页 · 烷烃的化学性质

系统命名法

正丁烷、异戊烷、新戊烷——这些俗名你已经会用。但碳数一多、结构变体成千上万,俗名就不够用了。化学家需要一个'万能套路'给每种烷烃发唯一的学名,这就是系统命名法。

选最长主链
先找最长连续碳链作母体;等长时取取代基更多的那条
从最近端编号
从靠近第一个取代基一端开始,使取代基位次之和最小
取代基写前缀
支链作取代基写在前,'位次-取代基名'用短线连
多取代基按字母排
按英文首字母升序排列,相同取代基合并用二、三、四
城市邮递地址对应 →系统命名法

主链=主街道,编号=门牌从近端起,取代基=岔路口单位,字母序=单位排序

9第 9 页 · 系统命名法

烷烃

从甲烷到新戊烷,你已经见过不少具体烷烃。现在退一步,把它们摆在一起看——烷烃到底是什么?

定义
仅含 C—C 和 C—H 单键的饱和链烃,也叫饱和烃
通式
CₙH₂ₙ�₂,n≥1;每多一个碳只多一个 —CH₂—
关键性质
σ 键稳定,常温不与强酸强碱反应;燃烧是主要反应
典型应用
燃料(天然气、汽油、液化气)、石油化工基础原料
满员的公交车对应 →饱和的烷烃分子

每个碳的 4 根键全部被占满,没有空位留给双键或三键

CnH2n+2(n1)C_n H_{2n+2} \quad (n \geq 1)
10第 10 页 · 烷烃

烃基

之前我们看到的都是完整烃分子——CH₄、C₂H₆。可更大的分子如 C₂H₅OH 里,这些片段反复出现。给它们一个固定名字,下次直接拿来用——这就是烃基。

烃基的本质
烃分子去掉一个H后剩下的部分,用R-表示,留有一个未成键的空位
命名:母体名+基
甲烷→甲基(-CH₃)、乙烷→乙基(-C₂H₅)、丙烷→丙基(-C₃H₇)…依此类推
伯、仲、叔烷基
空位所在碳连1/2/3个其他碳时,分别称伯、仲、叔烷基;如异丙基为仲、叔丁基为叔
R-是一类片段的占位符
讨论一类反应时用R-代表任意烃基,让通式R-OH、R-X适用于所有烃衍生物
乐高标准件对应 →烃基

甲基、乙基像通用积木,命名后能在各种分子里反复拼接,不必每次重画

CnH2n+1(n1)C_nH_{2n+1}-\quad(n\geq 1)
11第 11 页 · 烃基

同分异构体

正丁烷和异丁烷分子式一样,名字却不同——这背后藏着同分异构现象。本页给出正式定义与关键要点。

定义
分子式相同而结构不同的化合物,彼此互称同分异构体
结构差异是关键
原子连接顺序或空间排列不同,即为不同分子
物理性质可测
沸点、熔点、密度等实测值不同,证明差异真实
数量随碳数激增
丁烷2种、戊烷3种、己烷5种、庚烷9种
不限于同类
醇与醚同分子式也算同分异构,跨类别仍成立
同一套乐高积木对应 →同分异构体

同样积木拼法不同成不同作品,分子同理

12第 12 页 · 同分异构体

甲烷

前面我们看了丁烷、戊烷这些"复杂"的烷烃,其实它们都可以看作把甲烷的氢逐步换成甲基(CH₃)的产物。理解了甲烷,就理解了所有烷烃的"母体"。

分子结构
1个碳4个氢,碳sp³杂化,正四面体,键角109°28′
母体地位
所有烷烃都可看作CH₄中H逐步被CH₃取代的产物
物理性质
无色无味气体,沸点-161.5℃,难溶于水,比空气轻
自然来源
天然气主成分(70-90%),沼气、瓦斯、可燃冰的主体
典型应用
清洁燃料,制氢、炭黑、氯甲烷等化工基础原料
四个氢气球绑在同一根柱子上对应 →甲烷正四面体结构

气球互不挤占,自然撑开约109.5°,对应电子对互斥导致的键角

13第 13 页 · 甲烷

本节要点

  • 烷烃通式 CnH₂n₊₂,只含 C-C 和 C-H 单键
  • 碳数增加,同分异构体数目呈指数式增长
  • 同碳数烷烃:直链沸点最高,支链越多沸点越低
  • 化学性质稳定,主要发生取代反应和燃烧
  • 系统命名:最长链为主链,位次编号最小
延伸主题:烯烃:含 C=C 双键的不饱和烃环烷烃:碳原子首尾相连成环自由基取代反应机理
14第 14 页 · 本节要点

课后思考

先合上书本自己思考,再对照参考答案。三个问题层层深入,值得多琢磨一会儿。

1为什么碳原子数相同的正戊烷、异戊烷、新戊烷,沸点会依次降低?

参考答案分子间作用力以色散力(伦敦力)为主。支链越多,分子越接近球形,分子间接触面积越小,色散力越弱,沸点越低。

2烷烃燃烧属于氧化反应,但常温下却不能使酸性 KMnO4 褪色。这两种「氧化」有什么本质区别?

参考答案燃烧是高温下 C-H、C-C 键断裂后与 O2 的剧烈氧化;KMnO4 褪色需要 C=C 等不饱和键参与。烷烃只有饱和 σ 键,常温下不被 KMnO4 氧化。

3环丙烷的分子式是 C3H6,和丙烯相同。它到底属不属于烷烃?请说明你的判断依据。

参考答案不属于。烷烃必须是开链饱和烃,符合通式 CnH2n+2。环丙烷含三元碳环,符合通式 CnH2n,属于环烷烃,与烯烃通式相同但结构不同。

15第 15 页 · 课后思考