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人卫有机化学5-2第二章__烷烃和环烷烃.doc(3)

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间范德华引力越强,则沸点越高。对于分子量相同的同分异构体的沸点,则是支链越多,分子间接触面越小,范德华引力越小,因而沸点越低。例如:

正戊烷 沸点 36 ℃ 熔点 ?129 ℃ 异戊烷 沸点 25 ℃ 熔点 ?159 ℃ 新戊烷 沸点 9 ℃ 熔点 ?18 ℃

熔点虽然也随烷烃分子量增加而升高,但是不完全一致,这主要因为物质熔点除与分子量有关之外,还与该物质在晶体中排列紧密程度密切相关。对于同分异构体,则对称性高的物质熔点相对较高。如新戊烷高于正戊烷和异戊烷。

3. 烷烃的极性很小,不溶于极性大的水中,易溶于非极性或者弱极性的有机溶剂如四氯化碳、乙醚、苯等,这符合“相似相溶”经验规则。同样液态的烷烃也常被用作有机溶剂溶解某些有机化合物。例如戊烷和己烷的混合物(也称石油醚)常用来提取中草药中的活性成分。

4. 烷烃的相对密度也随着碳原子数的增加而增大,但增加的幅度很小,始终都小于水(1 kg/L)。

三、 烷烃的化学性质

烷烃分子中,原子间都是以比较稳定的σ键连接(碳碳σ键和碳氢σ键),常温下,化学性质很稳定,与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂等均不起反应。例如与高锰酸钾、重铬酸钾和溴水等都不反应。但烷烃的稳定性是相对的,在特定条件下,如光照、加热、催化剂的影响下,也能发生一些化学反应。

1. 取代反应 烷烃在光照、高温或催化剂的作用下,可与卤素单质发生反应。例如,甲烷与氯气在光照下发生反应:

光照CH4 + Cl2???? CH3Cl + HCl

光照 CH3Cl + Cl2???? CH2Cl2 + HCl

光照CH2Cl2 + Cl2???? CHCl3+ HCl

光照CHCl3 + Cl2???? CCl4 + HCl

甲烷分子中的氢原子可逐一被氯原子所替代,生成一氯甲烷、二氯甲烷、

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三氯甲烷(又称氯仿)和四氯甲烷(又称四氯化碳)。这种有机物分子中某个原子或基团被其他原子或基团替代的反应称为取代反应。若是被卤素原子替代则称卤代反应,产物为卤代烃,是烃的一类衍生物。烷烃的卤代反应属于自由基反应,具体反应历程如下:

(1) 链的引发: 反应第一阶段,开始产生自由基的过程

光照Cl? ?Cl ???? 2Cl?(氯原子自由基)

氯气分子首先在光照下获得能量,共价键发生异裂,分解生成氯自由基(即氯原子)。活泼的氯自由基再从甲烷分子中夺取一个氢原子,生成新的自由基,进而促使反应继续进行。

(2) 链的增长: 反应第二阶段,不断产生新自由基的过程

Cl? + CH4→HCl + ?CH3(甲基自由基) ?CH3 + Cl2→Cl? + CH3Cl(一氯甲烷)

Cl? + CH3Cl→HCl + ?CH2Cl(一氯甲烷自由基) ?CH2Cl + Cl2→Cl? + CH2Cl2(二氯甲烷)

活泼的氯自由基从甲烷分子中夺取一个氢原子,生成新的活泼的甲基自由基,甲基自由基又从氯气分子夺取一个氯原子,生成一个新的氯自由基,新的氯自由基可以重复上述反应,也可以与刚形成的一氯甲烷反应,生成二氯甲烷,反应继续进行,会生成三氯甲烷和四氯甲烷。

甲烷氯代反应的每一步会消耗掉一个自由基,同时又会为下一步反应产生一个新的自由基。从而使反应能够连续不断的持续下去,这样的反应又称为链式反应。

(3) 链的终止: 反应第三阶段,自由基互相结合消亡的过程

Cl? + ?CH3→CH3Cl Cl? + Cl?→Cl2

?CH3 + ?CH3→CH3CH3

随着反应的进行,体系中自由基逐渐增多,自由基互相结合的机会也逐渐

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增多,同时反应体系中的杂质或者反应容器也会消耗部分自由基,随着自由基的消亡殆尽,反应也随即终止。从上述烷烃卤代反应可以看出,反应一旦触发,就会产生连锁反应,直到自由基消耗完为止。例如爆炸、燃烧多属于这类反应。

2. 氧化反应 烷烃在常温下,不与氧化剂反应,但都可以在空气中燃烧,彻底氧化为二氧化碳和水,同时放出大量的热能。例如天然气中甲烷的燃烧:

点燃?? CO2 + 2 H2O + 热能 CH4 + 2O2 ??若氧气不足,则会生成有毒的一氧化碳和水。因而在使用天然气时,应保持室内通风,以免发生一氧化碳中毒。人体内也在不断地发生燃烧氧化反应,产生的能量供给细胞,不过体内的氧化反应非常缓和,不像甲烷燃烧那样剧烈。另外,为人体提供能量的不是甲烷,也并非其他烷烃,而是烃的衍生物——糖类和脂肪。

烷烃除了在点燃或者高温情况下能够发生燃烧氧化之外,也能在催化剂作用下被空气氧化。如石蜡等高级烷烃在高锰酸钾催化下,被空气中的氧气氧化生成多种脂肪酸。

中学和大学无机化学从电子得失和电子偏移的角度介绍过氧化还原反应,但是有机化合物均为共价化合物,电子的得失和偏移都不太容易判断。因而,有机化学常从得氧失氧和得氢失氢的角度来判定氧化还原反应。得氧或失氢的反应称为氧化反应;失氧或得氢的反应称为还原反应。氧化还原反应也是常见且重要的有机反应类型。

烷烃同系物的结构与甲烷相似,根据结构与性质的关系,由上面甲烷的性质可以推测其他烷烃的性质。这是学习有机化学的重要方法,也是学好有机化学的思维模式。

基于烷烃在物理和化学性质上的特点,也有一些在医药上的应用。最常见的有液体石蜡,液体石蜡是十八个碳到二十四个碳原子的烷烃混合物,常温是

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无色透明的液体,不溶于水和醇,溶于醚和氯仿。医药上用作缓泻剂;也常作基质,用于滴鼻剂或喷雾剂的配制。其次是固体石蜡,它是二十五个碳到三十四个碳原子的烷烃混合物,常温是白色蜡状固体。医药上用于蜡疗和调节软膏的硬度;也是制造蜡烛的原料。另外还有液体石蜡和固体石蜡的混合物凡士林,常含色素而呈黄色,是呈软膏状半固体,不溶于水,溶于乙醚和石油醚。因不被皮肤吸收,且化学性质稳定,不与药物起反应。因此,常用作软膏的基质。

第二节 环烷烃

分子中原子间以单键连接,且碳原子首尾连接成环状的烃称环烷烃(cycloalkanes)。环烷烃因其结构、性质与烷烃相似,又称脂环烃。

一、环烷烃的分类、命名与结构

(一) 环烷烃的分类

根据环烷烃分子中碳环的数目多少分类,只含一个碳环的称单环烷烃,含两个或以上的称为多环烷烃。

单环 多环

单环烷烃根据成环碳原子数目的不同,又可分为3碳、4碳的小环;5碳、6碳的中环和7碳以上的大环。其中5碳和6碳的环烷烃最为稳定,也最为重要和常见。

小环:

中环:

大环:

多环烷烃又可以根据环与环之间的连接形式不同进行分类。环与环之间共

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用一个碳原子的多环烷烃称为螺环烷烃;环与环之间共用两个及以上碳原子的多环烷烃称为桥环烷烃。

螺环

(二) 环烷烃的命名

桥环

1. 单环烷烃的命名 单环烷烃组成上比相应的开链烷烃少两个氢原子,通式为CnH2n。命名也与开链烷烃相似,将名称前冠以“环”字即可。如环戊烷、环己烷等。

环丙烷 环戊烷 环己烷

若环上有取代基,则以环烷烃为母体,取代基作支链,以最简单取代基连接的环碳开始给碳环编号,确定取代基的位次,称为“某基环某烷”。

甲基环己烷 1,4-二甲基环己烷(对二甲基环己烷)

1-甲基-4-异丙基环己烷

2. 螺环烃与桥环烃的命名 螺环烃是指环与环之间共用一个碳原子的多环烃,共用的碳原子称为螺原子。

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