烷烃

这是一篇关于烷烃的思维导图，主要内容包括：分类，物理性质，命名，轨道的杂化和碳原子价键的方向性，构象，反应，制备。

烷烃

• 分类
  • 链烷烃
    • 分子中没有环的烷烃，通式为CnH2n+2
  • 链烷烃
    • 分子中含有环状结构的烷烃，又称为脂环化合物
    • 单环烷烃
      • 只含有一个换的烷烃，通式为CnH2n
    • 集合环烷烃
      • 环系各及以上一个碳原子用单键直接相连而成的多环烷烃
    • 桥环烷烃
      • 两个环公用两个或多个碳原子的多环烷烃
    • 螺环烷烃
      • 单环之间公用一个碳原子的多环烷烃
• 物理性质
  • 烷烃为非极性分子，偶极矩为零，但分子中电荷的分配不是很均匀，在运动中可以产生瞬时偶极矩，顺势偶极矩间又相互作用力（色散力）
  • 在室温下，含有1~4个碳原子的烷烃为气体；含有5~16个碳原子的烷烃为液体；含有17个碳原子以上的正烷烃为固体，但直至含有60个碳原子的烷烃（熔点 99OC），其熔点都不超过100OC.
  • 熔点、沸点
    • 正烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高
    • 低级烷烃每增加一个CH2，沸点相差较大；高级烷烃每增加一个CH2,沸点相差较小，故低级烷烃较易分离，高级烷烃分离困难的多。
    • 在同分异构体中，直链烷烃的沸点通常比叉链烷烃的高，叉链越多，沸点越低。
    • 固体婉婷分子的熔点即随相对分子质量的增加而增高，也随分子在晶格中排列紧密度增高而增高。
  • 密度
    • 随相对分子质量增大而增大，这也是分子间相互作用力的结果，密度增加到一定数值后，相对分子质量增加而密度变化很小。
  • 与碳原子数相等的链烷烃相比，环烷烃的沸点、熔点和密度均要高一些。
• 命名
  • 链烷烃
    • 直链烷烃的名称用“碳原子数+烷”表示
      • 1~10依次用天干——甲乙丙丁戊己庚辛壬癸，超过十用数字表示
    • 支链烷烃
      • 分级：伯仲叔季
      • 烷基的名称
      • 顺序规则
        • 将单原子取代基按源自顺序大小排列，大的在前，小的在后。
          • I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>D>H
        • 如果两个多原子集团的第一原子相同，则比较与它相连的其他原子
        • 含有双键或三键的集团，可以认为连有两个或三个相同的原子该原子首次出现时按正常情况处理；重复出现时，要加括号，括号后面加点线，不能再连其他原子
        • 若参与比较顺序的原子的键不到四个，则可以补充适量的原子序数为零的假象原子，假象原子的排序放在最后。
          • CH3CH2->CH3->H->假象原子
        • 基本格式
          • 构型+取代基+母体
        • 命名原则和命名步骤
          • 首先要确定主链
            • 长的优先，等长则侧链多的优先
          • 按照英文字母顺序排
  • 单环烷烃
    • 确定R-S构型
      • 手性
      • 将与手性碳原子相连的四个基团按顺序规则排列大小，最小的基团放在离眼睛最远的地方，其他三个基团按由大到小的方向旋转，若旋转方向是顺时针，手性碳为R构型；若旋转方向为逆时针的，手性碳为S构型。
    • 只有一个环
      • 环+天干+烷
    • 单个取代基：通常将环作为母体命名 多取代基：先确定构型
  • 桥环烷烃
    • 公用碳原子中的端碳原子为桥头碳 命名格式：环数+带数字的方括号+母体烃的名称 （1）确定母体烃的名称：根据成环的碳原子 （2）确定环数：环数等于把化合物切开成开链烃的最少切割次数。 （3）确定主环、主桥和次桥：将碳原子数最多的换确定为主环，主环以外的碳链均为桥，最长的桥为主桥，其他的为次桥。 （4）编号：编号时，选主桥的一个桥头碳为一号位，延主环碳多的一边依次编号到另外一个桥头碳接着编桥上的碳原子。（5）确定方括号内的数字：在方括号内依次写上主桥两侧的碳原子数、主桥的碳原子数、各次桥的碳原子数，次桥的右上方要写碳位。
  • 螺环烷烃
    • 螺数+带数字的方括号+母体烃的名称（1）确定母体烃的名称：不算螺原子（2）确定螺数（3）编号：从端螺原子相连的小环上的邻碳开始。（4）确定方括号内的数字：依次写出螺原子之间的碳原子数目
• 轨道的杂化和碳原子价键的方向性
  • 甲烷，sp3杂化，键长均为109.1pm，夹角均为109°28'
• 构象
  • 链烷烃
    • 二面角在0°~60°之间的构象成为扭曲型。重叠构型和交叉构型是构象异构体的两种极端情况，也成为极限构象。据架式是从C-C键的轴线上看，每个碳原子上的其他三根键的夹角均为120°。全重叠构象能量最高，对位交叉能量最低。
  • 环烷烃
    • baeyer张力学说
    • 船型和椅型
    • 取代基平键和直键，平键能量》直键能量
• 反应
  • 结构和反应性分析
  • 自由基反应
    • 碳自由基的定义和结构
    • 键解离能和碳自由基的稳定性
      • 键离能；键离能越低，形成的碳自由基越稳定。3>2>1>H3C
    • 自由基的反应共性
      • Br2→（加热或hv）2Br
  • 卤化
    • 甲烷的氯化：甲烷在紫外光或热（250~400°C）作用下 CH4→（Cl2，300~400°C -HCL）CH3Cl→（CL2,加热 -HCL）CH2Cl2→（Cl2，加热 -HCL）CH3Cl3→（Cl2，加热 -HCl）CCl4
    • 甲烷的卤化
  • 热裂
    • 无氧存在时，烷烃在高温（800°C左右）发生碳碳键断裂，大分子化合物变为小分子化合物
  • 氧化
    • 自由氧化、燃烧。CH4+2O2→CO2+2H2O
  • 硝化
    • 烷烃与硝酸或四氧化二氮进行气相反应，生成硝基化合物。CH3CH2CH3→（HNO3 420°C）CH3CH2CH2NO2-25% CH3CH(NO2)CH3-40% CH3CH2NO2-10% CH3NO2-25%
  • 碘化及氯磺化
    • 烷烃在高温下与硫酸反应，生成烷基磺酸。CH3CH3+H2SO4→（400°C）CH3CH2SO3H+H2O
  • 小环烷烃的开环反应
    • 五元或五元以上的环烷烃和链烷烃的化学性质很相似，对一般试剂表现得不活泼，也不易发生开环反应但能发生自由基取代反应。三元、四元小环烷烃分子不稳定，比较容易发生开环反应。环丙烷+氢气→（Pt/C，50℃或镍，80℃）CH3CH2CH3 ;与卤素反应：环丙烷+溴气→（室温）BrCH2CH2CH2Br；与氢碘酸反应：环丙烷+碘化氢→CH3CH2CH2I
• 制备
  • 来源：碳氢化合物的主要来源是天然气和石油。
• 顺反构型的确定
  • 一种异构体的两个取代基在环的同侧，成为顺势构型；另一种异构体的两个取代基在异侧，成为反式构型。