有机化学思维导图烷烃

第二章烷烃知识点总结思维导图，从物理性质、化学心智、卤化反应机理、构型、命名法、构造等方面进行了概述和分析。

烷烃

• 构造
  • 同系列
    • 同系列（化合物）
      • 符合同一个通式
      • 结构相似
      • 化学性质相似
      • 物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化
    • 同系物
      • 同系列中的化合物互称为同系物
    • 系列差
      • 同系物之间相差一个或多个CH2，这个CH2就称为系列差
    • 注意根据分子结构上的差异来理解分子性质上的异同
  • 同分异构现象
    • 分子式相同，结构不同
    • 同分异构
      • 立体异构
        • 构型异构
        • 构象异构：原子空间位置不同
      • 构造异构；原子间结合顺序不同
    • 实质上是碳架构造的不同而产生的（碳干异构）
    • 书写低级烷烃的同分异构体的基本步骤（课本P19-20）
  • 伯、仲、叔和季碳原子
    • 把直接与一个碳原子相连的称为伯碳或一级碳原子，以此类推
    • 把分别和伯、仲、叔碳原子结合的氢原子称为伯、仲、叔氢原子
      • 不同类型的氢原子的反应性能有一定差别
• 命名法
  • 普通命名法
    • 直链烷烃
      • 正某烷（"normal" "n"）
    • 支链烷烃
      • 异某烷（碳链的一末端带有两个甲基的特定结构）（"iso" "i"）
      • 新某烷（在含5个或6个碳原子烷烃的异构体中含有季碳原子）（"neo"）
    • 只能适用于结构比较简单的烷烃
  • 烷基
    • 甲基 亚基 次基（与碳原子的价数有关）
  • 系统命名法
    • 直链烷烃
      • 与普通命名法基本相同，去掉"正"字，称"某烷"
    • 支链烷烃（具体步骤）
      • 选主链（母体）
        • 含碳原子数最多的作为主链，写出主链烷烃的名称
          • 若有多条碳原子数目相同的碳链，选择取代基多的碳链为主链
      • 主链碳原子的位次编号
        • 从距离取代基最近的一端开始编号
        • 主链编号（从不同方向）得到多种不同编号的系列时，遵循"最低系列"原则
          • "2,4,8"与"2,6,8"
        • 出现多条取代基数目相同的碳链，以具有"最低系列"编号的碳链为主链
      • 名称的书写规则（书本P25-26）
        • 次序规则
          • 单原子取代基按原子序数大小排列，大者为"较优"基团。若为同位素，质量大的为"较优"基团。（I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>D>H）
          • 多原子取代基：顺次比较与第一个原子相连的原子的原子序数
          • 含双键或三键基团：可认为连有两个或三个相同原子
• 构型
  • 碳原子的四面体概念及分子模型
    • 构型：具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况。
    • 碳的四面体概念：碳原子位于四面体的中心，四个原子或原子团在四面体的顶点上。由碳原子向四个顶点所作连线就是碳原子四个化学键的分布。
      • 1874年，范特霍夫和勒贝尔分别提出碳四面体构型学说
    • 分子模型
      • 凯库勒模型（球棒模型）
      • 斯陶特模型（比例模型）
  • 碳原子的sp3杂化
    • 杂化
      • 有两个未成对电子，应该是二价的，但C是四价的，是因为C轨道发生了杂化，重新组成了新轨道。
    • 杂化轨道
      • 能量相近的原子轨道重新分配轨道能量和调整空间伸展方向，组成的同等数目，且能量完全相同的新轨道。
    • sp3杂化轨道的特征
      • 一个s轨道和三个p轨道形成四个完全等同的sp3杂化轨道，每个sp3轨道各含1/4s成分和3/4p成分。
      • 有最佳的空间取向：电子对间斥力最小，夹角为109.5度，保持了最大程度的远离。
      • 有更强的方向性：电子云密度大，成键能力强
  • 烷烃分子的形成
    • 甲烷：C原子的sp3轨道沿着对称轴的方向分别与H的1s轨道相互重叠成σ键。
    • 乙烷：两个C原子各以一个sp3轨道重叠形成C-C键，又各以三个sp3轨道分别与H原子的1s轨道重叠形成C-H键。
    • σ键：C-C为sp3-sp3、C-H为s-sp3，电子云沿键轴近似于圆柱形对称分布，成键的两个原子可以围绕σ键自由旋转。
  • 分子立体结构的表达方式
    • 楔形（伞形）透视式：楔前、虚后、实平面
    • 锯架透视式
    • 纽曼投影式
• 构象
  • 具有一定构造的分子通过单键的旋转，形成各原子或原子团的种种空间排布。
  • 乙烷的构象
    • 乙烷分子的势能曲线图
    • 两种极限构象
      • 交叉式构象：两H原子之间的距离为0.250nm，无范式张力，H原子间排斥力最小，分子的内能最低，较稳定。
      • 重叠式构象：有范式张力，排斥力大，内能最高，最不稳定。
    • 扭转能与扭张力（书本P33）
  • 正丁烷的构象
    • 正丁烷分子势能变化曲线图
    • 主要构象及稳定性比较：对位交叉式>邻位交叉式>部分重叠式>全重叠式
    • 室温下，正丁烷构象异构体处于迅速转换的动态平衡中，不能分离，丁烷锯齿状的碳链最稳定。
• 过渡态理论
  • 1935年，由艾林和波拉尼等人提出，它以统计热力学和量子力学对反应过程中能量变化的研究为依据，提出反应物分子在相互接近的过程中先被活化生成高能量的活化配合物即过渡态，过渡态再分解为产物。
• 一卤化反应机理
  • 指化学反应所经历的途径或过程，是对反应中化学键变化的逐步描述。
  • 甲烷的一氯化反应机理
    • 链引发
      • 特征：吸收能量产生自由基，但不消耗自由基，常用光、热、过氧化物等引发自由基。
      • 氯分子吸收光和热发生均裂，生成两个氯自由基。
    • 链传递
      • 每一步消耗一个自由基，但又为下一步产生一个自由基，使反应能够进行下去。
      • 每一步都消耗一个自由基，而又为下一步反应产生一个新的自由基。
    • 链终止
      • 自由基互相结合，被消耗不再产生。
      • 自由基被消耗完，不再产生，反应终止。
  • 各种卤素对甲烷的相对反应活性
    • 书本P42
  • 不同类型氢原子的卤化反应活性
    • 烯丙型、苄型>3°>2°>1°>甲烷
  • 烷基自由基的相对稳定性和解离能
    • 解离能越小，较容易发生均裂，自由基越稳定。
    • 相对稳定性：3°R>2°R>1°R
• 化学性质
  • 氧化反应
    • 实质是自由基反应
      • 通过共价键的均裂而进行。
    • 在高温、加压或催化剂作用下发生部分氧化，生成各种含氧衍生物。
      • 目前重要的成功实例如丁烷在170-200℃和7MPa压力下，用空气氧化生成乙酸。
  • 热裂解反应
    • 在高温及无氧条件下发生键断裂的反应。
      • 烷烃的蒸气在无氧条件下加热到450℃以上，分子中的C-C、C-H 会发生断裂，形成较小的分子。
  • 卤化反应
    • 烷烃的H原子可被卤素取代生成卤代烃，并放出卤化氢。
    • 卤素与烷烃反应的相对活性顺序：F2>Cl2>Br2>I2
    • 卤化后生成的卤某烷含量=某种H原子的总数×相对活性
• 物理性质
  • 意义：鉴别化合物或判别化合物的纯度； 根据物性来分离提纯化合物；
  • 物质状态
    • 常温、常压下（0.1MPa）
    • C1-C4：气态；C5-C16：液态；C17以上：固态
  • 沸点
    • 正构链烷烃
      • C原子数目越多，相对分子质量越大，沸点越高
        • 原因：烷烃是非极性分子，没有偶极力，也不能形成氢键，分子间的吸引力只有色散力，色散力与分子的表面积有关； 分子越大，相对分子质量越大，分子运动所需能量增高。
      • 碳原子数目相同，支链越多，沸点越低
        • 原因：与分子的表面积有关
      • 支链数目相同，分子对称性越好，沸点越高
        • 原因：支链多的分子近似于球形，分子的接触面积小，而使分子间的引力小于支链烷烃。
    • 环烷烃
      • 相对分子质量越大，沸点越高
      • 带支链的环烷烃比同碳数的环烷烃沸点要低
      • 其顺式异构体沸点较高
      • 环烷烃比同碳数正构烷烃沸点高
  • 熔点
    • 含偶数C的烷烃比奇数C的熔点升高的多一些（C3后）
  • 相对密度
    • 原因：分子间引力随着分子量的增大而加大，分子间的距离相应地减小，因此相对密度增加。
    • 分子量越大，相对密度也越大
    • 同分异构体在，支链数越多，相对密度越小
  • 溶解度
    • 烷烃不溶于水，能溶于某些有机溶剂