《有机化学烷烃》PPT课件.ppt

第二章 烷烃(alkane) n 1 烷烃的同系列及同分异构现象 n 2 烷烃的命名法 n 3 烷烃的构型 n 4 烷烃的构象 n 5 烷烃的物理性质 n 6 烷烃的化学性质 n 7 烷烃的卤代反应历程 n 8 过渡态理论 n 9 甲烷和天然气 第一节 烷烃的同系列及同分异构现象 n 一、烷烃的同系列 n烷烃的通式：CnH2n+2 同系列 （Homologous series）： 通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质 随碳原子数的增加而有规律变化的化合物系列。 同系物 （Homologs） 同系列中化合物互为同系物 系列差 CH2 二、同分异构体 分子式同，结构不同的化合物 分子式同，碳干构造不同 碳干异构 (constitutional isomerism) 同分异构体的书写方法 三、结构式的书写 n构造简式： 碳干式：氢省略 键线式（骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略 四、碳原子和氢原子的种类 n 伯碳（一级碳）1（primary)： 直接与一 个碳原子相连 n 仲碳（二级碳）2(secondary)：直接与二 个碳原子相连 n 叔碳（三级碳）3(tertiary)： 直接与三个 碳原子相连 n 季碳（四级碳）4(quaternary)：直接与四 个碳原子相连 n 与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称伯、仲 、叔氢（1H、2H、3H） n 第二节 烷烃的命名法 n 一、普通命名法 n 二、烷基的命名 n 三、系统命名法 一、普通命名法 n 1、正(normal)某烷 C1C10 天干：甲 、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 n C10 汉文数字 n n正己烷（n-hexane) n n2、异(iso)某烷 碳链一末端带两个甲基。 n ( i -hexane) 特殊： n 3、新某烷 n 含五或六个碳的碳链端第二个碳原子为 季碳原子的称为“新某烷” n n (neohexane) 二、烷基的命名 n 一价基： n 二价基： 三价基： 三、系统命名法 n1、直链烷烃：某烷 2、支链烷烃 （1）选择主链（母体）：选择碳原子数最多的碳链 为主链 例1、2：给下列有机物选择主链 如果两条碳链的碳原子数相同时，选 择含支链较多的碳链为主链。 A 为主链 （2）主链碳原子的位次编号 n a. 从靠近取代基一端顺次编号； b. 当有几种编号可能时，选择使取代基具有“最 低序列”即使取代基的编号顺次逐项为最小的编 号； n例4： 取代基编号：（上）2，6，8 （下）2，4，8 （正确编号 ） （3）名称的书写次序 取代基的排列顺序：小 前、大 后、同 合并 取代基顺序规则 IUPAC法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。 例1 例2 例1： 2-甲基己烷 2-methylhexane 例2： 3-甲基己烷 3-methylhexane 例3： 2，5-二甲基-3-乙基己烷 IUPAC 3-ethyl-2,5-dimethylhexane 例4： 2，8-二甲基-4-乙基壬烷 4-ethyl-2,8-dimethylnonane 注意：取代基和母体名称之间不加短线。 学习的线索： n结构性质用途 结结 构 构造分子中原子的排列顺顺序 构型分子中原子在空间间的排列状况 构象 由于单键单键 的旋转转，形成分子中各 原子或原子团团的空间间排布。 第三节 烷烃的构型 n一、碳原子的四面体概念及分子模型 n 1、四面体概念 n 以甲烷为例 n CH 键长： 0.109nm n HCH键角：10928 n 2、分子模型 n 凯库勒模型、斯陶特模型 n 3、构型(Configuration)：具有一定构造的 分子中原子在空间的排列状况。 二、碳原子的 sp3 杂化 n 1、碳原子的sp3杂化 n 2、sp3杂化轨道特点 方向性更强 4个SP3轨道等同 最稳定的排列方式：正四面体(4个价 键尽可能远离） 三、烷烃分子的形成 甲烷：CH4 CH键：SP3S n甲烷分子的形成 乙烷：C2H6 nC-C键 SP3SP3 n CH 键 SP3S n分子的形成 四、分子立体结构的表示方法 n1、楔型（伞型）透视式及书写 n 甲烷： 甲烷凯库勒模型楔型透视式 书写： 乙烷： 书写： 2、锯架（sawhorse formula)透视式及 书写 3、纽曼投影式(Newman projection)及 书写 二、乙烷的构象 n 1、两种极限构象的表达 重叠式（顺叠式） Eclipsed conformation 交叉式（反叠式） Staggered conformation 重叠式和交叉式构象的楔型式、锯架式和纽曼式。 前后两个碳上的氢 原子处于交叉位置 前后两个碳上的氢 原子处于重叠位置 模型楔型式锯架式纽曼式 模型锯架式纽曼式楔型式 2、两种极限构象的位能变化 n稳定性比较： n交叉式重叠式 三、正丁烷的构象 围绕C2 C3单键旋转形成各种构象 1、四种极限构象式的表达 对位交叉式（反叠式） 部分重叠式（反错式） 邻位交叉式（顺错式） 全重叠式（顺叠式） 2、四种极限构象的位能变化 n稳定性比较： n对位交叉式邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式 n注意：构造、构型、构象和极限构象 n思考： n1.写出丁烷的邻位交叉式（锯架式、楔 型式） n2.总结书写纽曼式、锯架式、楔型式的 规律 第五节 烷烃的物理性质 n一、物态 n规律： 二、沸点 boiling point 规律： 三、熔点 melting point 规律： 随分子量的增加，由气态 液态 固态 A. C数增加，沸点b.p.升高； B. 正烷烃b.p支链烷烃（同碳数 ） A. C数增加，熔点m.p.升高； B. 偶数烷烃m.p奇数烷烃 四、相对密度 density n 规律: n C数增加，相对密度D升高 五、溶解度 solubility n 规律: n难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃 类。 n相似相溶 第六节 烷烃的化学性质 n一、化学性质稳定 n原因： n（1）CC、CH 键的键能大，不易 破裂； n 化学键键 CC CH 键键能 KJ/mol 345.6 415.3 （2）CC 键矩为0 ，CH 键矩很小， 电子云分布均匀，为非极性分子； w（3）键的断裂：均裂 二、氧化 Oxidation（自由基反应） n1、燃烧 用途：用作燃料（重要能源之一） 当CH4O2（空气）= 12（10）瓦斯爆炸 2、控制氧化 R：C20C30 代替动植物油脂制造肥皂 生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等 三、热裂 Pyrolysis （自由基反应） n1、热裂：在高温及无氧条件下发生键断裂的分 解反应。 生产燃料和化工原料 2、催化热裂：应用催化剂的热裂反应称催化热裂反 应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率 . 四、卤代 Helogenation （自由基反应） n1、甲烷的氯代 用途： 1）生产氯代甲烷混合溶剂； 2）控制条件，制备一氯甲烷 。 2、甲烷的卤代 卤素的活性：F2 Cl2 Br2 I2 思考： 1）为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？ 2）反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，如 何分离？ 3、C3以上烷烃的卤代 从反应式中可看到： n 同一化合物中，不同的氢原子被卤代 的产率不同； n 同一化合物中，同一氢原子，不同的 卤素，氢被卤代的产率不同。 n说明： n （1）氢原子的卤代反应活性： n 每个氢原子的反应几率=产率/H的 个数 氯代反应中氢原子的反应活性： n 1H： 43/67 64/97 n 2H： 57/2=28.5 n 3H： 36/1= 36 n 氯代：3H 2H 1H n = 541 n 溴代：3H 2H 1H n = 1600821 n（2）根据反应活性，推测异构体的产率 n思考：为什么H原子的卤代反应活性顺序 为：321？ 第七节 烷烃卤代反应历程 Reaction Mechanism n反应历程（或反应机理）：化学反应所经历的 途径或过程。 n研究内容： n 反应步骤； n 反应中心； n 价键变化； n 影响因素； n研究思路： n 一、甲烷的卤代历程 n 1、甲烷和氯气反应的实验事实： 2、根据实验事实，提出如下机理： n链引发（chain initiation）： 链传递（chain propagation）： 链终止（chain termination）： 思考： 为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？ 二、卤素对甲烷的相对反应活性 n卤素的相对反应活性为：氟 氯 溴 碘 n反应活性的解释： n1、反应热（Reaction enthalpy HR）解释 HR = （435.1+242.5）-（351.4+431） = -104.8 KJ/mol（放热） 反应热：一般来说，放热反应较易进行， 而吸热反应较难进行。 表：甲烷卤代的反应热 2、活化能（Activation energy ) n 活化能：为使反应发生而必须提供 的最低能量。 n 活化能越低，反应越易发生。 活化能EFEClEBrEI KJ/mol 4.216.775.2137.9 卤素对烷烃的相对取代反应活性： F2 Cl2 Br2 I2 三、氢原子反应活性与自由基的稳定性 n 1、氢原子的反应活性 n 氢原子的反应活性顺序为： 321 n 2、自由基的稳定性 n 结构： 甲烷烷 CH4 甲基自由基 CH3 CSP3杂杂化 CSP2杂杂化 解离能： n 同一类型的键（如CH）发生均裂时 ，键的离解能愈小，则自由基愈容易生 成，生成的自由基也较稳定。 自由 基 自由 基类类 型 1 1 1 2 3 CH 解离能 KJ/mol 435.1410410397.5 380.7 自由基的稳定性顺序为：3 2 1 CH3 氢原子的反应活性为： 3 2 1 卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基 第八节 过渡态理论 n一、反应进程的过渡态与能量变化 n1、反应进程与过渡态（Transition state） 2、能量变化曲线图表示反应进程的能量变化 n（1）一步反应 a：反应物位能（峰谷） b：过渡态位能（峰顶） c：产物位能 （峰谷） E：活化能 E：逆反应的活化能 H：反应热 思考： 1）上图表示的反应是放 热还是吸热？ （2）多步骤反应 二、甲烷氯代反应的能量变化 n链增长： 反应应 E KJ/mol H KJ/mol 16.74.1 4.2-109 链终止： 三、过渡态与中间体、反应热与活化能 过过渡态态中间间体 反应应的中间间状态态反应应中产产生的活泼质泼质 点 未被测测出 可测测出（稳稳定的中间间体 则则可分离） 位能的最高点（峰顶顶 ） 位能低于过过渡态态、高于 产产物 活化能 反应热应热 T.S与反应应物内能差 反应应物与生成物的内能 差 反应发应发 生所需的最低能 量 反应应放出或吸收的能量 E0（实验测实验测 定） 通过键过键 能计计算，也可实实 验测验测 定 H0 吸热热； H0 放热热 决定反应应速度 不能决定反应应速度 第九节 甲烷与天然气 n天然气和液化天然气 n1.天然气 n成分：甲烷（主要）、乙烷、丙烷等烃类化合 物，少量氮气、氧气、二氧化碳 n 存量（我国）： n 常规可采资源量 16.11012m3 n 非常规可采资源量 271151012m3 n 用途：燃料、化工原料 n为减少污染，提高城市环境质量，日本政府正在制订相关政策和措施，大力推广 使用天然气的汽车，力争到2010年将天然气汽车的实际数量从目前的4500多辆 提高到100万辆。 中国天然气存在的主要问题 n 1天然气储量不多。天然气年产量仅400多亿M3左右，在中国能源生产中的比例不足 5%，与世界相比具有很大的差距。据有关资料显示，中国天然气储量在世界天然气总量中不 足3%。 n 2天然气勘探开发难度较大。现已探明天然气地质储量3.4万亿m3，尽快将这些储量开 发利用，对促进国民经济发展有非常重要的作用。但中国的这些储量大多分布中国西部的老 、少、边、穷地区，地表条件多为沙漠、黄土塬、山地，地理环境恶劣。多数勘探对象低孔 、低渗、埋藏深、储层复杂、高温高压，且远离消费市场，开发利用这些储量还存在许多技 术难题。譬如中国的鄂尔多斯盆地的苏里格大气田，探明地质储量近6000亿M3，但在产能建 设上存在许多技术难题，它是大面积、低孔、低渗的岩性气田，这是中国开发利用从没遇到 过的气田，涉及到钻井工艺、储层改造工艺等技术难题，而类似的气田还有许多。又如四川 盆地的气田主要属于碳酸盐岩的裂隙和次生孔隙气田，它们的不均质性很强，开发和稳产难 度相当大。 n 3天然气市场还较为滞后。主要表现在中国天然气市场实际需求量小于天然气管道设计 输送能力。从中国目前形成的区域性天然气市场来看，油气田供气能力大于天然气市场的实 际需求量。天然气生产单位生产的天然气除了满足本单位和目前仅有的少量天然气用户外， 其他大部分天然气几乎被放空烧尽。总体来说，终端用户对天然气的价格承受能力还差，天 然气作为一种替代能源与其他能源特别是煤和水电在价格上还缺乏竞争力，价格偏高。如果 天然气价格较高，用户就会选择使用煤和水电来替代，这样天然气用户就会减少。其主要原 因是：中国绝大多数天然气田产层薄、含气丰度低、埋藏深及其自然环境恶劣，决定了天然 气勘探开发投入的成本较高。天然气资源主要分布在中西部地区，远离东部经济发达主要消 费市场，天然气输送干线长，管道投资回收期短，致使管输费用较高，占天然气价格比例大 。中国现在正在建设“西气东输”管道，干线全长4200多公里，建成通气时，如果东南沿海主 要天然气用户市场发展滞后，那么造成的经济测算与实际用量要少几十亿。 n 4天然气管理体系和法规不健全