1烷烃的系统命名及同分异构现象.doc

第二章 烷 烃一、重点1烷烃的系统命名及同分异构现象；2烷烃的结构与相应的物理性质如熔点、沸点、溶解度等之间的关系；3烷烃的构象：透视式和纽曼投影式的写法及各构象之间的能量关系；4烷烃卤化的自由基反应机理及各类自由基的相对稳定性。二、难点1烷烃卤化的自由基反应机理反应机理：1）链的引发； 2）链的增长； 3）链的终止。注：较复杂的烷烃被卤代时，各种不同的氢被取代，从而生成不同的产物，有三种因素决定产物的相对比例：1）概率因素； 2）氢原子的活泼性； 3）卤素的活泼性：氯的活泼性较大，但选择性较差，对3，2，1类型氢的活泼性为5 ：4 ：1，受概率影响较大；溴的活泼性较小，但选择性较强，对3，2，1类型氢的活泼性为1600 ：82 ：1。2烷烃的构象：透视式和纽曼式的写法及各构象之间的能量关系。三、教学方法 采用模型、多媒体课件和板书相结合的课堂讲授方法。四、教学内容及过程引言只含碳和氢两种元素的化合物称碳氢化合物（hydrocarbon），简称烃。烃是最简单的有机化合物，其它的有机化合物都可以看作是烃的衍生物。烃可分为开链烃及环烃。开链烃又可分为饱和烃和不饱和烃二类。这一章讨论饱和烃，即烷烃。烷烃分子中碳原子以单键相互成键，其余的价键完全与氢原子相连，分子中氢的含量已达最高限度，因此是饱和烃。2.1烷烃的通式、同系列及构造异构1 烷烃的同系列 甲烷：CH4 乙烷：C2H6 丙烷：C3H8 丁烷：C4H10.二个烷烃分子式之间之差为CH2或其倍数，这些烷烃性质也很相似，这样的一系列化合物叫做同系列。同系列中的化合物互称同系物。CH2叫做同系列的系列差。烷烃同系列的通式：CnH2n+2有机化合物中除了烷烃同系列外，还有其它同系列，同系列是有机化学的普遍现象。在有机化学研究中，同系列给我们带来了方便。研究同系列中几个典型化合物性质后，便可推断其它化合物的性质。2 烷烃的构造异构象如下两式，分子式相同，而结构不同的，叫做构造异构。伯、仲、叔、季碳原子：只与另外一个碳原子相连，其他三个键与氢结合的碳原子称为一级碳原子，也称伯碳原子。用1O表示。只与另外二个碳原子相连，其他二个键与氢结合的碳原子称为二级碳原子，也称仲碳原子。用2O表示。 与另外三个碳原子相连，剩余一个键与氢结合的碳原子称为三级碳原子，也称叔碳原子。用3O表示。 与另外四个碳原子相连，不与氢结合的碳原子称为四级碳原子，也称季碳原子。用4O表示。 例如：其中：C1、C5、C6、C7、C8均为伯碳原子； C4为仲碳原子； C2为伯叔原子； C3为伯季原子；基：烷烃去掉一个H原子后剩余部分称为基。 例如：CH4 CH3 甲基 CH3CH3 CH2CH3 乙基 正丙基 仲丙基（二级丙基） 正丁基 仲丁基（二级丁基）异丁基 叔丁基（三级丁基） 正戊基 异戊基我们把分子式相同，构造不同的异构体称为构造异构体。在烷烃中随着分子中碳原子数的增加，异构体的数目增加很快。在烷烃中碳链的排列实际上是锯齿型的，所谓直链是指不分支的碳链：2.2烷烃的命名法1普通命名法a 链烃分子碳原子数目在10以内时，用天干数表示，即甲、乙、丙、丁、壬、癸；在10以外，则用汉文数字表示。例： 甲烷 乙烷 壬烷 十一烷 二十烷b. 用正、异等来表示异构体为区别同分异构体，常用一些词头来表示。 例如： 正表示直链； 异表示有（CH3）2CH 结构； 新表示有（CH3）3C结构例如： 乙烷 丁烷 正戊烷 异丁烷 异戊烷 新戊烷2系统命名法 IUPAC（International Union of Pure and Applied Chenistry）国际纯粹与应用化学联合会的命名原则。 命名步骤：1）选取主链：以碳原子数最多的碳链为主链,把支链当作取代基。例如：母体为辛烷。2）编号当一个分子具有相同长度的链可以作为主链时，选择顺序为：具有侧链数目数多的链为主链， 从距离支链最近的一端开始，依次编号。（支链的位置即为所连碳原子的位号）例如上例：3）主链碳原子的位次编号位次原则：有几种编号的可能时，小取代基写前面，大取代基写后面，同者合并。4）书写支链名称写在母体名称前，支链位号写在支链前，二者之间用“-”隔开。例如上例的命名应为：4-乙基辛烷 ，读作四位乙基辛烷注意：两种错误 a ：4乙基辛烷 b：4-乙基-辛烷如果有几个相同支链，则在支链前加上二、三、四等字样，表示支链的个数，位号之间用逗号隔开。 2，3，4-三甲基己烷如果有几个不相同的支链，则要按照次序规则中次序较小的在前，次序较大的在后依次写出。例如： 3-甲基-8-乙基-5-丙基癸烷3烷烃的结构碳原子的SP3扎花1碳原子的四面体概念及分子模型 构型：指具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况。 甲烷分子中C-H键长0.11nm， HCH为109o28，四个氢原子正好位于以碳原子为中心的正四面体的四个顶点上。其它烷烃分子中C-H和C-C的键长分别为0.11和0.154nm，或与此相近， CCC在111113o之间，接近四面体所要求的角度。因此，可以认为烷烃分子中碳原子以sp3杂化轨道互相重叠，生成C-C键，碳原子以sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道重叠，生成C-H键。2碳原子的SP3杂化C: 1S2.2S2.2Px.2Py轨道杂化后，不再是原来的轨道，而是一种含有原来不同轨道成分的新轨道：3烷烃分子的形成烷烃分子中，每个碳原子均是sp3杂化的，其中碳原子与碳原子之间各以一个sp3杂化轨道重叠形成C-C 键，剩下的未有成键的sp3轨道再分别与氢原子的1s轨道重叠形成C-H键，即 C-C键：sp3- sp3；C-H键：sp3s 。这样，便构成了丰富多彩的烷烃分子。2.4烷烃的构象2.4.1乙烷的构象 伞形式 锯架式 纽曼投影式 表示前碳 表示后碳 乙烷的构象：乙烷有两种典型的构象 重叠式 交叉式其中重叠型分子中，由于C上H与H之间的距离比较近，斥力大，因此能量高，分子不稳定。交叉型分子中，由于C上H与H之间的距离比较远，斥力小，能量较低，分子比较稳定，为乙烷的优势构象。二者的能量相差约为12.5KJmol-1，低温下以交叉式存在为主，温度升高重叠式含量增加。在室温下分子之间的碰撞能量约为84 KJmol-1，足以使分子自由旋转，因此不可把各种构象严格区分开来。扭转能：构象之间转化所需的能量。当外界能量大于扭转能时，则构象相互转化。乙烷分子构象转化能量示意图如下：2.4.2 正丁烷的构象其中对位交叉式为优势构象，从图中可以看出各构象的能量相对大小。从丁烷的构象可以解释为什么丁烷的分子呈锯齿形。对重叠式和交叉式能量不同的原因，一种意见认为：C-C是键，电子云围绕键轴对称分布，围绕C-C键的转动不影响电子云的分布，但相邻碳原子上C-H键的电子云相互排斥，重叠式中二个碳原子上的C-H键相距最近，因此能量最高。由于分子不停地运动，进行能量交换，当分子得到的能量（位能）超过二个交叉式之间的能垒时，分子就可以通过围绕单键的旋转，由一个交叉式变为另一个。在25下，这种转变每秒发生次数高达1011次。温度越高，旋转速度越快，在大部分时间内，乙烷分子为交叉式构象。2.5 烷烃的物理性质1物质状态 常压下，14个碳的烷烃是气体，516个碳的烷烃是液体，17个碳以上的为固体。2沸点 正烷烃的沸点随分子量的增加而升高，这是由分子的色散力所决定的（烷烃为非极性分子，不存在静电引力，诱导力）。色散力的作用： 色散力与分子中原子的数目大小约成正比。有支链的分子由于支链的阻碍，不能紧密靠在一起，色散力比直链烷烃小，沸点相应要低。3熔点 分子结构对称性越好，其熔点越高。因此偶数碳的直链烷烃高于奇数碳的直链烷烃，甲烷高于丙烷，新戊烷高于戊烷。2.6 烷烃的化学性质2.6.1氯化反应取代反应：指烷烃中的氢原子被其他原子或基团所取代。 甲烷与Cl2的反应历程甲烷与Cl2的反应有如下的反应事实： 在室温、黑暗中不反应； 高于250发生反应； 在室温下如有光存在能发生反应； 用光引发反应，吸收一个光子就能产生几千个氯甲烷分子；如有氧或有一些能捕捉自由基的杂质存在，反应有一个诱导期，诱导期时间长短与存在这些杂质多少有关。在光照条件下,烷烃与氯气的反应为自由基反应。如：丙烷和异丙烷的一氯代反应如下：上述两个反应产物的比例与反应物中该种氢的比例比相一致，其原因是由于中间体的稳定性不同，两个反应的中间体均为自由基， 自由基越稳定则越易生成，又由于自由基反应的定速步骤为自由基的生成，因此自由基越稳定，生成相应的产物的反应越快。第一个反应中，反应的中间体分别为：第二个反应中，反应的中间体分别为：一般情况下，自由基的稳定性为：2.6.2 氧化反应 氧化 烷烃在有催化剂存在的条件下可以进行氧化反应，反应生成混合物，反应式如下所示：燃烧在有从充足的氧存在时，发生如下的反应：