高中化学 烷烃与环烷烃烷烃和环烷烃（一）课件.ppt

烷烃和环烷烃 烃 链烃 脂肪烃 环烃 饱和链烃 烷烃 不饱和链烃 烯烃和炔烃 脂环烃 芳香烃 饱和脂环烃 环烷烃 不饱和脂环烃 环烯烃 第一节烷烃 一 烷烃的同系物和分子通式二 构造异构三 饱和碳原子和氢原子的分类四 命名五 结构六 物理性质七 化学性质 一 氧化和燃烧 二 热裂反应 三 卤代反应八 烷烃卤代反应的反应机理 一 甲烷卤代反应的反应机理 二 甲烷卤代反应过程中的能量变化 三 烷烃卤代反应的影响因素 第一节烷烃 ch3 ch2 nch3 分子通式 cnh2n 2 具有同一分子通式 组成上彼此相差一个或多个ch2单位的一系列化合物 称为同系列 同系列中各化合物之间互称为同系物 ch2 单位又称为同系差 一 烷烃的同系物和分子通式 烷烃构造式表示法 构造式表示法 示性式 简化示性式 骨架式 二 构造异构 一 几个概念 构造异构 碳链异构 官能团异构和官能团位置异构 构型异构 顺反异构 对映异构 构象异构 二 烷烃的碳链异构 ch3ch2ch2ch3 丁烷熔点 138 沸点 0 5 异丁烷熔点 160 沸点 12 分子式相同而结构不同的化合物之间互称为同分异构体 这种现象称为同分异构现象 c6h14 由长到短 由心到边 孪 邻到间 三 异构体的推导 1 不考虑两端的碳原子 2 不考虑主链连上支链而增长的情况 3 具体推导时可依据这样一个原则进行 主链由长到短支链由整到散位置由心到边排布孪 邻到间 三 饱和碳原子和氢原子的类型 1o 1o 1o 1o 1o 2o 3o 伯 1oc 和一个c结合 仲 2oc 和两个c结合 叔 3oc 和三个c结合 季 4oc 和四个c结合 4o 和其相对应 氢原子可以分为三类 1oh 2oh 3oh 四 烷烃的命名 一 普通命名法 十个碳原子以下的直链烷烃用天干字母 烷 甲乙丙丁戊己庚辛壬癸十个碳原子以上的直链烷烃用中文数字 烷 异构体的命名 用正 异 新等区别 正丁烷异丁烷新戊烷 正戊基异戊基仲戊基 叔戊基新戊基 烷基的命名 直链烷基 链端第二位碳原子上有一个甲基支链 链端第二位碳原子上有两个甲基支链 游离价连接在叔碳原子上 游离价连接在仲碳原子上 二 系统命名法 1 直链烷烃 和普通命名法相同 2 支链烷烃 命名时可将其看作直链烷烃的取代衍生物 系统命名原则 1 选主链 选母体 2 主链的编号 3 书写化合物名称 4 复杂支链的命名 含碳数最多的 并按直链烷烃的命名法得其名称 以此为母体 几条等长的主链 连支链最多的 使所有取代基的编号和为最小 60年原则 80年原则 从最先遇到支链的一端开始编号 两端编号 位次依次排列 逐项对比 最先出现差别那项中 取位号小的那种编号 将取代基的名称及位置表示在母体名称的前面 取代基位置用阿拉伯数字表示 位置和名称之间加一半字线 几个相同的取代基 名称合并在一起 取代基数目用中文数字 表示位置的阿拉伯数字之间加 几个不同的取代基 先简单后复杂 或者说按 次序规则 排列 优先基团后列出 复杂直链要另行命名 主链选择应从与主链直接相连的那个碳原子开始 编号也要从该原子开始 表示方法有两种 a 加括号 将整个支链的名称放在括号内 b 不加括号 支链取代基的位置编号加 12345 3 甲基戊烷 7654321 3 甲基 4 乙基庚烷 4 ethyl 3 methylheptane 123456 3 3 dimethylhexane 3 3 二甲基己烷 12345678 3 4 dimethy 6 ethylloctane 3 4 二甲基 6 乙基辛烷 123456789 2 6 6 三甲基 4 异丙基壬烷 4 isopropyl 2 6 6 trimethylnonane 1 甲基乙基 1 3 二甲基丁基 1 1 二甲基 2 乙基丁基 123456789 123 5 1 ethyl 1 methylpropyl 5 propylnonane 5 丙基 5 1 甲基 1 乙基丙基 壬烷5 丙基 5 1 甲基 1 乙基丙基壬烷 基态 激发态 激发 五 烷烃的结构 一 碳原子的sp3杂化 sp3杂化的特点 二 烷烃分子的形成 甲烷的球棒模型 丁烷的kekul 模型 球棒模型 丁烷的kekule模型 球棒模型 丁烷的斯陶特模型 丁烷的斯陶特模型 烷烃结构总结 1 所有键均为单键 键 只有c c 键和c h 键两种 2 烷烃中所有原子均采取sp3杂化 和每个碳原子相连的其它四个原子或原子团均呈四面体分布 四个相同原子 正四面体分布 键角相等 为109o28 四个不相同的原子 非正四面体分布 键角接近于109o28 3 直链烷烃碳链呈锯齿状分布 1 乙烷的构象 1 典型构象 三 烷烃的构象 构象 conformation 一定构型的分子通过单键旋转 形成各原子或原子团的空间排布 重叠式构象 交叉式构象 乙烷的构象有多少种 2 构象表示法 纽曼投影式 沿c c键键轴投影 离观察者近的碳原子用一个点表示 远的用圆圈表示 锯架式 交叉式 交叉式 重叠式 重叠式 3 构象稳定性及优势构象 稳定性 交叉式 重叠式优势构象 交叉式 乙烷构象能量图 室温下 分子的热运动能83 8kj mol 单键的旋转是不是完全自由 2 正丁烷的构象 能量大小顺序 1 2 3 4 优势构象 对位交叉式 典型构象 ch3ch2 ch2ch3 1 对位交叉式 2 邻位交叉式 3 部分重叠式 4 全重叠式 对位交叉式 sideview endview 邻位交叉式 sideview endview 全重叠式 sideview endview 部分重叠式 sideview endview 丁烷构象能量图 六 烷烃的物理性质 一 分子间作用力 1 氢键 氢原子与原子半径相对较小且带有未共享电子对的原子 o n f等 间 可以通过空间发生场相互作用 形成氢键 这是裸露的氢原子核与富电子的孤对电子之间发生的静电吸引作用 但具有方向性和饱和性 下图 2 范德华力取向力 发生在极性分子和极性分子之间 诱导力 发生在极性分子和极性分子 或极性分子和非极性分子之间 色散力 非极性分子之间的作用力 是由于 瞬时偶极矩 而产生的 水的 分子间 氢键 极性分子的取向 二 物理性质 是鉴定有机物的依据 体现同系物的变化规律 2 沸点 b p 随含c数增加 沸点升高 随含c数增加 沸点升高趋势渐缓 支链烷烃的沸点 小于直链 解释 烷烃是非极性分子 分子间作用力 色散力 色散力与分子质量成正比 ch2在不同分子中 引起的质量增加率不同 支链增多 分子不易彼此靠近 物质蒸汽压达到外压时的温度 甲 161 7 乙 88 6 戊 36 1 己 68 7 异戊烷 29 9 1 物理状态 c1 c4为气体 c5 c16为液体 c17以上为固体 3 熔点 m p 偶奇数各循一条变化轨迹 偶数较高 结构对称的烷烃其熔点高 解释 除分子间引力外 分子对称性越好 越易排列成紧密的分子晶体 规则的晶体排列被破坏时的温度 戊烷 129 8 异戊烷 159 9 新戊烷 16 8 4 相对密度 随c增加 小于水 5 溶解度 不溶于水 相似相溶 甲烷特高 七 烷烃的化学性质 总的来说 烷烃非常稳定 特殊结构决定 1 仅有 c c c h 两种 键 键能高 牢固 2 分子无极性 正 负电荷分布均匀 无特殊反应中心 烷烃与强酸 强碱 强氧化剂 强还原剂 金属钠等均不起反应 只有在一些特殊条件下 烷烃才能和一些特殊试剂发生反应 如 氧化和燃烧 热裂 取代等 一 氧化和燃烧 烷烃控制氧化成各种含氧衍生物 醇 醛 羧酸 在工业上有应用 r rr c20 c30 燃烧热 在标准状况下 1mol烷烃完全燃烧所放出的热量叫燃烧热 p44几种烷烃的燃烧热燃烧热反映了分子内能的高低和稳定性的大小 燃烧热大 内能越高 稳定性越低 燃烧热小 内能越低 稳定性越高 直链烷烃每增加一个 ch2 单位 燃烧热平均增加658 6kj mol 支链烷烃比直链烷烃的燃烧热小 二 裂化反应 热裂 有机化合物在高温和无氧条件下发生键断裂的反应 温度在450 以上 为自由基反应 催化裂化的温度可以低些 裂化在炼油工业上是一个很重要的反应 石油主要分馏产物 三 卤代反应 有机化合物分子中的氢原子被卤原子取代 甲烷的氯代 注意 1 需在光照或加热下才能发生 2 卤代一般得到多种卤代产物的混合物 很难得到单一的产物 甲烷 氯气 10 1400 一氯产物为主甲烷 氯气 0 263 1400 四氯产物为主 4 不同的卤素发生卤代反应的难易程度不同氟 氯 溴 碘 5 不同卤素对不同类型氢原子的选择性却是溴大于氯 3 烷烃中不同类型的氢原子被取代的难易程度不同 规律为 叔 仲 伯 25 时 不同类型氢原子一氯代的相对活性 3 h 2 h 1 h 5 4 1 而溴代的选择性更高 相应为1600 82 1 例 预测下面反应所生成的一卤代异构体的比例 解 1 2 3 9 1 6 1 1 5 9 6 5 八 烷烃卤代反应的反应机理 一 甲烷的氯代反应机理 实验事实 1 黑暗下不加热 无反应 2 仅加热 能反应 3 仅光照 能反应 4 氧气的存在 能延缓反应的发生 氯自由基 每一步都产生一个新自由基 链反应 链引发 链增长 反复进行 自由基之间相互碰撞 链终止 键能cl cl242 8ch3 h435 4 键能h cl431 2ch3 cl351 6 1 自由基链锁反应 注意 1 生成烷基自由基的一步较困难 此步决定整个反应的反应速度 2 所有烷烃的卤代均是按自由基连锁反应机理发生的 均要经过链引发 链增长 链终止三个阶段 3 三个阶段是对一个基元反应而言 而不是对整个体系 对整个体系而言三个阶段可共存 4 一切有利于自由基产生和传递的因素都有利于反应的进行 2 烷基自由基的的电子结构及稳定性 sp2杂化 单电子在p轨道上 其稳定性次序为 叔自由基 仲自由基 伯自由基 甲基自由基 ch3ch2ch2 h 可见自由基的稳定性 30r 20r 10r ch3 生成自由基 所需能量越小 即自由基的内能越低 故越稳定 离解能 kj mol 1 435 410 395 380 435 4kj mol 410 3kj mol 397 4kj mol 380 9kj mol 烷基自由基的离解能 二 甲烷氯代反应的能量变化 链引发 为什么不是 链增长 为什么不是 能量变化是反应的基本动力 断键 需要能量成键 放出能量 cl cl 243 ch3 h 435 需要的能量越少 放出的能量越多 反应越容易进行 h cl 431 ch3 cl 349 反应热也叫热焓差 h 是指标准状况下反应物和生成物焓之差 反应热为负值时 为放热反应 为正值时 为吸热反应 为吸热反应此步决定整个反应 1 反应热 2 活化能和过渡态 活化能的概念使分子发生反应所必须的最小限度的能量叫活化能 ea 活化能越小 说明反应时要求分子的能量越低 在相同条件下 超过这一能量的分子数越多 有效碰撞次数越多 速度越快 份数 e ea 过渡状态理论 分子中的旧键已松弛和削弱 新键已开始形成 结构介于反应物和产物之间 能量最高 分子碰撞引起分子的几何形状 电子云密度和运动状态的改变 使分子的内能升高 其最高的能量状态即为过渡态 决定反应速度的是活化能 而不是反应热 3 甲烷氯代反应的能量变化 决定反应速度的步骤产生烷基自由基的一步 中间体和过渡态的异同相同点 能量高 寿命短 活性高 不同点 中间体处能谷 能证实 过渡态处能峰 不能分离出来 1 不同类型氢原子的相对反应活性及理论解释 活性规律为 30h 20h 10h h ch3 溴代 127 3 97 溴代 127 痕量超过99 三 烷烃卤代反应的影响因素 这些反应事实说明三个反应规律 1 氢的活性 2 卤素的活性 3 卤素的选择性 1 根据烷基自由基的稳定性解释 生成烷基自由基的一步决定整个反应的反应速度 烷基自由基的相对稳定性为 叔自由基 仲自由基 伯自由基 甲基自由基 所以 活性规律为 叔 仲 伯 甲烷 2 从反应活化能来解释 如 同一烷烃和氯反应时 其活化能为 h 30h20h10hh ch3ea 0 10 51 04 0 kj mol ea大小次序为 30h 20h 10h h ch3所以 活性次序为 30h 20h 10h h ch3 2 卤素对烷烃的相对反应活性及理论解释 f2 cl2 br2 i2不同卤素对不同类型氢的选择性则与此顺序不同 如 溴的反应活性不及氯 但溴对活泼氢原子确有更高的选择性 氯代为 3 h 2 h 1 h 5 3 8 1 溴代为 3 h 2 h 1 h 1600 82 1 1 卤素反应活性的理论解释 f4cl17br75i 141 断键键能 成键键能 h 反应热 放热反应 吸热反应 需要的能量越少 放出的能量越多 反应越容易进行 2 卤素选择性的理论解释 不同x反应时对活泼氢原子的选择性 f2 cl2 br2