第二章-烷烃--教案

1 第二章第二章 烷烷 烃烃 一 一 学习目的和要求 学习目的和要求 1 掌握烷烃的同系列 同分异构和构造异构 2 掌握烷烃的命名法 常见基团的名称 3 掌握烷烃的结构 包括碳正四面体的概念 sp3 杂化和 键 4 掌握烷烃的构象及构象的表示方法 5 掌握烷烃的物理性质 6 掌握烷烃的化学性质 稳定性 裂解 氧化及取代反应 各种氢的相对活泼性 7 掌握烷烃光卤代反应历程 8 掌握甲烷氯代反应过程中的能量变化 包括过渡态理论 反应热 活化能 9 掌握一般烷烃的卤代反应历程 10 了解烷烃的来源 二 二 本章节重点 难点本章节重点 难点 烷烃的同系列 同分异构和构造异构 烷烃的命名法 烷烃的结构 烷烃的构象及构象 的表示方法 烷烃的物理性质 烷烃的化学性质 烃光卤代反应历程 甲浣氯代反应过程 中的能量变化 三 三 教学内容教学内容 分子中只有 C H 两种元素的有机化合物叫做烃 烃可以分为以下几类 烷烃 开链烃 脂肪烃 烯烃 二烯烃 烃 炔烃 环状烃 脂环烃 脂环烃 芳香烃 烷烃是分之中的碳除以碳碳单键相连外 碳的其他价键都为氢原子所饱和的烃叫做烷烃 也叫做饱和烃 2 2 2 1 1 烷烃的同系列及同分异构现象烷烃的同系列及同分异构现象 2 1 12 1 1 烷烃的同系列烷烃的同系列 最简单的烷烃是甲烷 依次为乙烷 丙烷 丁烷 戊烷等 它们的分子式 构造式 分别为 分子式 构造式 构造简式 甲烷 CH4 CH4 乙烷 C2H6 CH3CH3 丙烷 C3H8 CH3CH2CH3 丁烷 C4H10 CH3CH2CH2CH3 从上述结构式可以看出 链状烷烃的组成都是相差一个或几个 CH2 亚甲基 而连成 碳链 碳链的两端各连一个氢原子 所以烷烃的通式为 CnH2n 2 这种结构和化学性质相似 组成上相差一个或多个 CH2的一系列化合物称为同系列 同系列中的化合物互称为同系物 由于同系列中同系物的结构和性质相似 其物理性质也随着分之中碳原子数目的增加 而呈规律性变化 所以掌握了同系列中几个典型的有代表性的成员的化学性质 就可推知 同系列中其他成员的一般化学性质 在应用同系列概念时 除了注意同系物的共性外 还 要注意它们的个性 要根据分子结构上的差异来理解性质上的异同 2 2 22 2 2 烷烃的同分异构现象烷烃的同分异构现象 1 同分异构现象 甲 乙 丙烷只有一种结构 无同分异构现象 从丁烷开始有同分异构现象 同分异构 H C H H C H H H H C H H C H H C H H H H C H H C H H C H H C H H H H C H H H 3 体可以通过主链延长法和主链缩短法推导出来 下面通过主链延长法导出丁烷的所有同分 异构体 正丁烷 沸点 0 5 异丁烷 沸点 10 2 由两种丁烷两各异构体通过主链延长法导出三种戊烷的同分异构体 上述这种分子式相同而构造式不同的化合物称为同分异构体 这种现象称为构造异构现 象 构造异构现象是有机化学中普遍存在的异构现象的一种 这种异构是由于碳链的构造不 同而形成的 故又称为碳链异构 随着碳原子数目的增多 异构体的数目也增多 2 2 3 3 3 3 伯 仲 叔 季碳原子伯 仲 叔 季碳原子 在烃分之中 按照碳原子与所边碳原子的不同 可分为四类 仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子 或一级碳原子 用 1 表示 与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子 或二级碳原子 用 2 表示 与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子 或三级碳原子 用 3 表示 与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子 或四级碳原子 用 4 表示 例如 H C H H C C H HH H H C H H C H C H H CCCC H H H H H H H H H H CCC H H H C H H H H HH CH3 C CH2 CH CH3 CH3 CH3 123 4 CH3 1 CH3 CH2 CH2 CH3 CH2 C H C H CH3CH2CH2CH2CH3 CH3 CH2 CH CH3 b p 36 1 b p 28 CH3 CH2 CH CH3 CH2 C H CH3C CH3 CH3 CH3 b p 9 5 CH3 CH3 4 与伯 仲 叔碳原子相连的氢原子 分别称为伯 仲 叔氢原子 不同类型的氢原子的 反应性能有一定的差别 2 22 2 烷烃的命名烷烃的命名 烷烃常用的命名法有普通命名法和系统命名法 2 2 12 2 1 普通命名法普通命名法 根据分子中碳原子数的多少目称为 某烷 碳原子数十个以内的依次用天干字甲 乙 丙 丁 戊 癸表示 十以上的用汉字数字表示碳原子数 用正 异 新表示同分异构 体 例如 正戊烷 异戊烷 新戊烷 正 指直链的烷烃 异 指链端第二个碳原子连有一个甲基支链的烷烃 新 指链端第二个碳原子连有四 个甲基支链的烷烃 普通命名法简单 方便 但只能适用 适用范围 于构造比较简单的烷烃 对于比较复 杂的烷烃必须使用系统命名法 系统命名法涉及烷基的名称 现就常见的烷基介绍如下 2 2 22 2 2 烷基烷基 烷基是烷烃分之中去掉一个氢原子而剩下的原子团称为烷基 烷基 名称 通常符号 CH3 甲基 Me CH3CH2 乙基 Et CH3CH2CH2 丙基 n Pr CH3CH 异丙基 i Pr CH3 CH3CH2CH2CH2 正丁基 n Bu CH3 CH2 CH2 CH2 CH3CH3 CH CH2 CH3 CH3 CH3 C CH3 CH3 CH3 5 CH3CHCH2 异丁基 i Bu CH3 CH3CH2CH 仲丁基 s Bu CH3 CH3 CH3 C 叔丁基 t Bu CH3 烷基的通式为 CnH2n 1 通常用 R 表示 此外 还有 亚 某基 次 某基 如 亚甲基 为 CH2 次甲基为 CH 2 2 32 2 3 系统命名法 系统命名法 IUPACIUPAC 命名法 命名法 目前有机化合物最常用的命名法是国际纯粹和应用化学联合会 IUPAC 制定的有机化 合物的系统命名方法 我国现用系统合名法是根据 IUPAC 规定的原则 再结合我国汉字的 特点而制定的 烷烃系统命名法规则如下 1 选择主链 选择含碳原子数目最多的碳链作为主链 支链作为取代基 分之中有 两条以上等长碳链时 则选择支链多的一条为主链 例如 2 碳原子的编号 1 从最接近取代基的一端开始 将主链碳原子用 1 2 3 编号 CH3 CH2 CH CH CH2 CH3 CH2 CH3 CH CH3 CH3 CH3 CH2 CH CH CH CH CH3 CH3CH2 CH2CH3 CH3 CH3 CCCCC CCC 2346 78 1 CC C 8 76 5 4 3 21 5 C CCCC C CC 234615 1 6 2 6 2 从碳链任何一端开始 第一个支链的位置都相同时 则从较简单的一端开始编号 例如 1 2 3 4 5 6 7 编号正确 CH3 CH2 CH CH2 CH CH2 CH3 7 CH3 CH2 CH3 1 编号错误 3 若第一个支链的位置相同 则依次比较第二 第三个支链的位置 以取代基的 系列编号最小 最低系列原则 为原则 1 2 3 4 5 6 7 8 编号正确 例如 CH3 CH CH2 CH CH2 CH2 CH CH3 8 CH3 CH3 CH3 1 编号错误 3 烷烃的名称 1 将支链 取代基 写在主链名称的前面 2 取代基按 次序规则 位置优先的基团优先放在最后写出 烷基的大小次序 甲基 乙基 丙基 丁基 戊基 己基 异戊基 异丁基 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式 相对能垒 0 3 3KJ mol 14 6KJ mol 18 4 25 5KJ mol 室温时 对位交叉式约占 70 邻位交叉式占 30 其他两种极少 2 52 5 烷烃的物理性质烷烃的物理性质 2 5 12 5 1 状态状态 C1 C4 的烷烃为气态 C5 C16 的烷烃为液态 C17 以上的烷烃为固态 2 5 22 5 2 沸点沸点 1 着碳原子数的递增 沸点依次升高 2 原子数相同时 支链越多 沸点越低 沸点的高低与分子间引力 范德华引力 包 括静电引力 诱导力和色散力 有关 烃的碳原子数目越多 分子间的力就越大 支链增 11 多时 使分子间的距离增大 分子间的力减弱 因而沸点降低 直链烷烃的沸点变化规律 如下 沸点 碳原子数 2 5 32 5 3 熔点熔点 1 碳原子数目增加 熔点升高 2 分子的对称性越大 熔点越高 直链烷烃的熔点变化规律如下 熔点 偶数碳原子 奇数碳原子 碳原子数 2 5 42 5 4 相对密度 比重 相对密度 比重 都小于 1 随着分子量的增加而增加 最后接近于 0 8 20 2 5 62 5 6 溶解度溶解度 12 不溶与水 溶于某些有机溶剂 尤其是烃类中 2 2 6 6 烷烃的化学性质烷烃的化学性质 烷烃的化学性质稳定 特别是正烷烃 在一般条件下 常温 常压 与大多数试剂如 强酸 强碱 强氧化剂 强还原剂及金属钠等都不起反应 或反应速度极慢 这是因为在 烷烃分子中 共价键都为 键 键能大 分子中的共价键不易极化 但在一定条件下 如 高温 高压 光照 催化剂 烷烃也能起一些化学反应 2 6 12 6 1 氧化氧化 燃烧 烷烃在空气中燃烧 生成二氧化碳和水 并放出大量的热能 如 2 2 6 6 2 2 异构化反应异构化反应 例如正丁烷在三溴化铝和溴化氢作用下 在 27 摄氏度时 可以发生异构化反应生成异 丁烷 2 6 22 6 2 裂化反应裂化反应 在高温及没有氧气的条件下使烷烃分子中的 C C 键和 C H 键发生断裂的反应称为裂化反 应 例如 2 6 32 6 3 卤代反应卤代反应 烷烃的氢原子被卤素取代生成卤代烃的反应称为卤代反应 通常是指氯代或溴代 1 甲烷的氯代反应 CnH2n 2 3n 1 2 O2 nCO2 n 1 H2O Q C6H14 9 O2 6CO2 7H2O 4138KJ mol 1 2 CHCH2CH3 HH 2 1 1 2 CH3 CH CH2 H2 CH4 CH2 CH2 CH4Cl2 4HCl C 13 在紫外光漫射或高温下 甲烷易与氯 溴发生反应 甲烷的卤代反应较难停留在一取代阶段 氯甲烷还会继续发生氯化反应 生成二氯甲烷 三氯甲烷和四氯化碳 若控制一定的反应条件和原料的用量比 可得其中一种氯代烷为主 要的产物 比如 甲烷 氯气 10 1 400 450 时 CH3Cl 占 98 甲烷 氯气 1 4 400 时 主要为 CCl4 2 其他烷烃的氯代反应 反应条件与甲烷的氯代相同 但产物更为复杂 因氯可取代不同碳原子上的氢 得到各 种一氯代或多氯代产物 例如 2 伯 仲 叔氢的相对反应活性 分子中 有六个等价伯氢 两个等价仲氢 若氢的活性一样 则两种一氯代烃的产率 CH4Cl2CH3 HCl Cl CH3CH2CH3 Cl2 CH3CH2CH2CH3CHCH3 ClCl CH3CHCH2CH3 CH2 CHCH2CH3 CH3 CH3 C CH2CH3 CH3 Cl CH3CH CHCH3 CH3Cl Cl CH3CHCH2CH2 CH3Cl 33 5 22 28 16 5 Cl2 CH3 CH3 CH2 CH3 Cl2 CH3 CH2 CH2CH3 CH CH3 ClCl 43 57 25 14 理论上为 6 2 3 1 但实际上为 43 57 1 1 33 这说明在时温氯代时 各类氢的反应活性是不一样的 如果定义 氢的相对活性 产物的数量 被取代的等价氢的个数 这样可知 即仲氢与伯氢的相对活性为 4 1 异丁烷一氯代时的情况时的产物比例如下 用公式 氢的相对活性 产物的数量 被取代的等价氢的个数 可求得叔氢的相对反 应活性 即叔氢的反应活性为伯氢的 5 倍 故室温时三种氢的相对活性为 3 H 2 H 1 H 5 4 1 3 与溴的反应 溴代反应时 光照 127 三种氢的相对活性为 3 H 2 H 1 H 1600 82 1 例如 由此可见 溴代反应的选择性好 在有机合成中比氯代更大的应用价值 2 72 7 烷烃的卤代反应历程烷烃的卤代反应历程 反应历程是化学反应所经历的途径或过程 又称为反应机理 2 7 12 7 1 甲烷的氯代历程甲烷的氯代历程 57 2 43 6 4 1 CH3 CH CH3 CH3 Cl2 CH3CCH3 CH3 Cl CH3CH CH3 CH2Cl 25 36 64 36 1 64 9 5 1 1 CH3 CH CH3 CH3 CH3 CH CH2 CH3 CH3 C CH3 CH3 Br2 127 BrBr 99 氯 溴 碘 2 7 32 7 3 烷烃卤代反应的相对活性烷烃卤代反应的相对活性 卤素对甲烷的相对反应活性如下所示 四种不同卤素对甲烷 F2 Cl2 Br2 I2 的反应热 H 422 6 104 9 37 7 54 4 kJ mol 反应活性 氟 氯 溴 碘 但化学反应要通过底物与试剂的有效碰撞才能发生 为了使反应发生而必须提供的最低 限度的能量称为活化能 E 活 2 2 7 7 4 4 烷基自由基的稳定性烷基自由基的稳定性 烷烃对卤代反应的相对活性与烷基自由基的稳定性有关 氢的活性次序 叔氢 仲氢 伯氢 自由基的稳定次序为 3 2 1 甲基自由基 自由基的稳定性次序可以从从超共 轭效应去的大小得到解释 Cl Cl hor 2 Cl CH4 Cl CH3HCl Cl2CH3 ClCl CH3 ClClCH2 Cl HCl CH2 ClCl2CH2 Cl2Cl Cl Cl Cl2 ClCH3 Cl CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 16 2 82 8甲烷氯代反应过程中的能量变化 过渡态理论 反应热 活化能 甲烷氯代反应过程中的能量变化 过渡态理论 反应热 活化能 过渡状态理论认为 每一个反应的反应进程分为三个阶段 始态 过渡态和终态 即一 个反应由反应物到产物的转变过程中 需要经过一个过渡状态 如下反应通式所示 反应物 始态 过渡态 产物 终态 用字母表示则为 A B C A B C A B C 过渡态 反应进程中体系能量的变化如下图 过渡态处在反应进程位能曲线上的最高点 也就是反应所需要克服的能垒 是过渡态 与反应物分子基态之间的位能差 称为反应的活化能 用 E活 表示 由图还可以看出 H 就是反应热 活化能是发生一个化学反应所需要的最低限度的能量 决定反应速度的是 E 活而不是 H 即使反应是放热反应 其反应的发生仍需要一定的活化能 这可从甲烷的 氯代反应中两步反应的能量变化看出 H A B C A B C A B C E E E Cl H CH3 Cl H CH3HClCH3 435 1 H1 E1 16 7KJ mol 431 4 1KJ mol CH3 Cl Cl Cl Cl CH3Cl Cl CH3 H2 108 9 KJ