高中化学 烷烃与环烷烃烷烃（四）课件.ppt

烷烃4alkanes exit 本章提纲 第一节烷烃的结构第二节烷烃的异构第三节烷烃的命名第四节烷烃的构象第五节烷烃的物理性质第六节烷烃的化学性质第七节烷烃的制备 第一节烷烃的结构 烷烃 饱和的碳氢化合物 saturatedhydrocarbon分子的通式cnh2n 2 同系列 homologousseries结构和性质相似 在分子式上相差一个或若干个ch2的一系列化合物叫同系列 同系列中的各个化合物互称同系物 homologch2叫同系列的系差 键的定义 1电子云可以达到最大程度的重叠 所以比较牢固 2 键旋转时不会破坏电子云的重叠 所以 键可以自由旋转 在化学中 将两个轨道沿着轨道对称轴方向重叠形成的键叫 键 键的特点 键长 c h110pmc c154pm键角 h c h109 28 h c c111 113 烷烃分子中的碳都是sp3杂化 当烷烃中的碳原子数大于3的时候 碳链就形成锯齿形状 烷烃中的碳氢键和碳碳键都是 键 结构特征 碳架异构体位置异构体官能团异构体互变异构体价键异构体 构型异构体构象异构体 几何异构体旋光异构体 交叉式构象重叠式构象 构造异构体structuralisomer 立体异构体stereoisomer 电子互变异构体 第二节同分异构现象 分子式相同 结构不同的化合物称为同分异构体 也叫结构异构体 同分异构体isomer 碳架异构体 因碳架不同而引起的异构体 如 位置异构体 由于官能团在碳链或碳环上的位置不同而产生的异构体 如 官能团异构体 由于分子中官能团不同而产生的异构体 如 构造异构体 因分子中原子的连结次序不同或者键合性质不同而引起的异构体 互变异构体 因分子中某一原子在两个位置迅速移动而产生的官能团异构体 价键异构体 因分子中某些价键的分布发生了改变 与此同时也改变了分子的几何形状 从而引起的异构体 如 烷烃的异构现象 构象一个已知构型的分子 仅由于单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定排列形式称为构象 构象异构体单键旋转时会产生无数个构象 这些构象互为构象异构体 或称旋转异构体 一碳架异构体二构象异构体三旋光异构体 练习 问题2 2下列构造式中哪些代表同一种化合物 一链烷烃的命名1 系统命名法 iupacccs chinachemicalsociety ca 1 直链烷烃的命名 含10个碳原子以内的直链烷烃 从1 10依次用天干名称甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸加上烷来命名 而含碳原子10个以上的直链烷烃 用数目加上烷来命名 第三节烷烃的命名 1碳原子的级 1oh2oh3oh1oc2oc3oc4oc 伯 仲 叔 季 与一个碳原子相连的碳为一级碳原子 与二个碳原子相连的碳为二级碳原子 与三个碳原子相连的碳为三级碳原子 与四个碳原子相连的碳为四级碳原子 2 支链烷烃的命名 正丁基二级 仲 丁基异丁基 n bu secors bu isoi bu 甲基me 乙基et 正丙基n pr异丙基i pr 2烷基的命名 直链烷烃链端碳原子上去掉一个氢生成的基 称某烃基 三级 叔 戊基三级丁基新戊基 tertort t bu neo 构型 取代基 母体 r s d l z e 顺 反 取代基位置号 个数 名称 有多个取代基时 中文按次序规则确定次序 小的在前 英文按英文字母顺序排列 官能团位置号 名称 没有官能团时不涉及位置号 i 异 n 正 sec 二级 tert 三级 cis 顺 trans 反 di 二个 tri 三个 tetra 四个 不参加比较 3有机化合物系统命名的基本格式 a 确定主链 链的长短 长的优先 侧链数目 多的优先 侧链位次大小 小的优先 各侧链碳原子数 多的优先 侧分支的多少 少的优先 b 编号 按最低系列原则编号 最低系列原则 使取代基的位置号码尽可能小 若有多个取代基 逐个比较 直至比出高底为止 c 按名称基本格式写出全名 取代基按次序规则排列小先大后 甲 乙 丙 丁 戊 异戊 异丁 新戊 异丙 仲丁 叔丁 4命名步骤 3 命名 中文名称 2 3 5 三甲基己烷英文名称 2 3 5 trimethylhexane 实例一 2编号 第一行取代基编号为2 4 5 第二行取代基编号为2 3 5 根据最低系列原则 用第二行编号 1确定主链 最长链为主链 1确定主链 有两个等长的最长链 比侧链数 一长链有四个侧链 另一长链有二个侧链 多的优先 2编号 第二行取代基编号2 3 4 5 第一行取代基编号4 5 6 7 根据最低系列原则 选第二行编号3命名 中文名称 2 3 5 三甲基 4 丙基辛烷英文名称 2 3 5 trimethyl 4 n propyloctane 实例二 1确定主链 有两根等长的主链 侧链数均为三个 一长链侧链位次为2 4 5 而另一长链侧链位次为2 4 6 小的优先 2编号 黑色编号侧链位次2 4 5 蓝色编号侧链位次3 4 6 按最底系列原则选黑色编号 3命名 中文命名 2 5 二甲基 4 异丁基庚烷 或2 5 二甲基 4 2 甲丙基 庚烷英文命名 4 isobutyl 2 5 dimethylheptane 或2 5 dimethyl 4 2 methylpropyl heptane 实例三 练习 4 丙基 7 异丙基癸烷 3 甲基 5 乙基 4 丙基庚烷 甲 乙 丙 丁 戊 异戊 异丁 新戊 异丙 仲丁 叔丁 2 习惯命名法 也称普通命名法 异戊烷 习惯命名法命名直链烷烃时 与系统命名法相同 习惯命名法命名有支链的烷烃时 一般只适合于简单的烷烃 正丁烷 异丁烷 正戊烷 新戊烷 异辛烷 异辛烷中的异不符合命名的规定 是一个特例 二甲基 正丙基 异丙基甲烷 甲烷又称沼气 3 衍生物命名法 以甲烷为母体 其它部分都作为取代基来命名 一般总是选连有烷基最多的碳原子作为甲烷的碳原子 4俗名 通常根据来源命名 第一条规则 将各种取代基的连接原子 按原子序数的大小排列 原子序数大的顺序在前 若为同位素 则质量数高的顺序在前 次序规则sequencerule 不同原子按原子序数排列 同位素按质量数由高到低的顺序排列 各种原子或取代基按先后次序排列的规则称为次序规则 第二条规则若多原子基团的第一个连接原子相同 则比较与它相连的其它原子 先比较原子序数最大的原子 依次类推 若第二层次的原子仍相同 则沿取代链依次相比 直至比出大小为至 1234 第三条规则含不饱和键时排列顺序大小的规则 连有双键或叁键的原子可以认为连有两个或三个相同的原子 两面角 扭转角 单键旋转时 相邻碳上的其他键会交叉成一定的角度 称为两面角 两面角为0 时的构象为重叠式构象 两面角为60 时的构象为交叉式构象 两面角在0 60o之间的构象称为扭曲式构象 1 乙烷的构象 第四节烷烃的构象conformation 球棒模型 一 乙烷的交叉式构象 球棒模型二 乙烷的重叠式构象 重叠式 交叉式构象比较 伞式楔形式锯架式纽曼式 交叉式构象staggered 重叠式构象eclipsed 伞式 锯架式与纽曼式的画法也适合于其它有机化合物 2 乙烷交叉式构象与重叠式构象的表示方法 3 乙烷交叉式构象与重叠式构象的能量分析 c h键长c c键长键角两面角两氢相距 110 7pm154pm109 3o60o250pm 110 7pm154pm109 3o0o229pm 250pm 240pm 229pm e重叠 e交叉 e 12 1kjmol 1 每个c h c h重叠的能量约为4kjmol 1 当二个氢原子的间距少于240pm 即二个氢原子的半径和 时 氢原子之间会产生排斥力 从而使分子内能增高 所以重叠式比交叉式内能高 4 乙烷构象势能关系图 以单键的旋转角度为横坐标 以各种构象的势能为纵坐标 如果将单键旋转360度 就可以画出一条构象的势能曲线 由势能曲线与坐标共同组成的图为构象的势能关系图 稳定构象位于势能曲线谷底的构象 非键连相互作用不直接相连的原子间的排斥力 转动能垒分子由一个稳定的交叉式构象转为一个不稳定的重叠式构象所必须的最低能量 25 时转速达1011次 秒 扭转张力非稳定构象具有恢复成稳定构象的力量 乙烷分子各种构象的能量曲线 12 6kj mol 2 正丁烷的构象 1 正丁烷的极限构象及符号说明 s a p p c c sc sc ac ac sp sp ap ap a b 顺时针转动 逆时针转动 s顺 旋转角 90o a反 旋转角 90o p重叠 c错 sp 顺叠 sc 顺错 ac 反错 ap 反叠 为主 正丁烷的构象式 能量 旋转角 4全重叠2 6部分重叠3 5邻位交叉1 7对位交叉 2 4 6是不稳定构象 1 3 5 7是稳定构象 1 7是优势构象 能量最低的稳定构象称为优势构象 沿c2 c3键轴旋转的转动能垒22 6kj mol 1 2 正丁烷的构象势能关系图 丁烷c 2 c 3 键旋转引起的各构象的能量变化 构象分布在达到平衡状态时 各种构象在整个构象中所占的比例称为构象分布 15 15 70 构象能量大小全重叠 部分重叠 邻 顺 交叉 对 反 交叉 3 正丁烷的构象分布和能量计算 分子总是倾向于以稳定的构象形式存在 3 丙烷的构象 e 4 4 5 3 13 3kj mol 1 交叉式重叠式 丙烷只有二种极限构象 一种是重叠式构象 另一种是交叉式构象 二种构象的能差13 3kj mol 1 高级烷烃的碳链呈锯齿形 由于分子主要以交叉式构象的形式存在 所以高级烷烃的碳链呈锯齿形 4 乙烷衍生物的构象分布 1 2 二氯乙烷 对位交叉 70 1 2 二溴乙烷 对位交叉 84 91 1 2 二苯乙烷 对位交叉 90 乙二醇 2 氯乙醇 大多数分子主要以交叉式构象的形式存在 在乙二醇和2 氯乙醇分子中 由于可以形成分子内氢键 主要是以邻交叉构象形式存在 练习 画出下列化合物的最稳定构象式 纽曼投影式 第五节烷烃的物理性质 t 外观 状态 颜色 气味1 4气态5 16液态17 固态物理常数 沸点 b p 熔点 m p 折光率 n 旋光度 密度 d 溶解度偶极矩 qd光谱特征 一沸点 沸点大小取决于分子间的作用力 烷烃沸点的特点 1 沸点一般很低 非极性 只有色散力 2 随相对分子质量增大而增大 运动能量增大 范德华引力增大 3 相对分子质量相同 支链多 沸点低 支链多 分子不易接近 例如 正丁烷的沸点 0 5 异丁烷的沸点 11 7 烷烃熔点的特点 1 随相对分子质量增大而增大 2 偶数碳烷烃比奇数碳烷烃的熔点升高值大 如右图 3 相对分子质量相同的烷烃 支链增多 熔点下降 取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度 二熔点 高度对称的烷烃分子熔点比同分子量的直链烷烃高 例 正戊烷 129 8 异戊烷 159 9 新戊烷 16 8 烷烃的密度均小于1 0 424 0 780 偶极矩均为0 烷烃不溶于水 溶于非极性溶剂 三密度 四饱和烃的偶极矩 五溶解度 当溶剂分子之间的吸引力和溶质分子之间 以及溶剂分子与溶质分子之间的相互吸引力相近时 溶解容易进行 烷烃不溶于水 而易溶于四氯化碳 结构相似者相溶 一总体特点二烷烃的氧化三烷烃的热裂解和催化裂解四烷烃的卤化和自由基反应 第六节链烷烃的化学性质 1 稳定 对强酸 强碱 强氧化剂 强还原剂都不发生反应 2 烷烃的多数反应都是通过自由基机理进行的 一总体特点 二烷烃的氧化 烷烃完全燃烧生成二氧化碳和水 同时放出大量的热 燃烧热 纯粹烷烃完全燃烧放出的热称为燃烧热 1部分氧化2燃烧 q hc h 产物 h 原料 h 原料 h 产物 结论 烷烃异构体中 直链烷烃的燃烧热最大 支链越多 燃烧热越小 其焓值越小 越稳定 每增加一个ch2 燃烧热平均增加659klmol 1 三烷烃的热裂解和催化裂解烷烃热解碳碳键断裂产生烷基自由基 生成烷烃或烯烃 多用于工业生产汽油 烯烃等石油化工产品 生成热 由标准状态下的元素生成某一化合物的反应中焓的变化 用 hf 表示 化合物的生成热若为负值 表示它比生成它的元素更稳定 烷烃的生成热为负值 生成热越小 越稳定 支链烷烃比同碳数的直链烷烃更稳定 裂化 在高温下使烷烃分子发生裂解的过程 ch3ch2ch2ch3 混合物 较低级的烯 烷 h2 热裂化反应 通常在5mpa及500 600 下进行的裂化反应 催化裂化 在催化剂存在下的裂化 碳链断裂的同时伴有异构化 环化 脱氢等反应 生成带有支链的烷烃 烯烃和芳香烃等 催化裂化一般在450 500 常压下进行 能提高汽油的质量 高辛烷值 2 2 4 三甲基戊烷为100 裂解 在更高温度下 700 进行深度裂化 这种以得到更多低级烯烃 乙烯 丙烯 丁烯等 为目的的裂化过程 叫 裂解 1 自由基2 自由基反应3 过渡态理论4 烷烃的卤化 四烷烃的卤化 自由基反应 1 自由基 一级碳自由基 定义 带有孤电子的原子或原子团称为自由基 碳自由基 含有孤电子碳的体系称为碳自由基 三级碳自由基 二级碳自由基 ch3中心csp2杂化 角锥体 自由基的产生 热均裂产生 辐射均裂产生 单电子转移的氧化还原反应产生 光 h2o2 fe2 ho ho fe3 rcoo rcoo e 电解 自由基的稳定性 h 359 8kj mol 88kcal mol 苯甲基自由基烯丙基自由基三级丁基自由基异丙基自由基 乙基自由基甲基自由基苯基自由基 共价键均裂时所需的能量称为键解离能 键解离能越小 形成的自由基越稳定 均裂 两点说明 影响自由基稳定性的因素是很多的 如 电子离域 空间阻碍 螯合作用和邻位原子的性质等 碳自由基的最外层为七个电子 反应时总要寻找另外的电子来达到八隅体结构 所以是亲电的 共性 1 反应机理包括链引发 链增长 链终止三个阶段 2 反应必须在光 热或自由基引发剂的作用下发生 3 溶剂的极性 酸或碱催化剂对反应无影响 4 氧气是自由基反应的抑制剂 定义 由化学键均裂引起的反应称为自由基反应 双自由基 2 自由基反应 单自由基 单自由基比双自由基稳定 3 过渡态理论 过渡态的特点 1 能量高 2 极不稳定 不能分离得到 3 旧键未完全断开 新键未完全形成 任何一个化学反应都要经过一个过渡态才能完成 反应坐标 势能 反应势能图 反应势能曲线 图中表示势能高低的曲线 反应坐标 由反应物到生成物所经过的能量要求最低的途径 过渡态 在反应物互相接近的反应进程中 与势能最高点相对应的结构称为过渡态 活化能 由反应物转变为过渡态所需要的能量 中间体 两个过渡态之间的产物称为中间体 中间体能分离得到 过渡态不可分离得到 hammond假设 过渡态总是与能量相近的分子的结构相近似 反应坐标 势能 卤代反应分子中的原子或基团被卤原子取代的反应称为卤代反应 4 烷烃的卤代 取代反应分子中的原子或基团被其它原子或基团取代的反应称为取代反应 1 甲烷的氯化 反应式 反应机理 反应过程的详细描述 链引发 链增长 链终止 h 7 5kj molea 16 7kj mol h 112 9kj molea 8 3kj mol h 242 6kjmol 1 cl h ch3 h3c h cl h cl ch3反应的能量变化 ch3 cl cl ch3 cl cl ch3 cl cl h 106ki mol 能量变化 110kj mol 总 cl h ch3 ch3 cl cl能量变化 1第一步反应的活化能比较大 是速控步骤 2第二步反应利于平衡的移动 3反应1吸热 反应2放热 总反应放热 所以反应只需开始时供热 4过渡态的结构与中间体 中间体是自由基 相似 所以过渡态的稳定性顺序与自由基稳定性顺序一致 推论 3oh最易被取代 2oh次之 1oh最难被取代 甲烷氯化反应势能图的分析 解释下列实验现象 为什么甲烷光照后与氯气在黑暗中混合 不发生反应 为什么第二步不能生成一氯甲烷和氢自由基 为什么反应不能停留在一氯代烷 而生成多氯代烷 画出反应的能线图 ch4 cl ch3 hcl ch3cl cl 位能 反应过程 e活 1该反应只适宜工业生产而不适宜实验室制备 2该反应可以用来制备一氯甲烷或四氯化碳 不适宜制备二氯甲烷和三氯甲烷 3无取代基的环烷烃的一氯化反应也可以用相应方法制备 c ch3 4的一氯化反应也能用此方法制备 甲烷氯化反应的适用范围 x ch3 h