2020年高中化学竞赛有机化学第4章烷烃自由基取代反应

第4章烷烃自由基取代反应,4.1烷烃的分类（自学）4.2烷烃、环烷烃的物理性质环烷烃的反应4.3预备知识4.4烷烃的结构和反应性分析4.5自由基反应4.6烷烃的卤化,本章提纲,4.7烷烃的热裂（自学）4.8烷烃的氧化（自学）4.9烷烃的硝化（自学）4.10烷烃的磺化及氯磺化（自学）4.11小环烷烃的开环反应烷烃的制备4.12烷烃的来源（自学）,本章提纲,t,外观：状态颜色气味物理常数：沸点（b.p.)熔点（m.p.)折光率(n)旋光度密度（）相对密度（d）溶解度偶极矩（）=qd光谱特征,4.2烷烃、环烷烃的物理性质,（i）随相对分子质量增大而增大。（ii）偶数碳烷烃比奇数碳烷烃的熔点升高值大（如图）。（iii）相对分子质量相同的烷烃，叉链增多，熔点下降。,取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度,（1）熔点,烷烃熔点的特点,偶数碳,奇数碳,正烷烃的熔点图,沸点大小取决于分子间的作用力,（i）沸点一般很低（非极性，只有色散力）。（ii）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）。（iii）相对分子质量相同、叉链多、沸点低。（叉链多，分子不易接近）,（2）沸点,烷烃的相对密度均小于1（0.424-0.780),偶极矩均为0。,烷烃不溶于水，溶于非极性溶剂.,（3）相对密度,（4）饱和烃的偶极矩,（5）溶解度,环烷烃的分子结构比链烷烃排列紧密，所以，沸点、熔点、密度均比链烷烃高。,（1）有机反应及分类（2）有机反应机理（3）热力学和动力学（4）过渡态理论（5）反应势能图,4.3预备知识,在一定的条件下，有机化合物分子中的成键电子发生重新分布，原有的键断裂，新的键形成，从而使原有的分子中原子间的组合发生了变化，新的分子产生。这种变化过程称为有机反应（organicreaction）。,（1）有机反应及分类,4.3预备知识,按反应时化学键断裂和生成的方式，有机反应分为自由基型反应（freeradicalreaction）、离子型反应（ionicreaction）和协同反应（synergisticreaction）。,1.自由基型反应化学键断裂时成键的一对电子平均分给两个原子或基团，这种断裂方式称为均裂（homolytic），均裂时生成的原子或基团带有一个孤单电子，用黑点表示，带有孤电子的原子或原子团称为自由基（freeradical，或称游离基），它是电中性的。自由基多数只有瞬间寿命，是活性中间体中的一种。,这种由于分子经过均裂产生自由基而引发的反应称为自由基型反应。,2.离子型反应化学键断裂时原来的一对成键电子为某一原子或基团所占有，这种断裂方式称为异裂（heterolysis）。异裂产生正离子（cation）和负离子（anion）。有机反应中的碳正离子和碳负离子只有瞬间寿命，也是活性中间体的一种。,这种经过异裂生成离子而引发的反应称为离子型反应。,对电子有显著亲和力而起反应的试剂称为亲电试剂（electrophile或electrophilicreagent）。决速步由亲电试剂进攻而发生的反应称为亲电反应。如：,离子型反应根据反应试剂的类型不同，又可分为亲电反应（electrophilicreaction）与亲核反应（nucleophilicreaction）两类：,对正原子核有显著亲和力而起反应的试剂叫做亲核试剂（nucleophile或nucleophilicreagent）。由亲核试剂进攻而发生的反应称为亲核反应，如：,3.协同反应在反应过程中，旧键的断裂和新键的形成都相互协调地在同一步骤中完成的反应称为协同反应。协同反应往往有一个环状过渡态（cyclictransitionstate）。它是一种基元反应（elementraryreaction）。如：,按反应物和生成物的结构关系，有机反应可分为酸碱反应（acidbasereaction）、取代反应（substitutionreaction）、加成反应（additionreaction）、消除反应（eliminationreaction）、重排反应（rearrangement）、氧化还原反应（oxidationandreduction）、缩合反应（condensation）等。,有时还需要将两种分类方法结合起来对反应进行更细的分类。如：有机化合物分子中的某个原子或基团被其它原子或基团所置换的反应称为取代反应。若取代反应是按共价键均裂的方式进行的，则称其为自由基取代反应。若取代反应是按共价键异裂的方式进行的，则称其为离子型取代反应。然后再根据反应试剂的类型进一步分为亲电取代反应和亲核取代反应。,反应机理（reactionmechanism）是对一个反应过程的详细描述，这种描述是根据很多实验事实总结后提出来的，它有一定的适用范围，能解释很多实验事实，并能预测反应的发生。如果发现新的实验事实无法用原有的反应机理来解释，就要提出新的反应机理。反应机理已成为有机结构理论的一部分。在表述反应机理时，必须指出电子的流向，并规定用箭头表示一对电子的转移，用鱼钩箭头表示单电子的转移。,箭头,鱼钩箭头,（2）有机反应机理,热力学（thermodynamics）是研究一个反应能否进行、进行的程度，即反应物有多少转化成生成物，是一个化学平衡问题，它与反应物及生成物的性质、外界反应条件如温度、压力有关，它与反应速率没有关系。,化学动力学主要是观察反应物或生成物的浓度随时间变化而改变，用各种方法跟踪反应物的消失或生成物的出现，就可以测定某一反应的反应速率常数。,（3）热力学和动力学,（4）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。,=,反应进程,势能,（5）反应势能图,反应势能曲线：图中表示反应体系势能高低的曲线。反应进程：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。（过渡态不可分离得到。）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。）Hammond假设：过渡态总是与能量相近的分子的结构相近似。,反应进程,势能,o,o,烷烃分子中的碳都是sp3杂化。甲烷具有正四面体的结构特征。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。,4.4烷烃的结构和反应性分析,结构特点,反应特点对强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂都不发生反应。烷烃的多数反应都是通过自由基机理进行的。,4.5.1碳自由基的定义和结构4.5.2键解离能和碳自由基的稳定性4.5.3自由基反应的共性,4.5自由基反应,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,4.5.1碳自由基的定义和结构,4.5自由基反应,自由基的结构特点：有三种可能的结构；（1）刚性角锥体，（2）迅速翻转的角锥体，（3）平面型。如下图：,刚性角锥体,迅速翻转的角锥体,平面型,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,4.5.2键解离能和碳自由基的稳定性,自由基的稳定性,H=359.8kJmol-1(88kcalmol-1),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）氧气是游离基反应的抑制剂。,定义：由化学键均裂引起的反应称为自由基反应。,双自由基,单自由基,单自由基比双自由基稳定,4.5.3自由基反应的共性,4.6.1甲烷的氯化4.6.2甲烷的卤化4.6.3高级烷烃的卤化,4.6烷烃的卤化,4.6.1甲烷的氯化,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。,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。,4.6烷烃的卤化,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=7.5kJmol-1Ea=16.7kJmol-1,H=-112.9kJmol-1Ea=8.3kJmol-1,1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,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,CH3+H-X,FClBrI,439.3,568.2431.8366.1298.3,-128.9+7.5+73.2+141,H/(kJmol-1),Ea/(kJmol-1),+4.2+16.7+75.3+141,总反应热/(kJmol-1)：F(-426.8)Cl(-104.6)Br(-30.96)I(53.97),1.氟化反应难以控制。2.碘化反应一般不用。碘自由基是不活泼的自由基。3.氯化和溴化反应常用，氯化比溴化反应快5万倍。,4.6.2甲烷的卤化,4.6.3高级烷烃的卤化,烷烃氯化反应的选择性,烷烃溴化反应的选择性,氯化反应和溴化反应都有选择性，但溴化反应的选择性比氯化反应高得多。,实验事实和现象,实验,反应方程式,反应机理,实验数据,反应势能图,启发和讨论,指导实验,从烷烃与卤素的反应可以看出，化学工作者应建立起以实验为依据的思维方式。,烷烃的热裂解和催化裂解、烷烃的氧化和自动氧化、烷烃的硝化，烷烃的磺化及氯磺化，反应均是以自由基机理进行的。氧化反应通常是放热的。,4.7烷烃的热裂（自学）4.8烷烃的氧化（自学）4.9烷烃的硝化（自学）4.10烷烃的磺化及氯磺化（自学）,单环烷烃的分类,n=3，4小环化合物n=5，6，7普通环化合物n=8，9，10，11中环化合物n12大环化合物,单环烷烃的通式：CnH2n,4.11小环烷烃的开环反应,（1）与氢反应,小环化合物除能发生取代反应外，还能发生开