高中化学竞赛 有机化学第2章 烷烃和环烷烃ding

第二章烷烃和环烷烃,本章重点：1.烷烃和环烷烃的命名；2.烷烃和环烷烃的化学性质；3.烷烃和环烷烃的分子结构；4.烷烃和环烷烃的构象；5.烷烃的反应历程。本章难点：1.烷烃和环烷烃的构象；2.烷烃和环烷烃的反应历程。,第一节烷烃（alkane）,烃：由C、H两种元素组成的化合物。根据碳骨架的不同及碳的结合方式分类如下：,烃,开链烃,碳环烃,芳香烃,不饱和开链烃（烯烃、炔烃、二烯烃）,饱和脂环烃（环烷烃）,不饱和脂环烃（环烯烃、环炔烃）,饱和开链烃（烷烃）,脂环烃,同系列：通式相同，结构相似，组成上相差一个或几个CH2的化合物。同系物：同系列中的化合物互称为同系物。,一.烷烃的结构,（一）同系列和同系物,构造：分子中原子间的连接顺序和方式。构型：分子中原子在空间的排列方式。构象：分子中单键的旋转而产生的在空间的不同排列方式。,注：常把构型和构象统称为立体结构,分子式相同而结构不同的现象，称为同分异构现象。,同分异构,构型,构造异构,构象（单键旋转产生）,立体异构,碳链异构,位置异构,官能团异构,互变异构,顺反异构（键不能旋转产生）,旋光异构（手性产生）,分子中原子和基团在空间的排布不同,原子的连接方式和顺序不同,（二）烷烃的构造异构,杂化理论,（三）.烷烃的立体结构,基本要点：（1）成键时能级相近的价电子轨道混合杂化，形成新的价电子轨道杂化轨道。（2）杂化前后轨道数目不变。（3）杂化轨道之间满足排斥力最小，空间夹角最大。（4）杂化轨道成键同样满足最大重叠原理。,跃迁,杂化,4个sp3杂化轨道,C:1s22s22p2,sp3杂化,正四面体,甲烷(CH4)的成键示意图,键：1.含义沿轨道对称轴方向“头碰头”重叠形成的键。2.特点键牢固；键连的两个原子可以围绕键自由旋转,而键并不破裂；可由任何原子形成，可单独存在。,碳原子的四个SP3杂化轨道在空间互相排斥，对称分布，键角为，故甲烷分子呈正四面体。,问题：哪些轨道可形成键？乙烷分子中的H-C-C键角为多少?,sp2杂化,跃迁,杂化,3个sp2轨道2pz,平面三角型,乙烯(CH2=CH2)的成键示意,键：1.含义:肩并肩重叠形成的键。2.特点:键易断；键所连的两个原子不能相对旋转，否则肩并肩重叠即被破坏，不可单独存在。,问题：哪些轨道可形成键？乙烯分子中的H-C-C键角为多少?,sp杂化,跃迁,杂化,直线型,乙炔(CHCH)的成键示意:,(四).烷烃的构象(comformation),构象;单键的旋转使分子中非键合的原子或基团在空间产生不同的排列方式。同种分子不同的构象称为构象异构体（属于立体异构现象）,Newman投影式的书写方法,透视式,Newman投影式,原子间距离最近内能最高（最不稳定）,乙烷的构象,交叉式构象,扭曲式构象,重叠式构象,原子间距离最远内能最低（最稳定）,（有无数个）,优势构象,乙烷不同构象的能量曲线图,丁烷的构象,全重叠式,对位交叉式,部分重叠式,邻位交叉式,全重叠式,丁烷不同构象的能量曲线图,丁烷的优势构象为（），典型构象的稳定性顺序为（）,书写优势构象的规律:大基团总是占据对位交叉,1.写出CH3CH2-CH2-Cl沿C1-C2和C2-C3键旋转时的优势构象。,练习,1C（伯碳）,2C（仲碳）,3C（叔碳）,4C（季碳）,（一）C原子和H原子的种类,二.烷烃的命名,烷烃分子中去掉一个氢原子后剩下的部分称烷基,（二）烷基的概念,（1）取代基中与主链直接相连的原子按原子序数由大到小排列，原子序数大的为优先基团。,（三）次序规则,HDCNOFPSClBrI,作用：确定主链上所连的取代基（原子或基团）哪一个为较优基团。,较优基团,与主链直接相连的第一个原子,与主链直接相连的其他原子,（2）若取代基中与主链直接相连的第一个原子相同，则把与第一个原子直接相连的其他原子进行比较，若仍相同，则继续比较，直到有差别为止。,较优基团,较优基团,（3）含有双键和三键的基团，可以看作连有两个或三个相同的原子。,练习：比较下列基团的优先顺序,中文名,英文名,甲烷,乙烷,丙烷,methane,ethane,碳原子数为110用天干（甲、乙、丙、壬、癸）表示,C1,C2,C3,propane,碳原子数为10以上时用中文数字表示。如：十二烷,1.普通命名法,（四）烷烃的命名,中文名,英文名,正丁烷,异丁烷,正戊烷,异戊烷,新戊烷,n-butane,isobutane,n-pentane,isopentane,neopentane,C4,C5,（1）选主链，碳链最长，支链最多。,（2）排编号，有多个排序时遵循“最低系列原则”(最先遇到位次较低的取代基为最低系列），有多个最低系列时，按“次序规则”使较优基团位次较大。,(3)写名称，标明取代基的位次，名称，优先基团后出现。,例,2.系统命名法（IUPAC命名法）：,练习,三烷烃的物理性质,（一）物态:第27页表2-1,（二）沸点（b.p）,分子间作用力,b.p,M支链少,（三）熔点(m.p),分子间作用力,m.p,M对称性好支链少,1.比较下列各组化合物的沸点高低。并说明理由。,(1)正丁烷和异丁烷,2.比较下列各组化合物的熔点高低。并说明理由。,(1)正戊烷、异戊烷和新戊烷；,（四）相对密度：,分子量，密度，但1；支链，密度。,（五）溶解度：,练习,易溶于非极性的有机溶剂，不溶于极性溶剂,烷烃的结构,一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱（常用作低极性溶剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）烷烃可与卤素发生自由基取代反应（烷烃的重要反应）,sp3杂化已饱和不能加成,低极性共价键H不易被置换,四烷烃的化学性质,甲烷的氯代反应,（一）卤代反应,卤素反应的活性顺序是：,氢原子的活性顺序是：,烷烃在高温和空气中燃烧，生成二氧化碳和水，并放出大量的热。,注:烷烃与空气以一定比例混合后会发生爆炸，这就是煤矿常见的瓦斯爆炸。,（二）烷烃的燃烧（氧化反应）,天然气的主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。,1.离子型反应由离子而引起的反应。,2.自由基反应由自由基而引起的反应。,五烷烃的卤代反应历程,自由基的稳定性顺序：叔自由基仲自由基伯自由基甲基自由基,异裂,均裂,（一）有机反应的类型,自由基的能量越高越不稳定，C-H断键所需离解能越低,该H越活泼.,（二）烷烃卤代反应的历程（游离基历程）,决速步骤,（三）甲烷卤代反应的能量变化,注：从反应热来解释，放出的热越多越易进行,从活化能来解释，活化能越小越易进行,紫外光能330kJ/mol,甲烷的第一个C-H键均裂时所需能量435kJ/mol。,思考：什么是活性？,答案：反应的相对速率。,第二节环烷烃(cycloalkane),一环烷烃的分类及命名,螺环烃(两个碳环共用1个C)；桥环烃(两个或两个以上碳环共用两个以上C),（一）环烷烃的分类,单环烷烃,多环烷烃,小环(C3C4)；普通环(C5C7)；中环(C8C11)；大环(C12)。,根据碳环的数目分类,（二）单环烷烃的构造异构和命名,1、单环烷烃的碳链异构,以碳环为母体，环上侧链为取代基，根据成环碳原子的数目称“环#烷”。,一个取代基时称#基环#烷,多个取代基时从较小的原子或基团开始，遵循最低系列原则编号。有多个最低系列时，使较优基团位次较大。,1，2-二甲基-1-乙基环丙烷正确,1，2-二甲基-2-乙基环丙烷,2、单环烷烃的命名,练习：,1-甲基-3-乙基-4-氯环己烷,1-甲基-2-乙基-5-异丙基环己烷,反-1-甲基-3-乙基环己烷,注：当环上有复杂的取代基时，碳环作为取代基,4-甲基-1-环丙基己烷,思考题：命名下列化合物。,三单环烷烃的结构,(一）.单环烷烃的结构,角张力:实际键角偏离正常键角而使分子产生了一种要恢复到正常键角的力。,扭转张力:相邻C上的H原子处于重叠位置，因距离太近而产生的要恢复到交叉式状态的斥力。,（二）.单环烷烃的立体异构,顺反异构由于两个以上成环碳原子上所连接的不同原子或基团在空间的排列（分布）不同而形成不同构型化合物的异构现象。,顺反异构产生的原因：键不能旋转产生的条件：不能旋转的两成键原子上连有不同的原子或基团顺反异构体的特点：为不同物质，转换需断键,椅式,船式,Newman投影式,环己烷的构象异构,椅式构象中的直立键(a)和平伏键（e）,注：直立键(a)与中心对称轴平行，指向环上键角的方向。平伏键（e）与中心对称轴成109.5。，且与直立键方向相反，左边向左偏，右边向右偏。,单取代环己烷的优势构象,1甲基环己烷,1.甲基与C2-C3键所连基团处于邻位交叉,1.甲基与C2-C3键所连基团处于对位交叉,2.甲基H与C3、C5直立H距离近,2.甲基H与C3、C5直立H距离远,多取代环己烷的优势构象,例：写出1，2二甲基环己烷的优势构象,顺,反,ae,ea,aa,ee,注：环己烷中的顺反，若相同基团都朝上或下，即顺，若相同基团一个朝上，一个朝下，即反。,取代基尽可能在e键上,体积大的取代基尽可能在e键上,例1写出顺-1-甲基-4-异丙基环己烷的优势构象。,同时要满足顺反异构和位置,多元取代环己烷优势构象的书写规律,例2写出反-1-甲基-2-乙基环己烷的优势构象。,例3写出下列化合物的优势构象。,（一）开环加成反应,1.加H2