大学有机化学课件第2章烷烃演示课件

1、2020/12/19,1,第二章 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,2020/12/19,2,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；,2020/12/19,3,第一节 烷烃,CH3(CH2)nCH3,分子通式： CnH2n

2、+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,2020/12/19,4,烷烃构造式表示法,构造式表示法,2020/12/19,5,示性式,简化示性式,骨架式,2020/12/19,6,二、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

3、互称为同分异构体；这种现象称为同分异构现象。,2020/12/19,7,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,2020/12/19,8,三、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,2020/12/19,9,

4、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,2020/12/19,10,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,2020/12/19,11,（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）

5、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

6、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“”。,2020/12/19,12,1 2 3 4 5,3-甲基戊烷,2020/12/19,13,7 6 5 4 3 2 1,3-甲基-4-乙基庚烷,4-Ethyl-3-methylheptane,2020/12/19,14,1 2 3 4 5 6,3,3-Dimethylhexane,3,3-二甲基己烷,2020/12/19,15,1 2 3 4 5 6 7 8,3,4-dimethy-6-Ethylloctane,3,

7、4-二甲基-6-乙基辛烷,2020/12/19,16,1 2 3 4 5 6 7 8 9,2,6,6-三甲基-4-异丙基壬烷,4-Isopropyl-2,6,6-trimethylnonane,2020/12/19,17,1-甲基乙基,1,3-二甲基丁基,1,1-二甲基-2-乙基丁基,2020/12/19,18,1 2 3 4 5 6 7 8 9,1 2 3,5-(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,2020/12/19,19,基态,激发态,激发,五、 烷烃的结构,

8、（一）碳原子的sp3杂化,？ sp3杂化的特点？,2020/12/19,20,（二）烷烃分子的形成,甲烷的球棒模型,2020/12/19,21,丁烷的Kekul模型（球棒模型）,丁烷的Kekule模型（球棒模型）,2020/12/19,22,丁烷的斯陶特模型,丁烷的斯陶特模型,2020/12/19,23,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

9、链呈锯齿状分布。,2020/12/19,24,1、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？,2020/12/19,25,（2）构象表示法,纽曼投影式,沿CC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,2020/12/19,26,（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

10、020/12/19,27,2、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,CH3CH2CH2CH3,（1）对位交叉式,（2）邻位交叉式,（3）部分重叠式,（4）全重叠式,2020/12/19,28,对位交叉式,side view,end view,2020/12/19,29,邻位交叉式,side view,end view,2020/12/19,30,全重叠式,side view,end view,2020/12/19,31,部分重叠式,side view,end view,2020/12/19,32,丁烷构象能量图,2020/12/19,33,

11、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。,2020/12/19,34,水的（分子间）氢键,极性分子的取向,2020/12/19,35,（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

12、.),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：C1C4为气体； C5C16为液体； C17以上为固体。,2020/12/19,36,3、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

13、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。,2020/12/19,37,七、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。,2020/12/19,38,（一）氧化和燃

14、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。,RR R=C20C30,2020/12/19,39,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658.6 kj/mol。支链烷烃比直链烷烃的燃烧热小。,?,2020/12/19,40,(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

15、个很重要的反应。,2020/12/19,41,石油主要分馏产物,2020/12/19,42,（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,2020/12/19,43,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=101 400 一氯产物为主 甲烷氯气=0.2631 400 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

16、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。,2020/12/19,44,解: (1)(2) (3) = 916115 = 965,2020/12/19,45,八、 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.,2020/12/19,46,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-Cl 242.8 CH3-H 435.4,键能 H

17、-Cl 431.2 CH3-Cl 351.6,1、自由基链锁反应,2020/12/19,47,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。,2020/12/19,48,2、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,2020/12/19,49,CH3CH2CH2

18、H,可见自由基的稳定性： 30R20R10R 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(kJmol-1),435,410,395,380,2020/12/19,50,435.4kj/mol,410.3kj/mol,397.4kj/mol,380.9kj/mol,烷基自由基的离解能,2020/12/19,51,（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,ClCl(243) CH3H(435),需要的能量越少，放出的能量越多，反应越容易进行。, HCl(431) CH3Cl(349)

19、,2020/12/19,52,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,2020/12/19,53,2、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,2020/12/19,54,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

20、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。,2020/12/19,55,决定反应速度的是活化能，而不是反应热。,2020/12/19,56,3、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。,2020/12/19,57,1、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 20H10HH-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,2020/12/19,58,（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： 30H 20H 10H H-CH3 Ea： 0.1 0.5 1.0 4.0 （kj/mol） Ea大小次序为：30H 20H 10H H-CH3 所以，活性次