22烷烃alkane4学时ppt课件

1、第二章第二章 烷烃烷烃(alkane)(alkane) 第一节 烷烃的同系列及同分异构现象 第二节 烷烃的命名法 第三节 烷烃的构型 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 烷烃的卤代反应历程 第八节 过渡态理论 第九节 甲烷和天然气第一节第一节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一、烷烃的同系列烷烃的通式：CnH2n+2 同系列同系列 （Homologousseries）：）： 通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质随碳原子数的增加而有规律变化的化合物系列。随碳原子数的增加而有规律变化的化合物系

2、列。同系物同系物 （Homologs） 同系列中化合物互为同系物同系列中化合物互为同系物系列差系列差 CH2二、同分异构体二、同分异构体分子式同，结构不同的化合物分子式同，结构不同的化合物正丁烷正丁烷异丁烷异丁烷分子式相同，碳干构造不同分子式相同，碳干构造不同碳干异构碳干异构(constitutionalisomerism)同分异构体的书写方法自学）同分异构体的书写方法自学）三、结构式的书写三、结构式的书写 构造简式：碳干式：氢省略碳干式：氢省略(仅限于草稿仅限于草稿) 键线式骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略键线式骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略 四、碳原子和氢原子的种类四、碳原子和氢

3、原子的种类 伯碳一级碳伯碳一级碳1（primary)：直接与一直接与一个碳原子相连个碳原子相连 仲碳二级碳仲碳二级碳2(secondary)：直接与：直接与二个碳原子相连二个碳原子相连 叔碳三级碳叔碳三级碳3(tertiary)：直接与三个直接与三个碳原子相连碳原子相连 季碳四级碳季碳四级碳4(quaternary)：直接与：直接与四个碳原子相连四个碳原子相连 与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称伯、仲与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称伯、仲、叔氢、叔氢1H、2H、3H） 例例1、例、例2例如：例如：第二节第二节烷烃的命名法烷烃的命名法 一、普通命名法一、普通命名法 二、烷基的命名二、烷基的命名 三

4、、系统命名法三、系统命名法一、普通命名法一、普通命名法 1、正(normal)某烷 C1C10 天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 C10 汉文数字2、异、异(iso)某烷某烷 碳链一末端带两个甲基。碳链一末端带两个甲基。正己烷正己烷 n-hexane特殊：特殊： 3、新某烷 含五或六个碳的碳链端第二个碳原子为季碳原子的称为“新某烷”(neohexane)二、烷基的命名 一价基： 表2-3 二价基： 三价基：三价基： 三、系统命名法三、系统命名法 1、直链烷烃：某烷 2 2、支链烷烃、支链烷烃 （1 1选择主链母体）：选择碳原子数最多选择主链母体）：选择碳原子数最多的碳链为主链的碳链

5、为主链例例1、2：给下列有机物选择主链：给下列有机物选择主链 例3：CH3CH2CHCH2CHCH3CHCH3CH3CH3 如果两条碳链的碳原子数相同时，选择含支链较多的碳链为主链。A为主链为主链（2主链碳原子的位次编号主链碳原子的位次编号 a. 从靠近取代基一端顺次编号； b. 当有几种编号可能时，选择使取代基具有“最低序列即使取代基的编号顺次逐项比较为最小的编号； 例4：取代基编号：（上取代基编号：（上2，6，8（下（下2，4，8（正确编号）（正确编号）（3名称的书写次序名称的书写次序编号取代基母体取代基的排列顺序：小取代基的排列顺序：小前、大前、大后、同后、同合并合并取代基顺序规则详见第

6、三章）取代基顺序规则详见第三章）IUPAC法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。例1 例2CH3CHCH2CH2CH2CH3CH3CH3CHCH2CH2CH3CH2CH3例例1：2-甲基己烷甲基己烷2-methylhexane例例2：3-甲基己烷甲基己烷3-methylhexane例例3：2，5-二甲基二甲基-3-乙基己烷乙基己烷3-ethyl-2,5-dimethylhexaneCH3CH2CHCH2CHCH3CHCH3CH3CH3例4： 2，8-二甲基-4-乙基壬烷 4-ethyl-2,8-dimethylnonane留意：取代基和母体名称之间

7、不加短线。 学习的线索： 构造构造性质性质用途用途结结构构构造构造分子中原子的分子中原子的排列顺序排列顺序构型构型分子中原子在分子中原子在空间的排列空间的排列状况状况构象构象由于由于单键的旋转单键的旋转，形成分子中各，形成分子中各原子或原子团的原子或原子团的空间排布空间排布。第三节第三节 烷烃的构型烷烃的构型 一、碳原子的四面体概念及分子模型一、碳原子的四面体概念及分子模型 1、四面体概念、四面体概念 以甲烷为例以甲烷为例 CH键长：键长：0.109nm HCH键角：键角：10928 2、分子模型、分子模型 凯库勒模型、斯陶特模型凯库勒模型、斯陶特模型 3、构型、构型(Configuratio

8、n)：具有一定构造的：具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况。分子中原子在空间的排列状况。CHHHH 思索：思索： （1为什么碳原子具有四价？为什么碳原子具有四价？ （24个个CH键是等同的？键是等同的？二、碳原子的二、碳原子的sp3杂化杂化 1、碳原子的、碳原子的sp3杂化杂化 2、sp3杂化轨道特点杂化轨道特点w方向性更强方向性更强w4个个SP3轨道等同轨道等同w最稳定的排列方式：正四面体最稳定的排列方式：正四面体(4个价个价键尽可能远离）键尽可能远离）三、烷烃分子的形成三、烷烃分子的形成甲烷：甲烷：CH4CH键：键：SP3S 甲烷分子的形成甲烷分子的形成乙烷：乙烷：C2H6 C-C键键

9、SP3SP3 CCHHHHHHwCH键键SP3S 分子的形成分子的形成四、分子立体结构的表示方法四、分子立体结构的表示方法 1、楔型伞型透视式及书写、楔型伞型透视式及书写 甲烷：甲烷：甲烷凯库勒模型甲烷凯库勒模型楔型透视式楔型透视式乙烷：乙烷：书写：书写：2、锯架、锯架sawhorseformula)透视式及书透视式及书写写 3、纽曼投影式、纽曼投影式(Newmanprojection)及书写及书写第四节第四节烷烃的构象烷烃的构象一、构象一、构象(Conformation)概念：有一定构造的分子通过单键的旋转，形成各原子或原子团概念：有一定构造的分子通过单键的旋转，形成各原子或原子团的空间排布

10、。的空间排布。例例1：丁烷：丁烷C4H10CH3CH2CH2CH3例例2：戊烷：戊烷C5H12CH3CH2CH2CH2CH3构象构象二、乙烷的构象二、乙烷的构象 1、两种极限构象的表达、两种极限构象的表达重叠式顺叠式）重叠式顺叠式）Eclipsedconformation交叉式反叠式）交叉式反叠式）Staggeredconformation思索：写出重叠式和交叉式构象的楔型式、锯架式思索：写出重叠式和交叉式构象的楔型式、锯架式和纽曼式。和纽曼式。前后两个碳上的氢前后两个碳上的氢原子处于交叉位置原子处于交叉位置前后两个碳上的氢前后两个碳上的氢原子处于重叠位置原子处于重叠位置模型模型楔型式楔型式锯

11、架式锯架式纽曼式纽曼式模型模型锯架式锯架式纽曼式纽曼式楔型式楔型式2、两种极限构象的位能变化、两种极限构象的位能变化 稳定性比较：稳定性比较： 交叉式重叠式交叉式重叠式 思索：如何分析交叉式构象和重叠式构象思索：如何分析交叉式构象和重叠式构象的稳定性？（原子的空间分布、位能）的稳定性？（原子的空间分布、位能）三、正丁烷的构象三、正丁烷的构象围绕围绕C2C3单键旋转形成各种构象单键旋转形成各种构象1、四种极限构象式的表达、四种极限构象式的表达对位交叉式反叠式）对位交叉式反叠式） 部分重叠式反错式）部分重叠式反错式） 邻位交叉式顺错式）邻位交叉式顺错式） 全重叠式顺叠式）全重叠式顺叠式） 2、四种

12、极限构象的位能变化、四种极限构象的位能变化 稳定性比较：稳定性比较： 对位交叉式邻位交叉式对位交叉式邻位交叉式部分重叠式部分重叠式全重叠式全重叠式 留意：构造、构型、构象和极限构象留意：构造、构型、构象和极限构象 思索：思索： 1.写出戊烷写出戊烷C2C3的极限构象式的极限构象式纽曼式、锯架式、楔型式）纽曼式、锯架式、楔型式） 2.总结书写纽曼式、锯架式、楔型式的总结书写纽曼式、锯架式、楔型式的规律规律第五节第五节烷烃的物理性质烷烃的物理性质 一、物态一、物态 规律：规律：w二、沸点二、沸点boilingpoint图）图）w规律：规律：w三、熔点三、熔点meltingpoint图）图）w规律：

13、规律：随分子量的增加，由气态随分子量的增加，由气态 液态液态 固态固态C数增加，沸点数增加，沸点b.p.升高；升高；B.正烷烃正烷烃b.p支链烷烃同碳数）支链烷烃同碳数）C数增加，熔点数增加，熔点m.p.升高；升高；B.偶数烷烃偶数烷烃m.p奇数烷烃奇数烷烃 四、相对密度 density 规律规律: C数增加，相对密度数增加，相对密度D升高升高 五、溶解度五、溶解度solubility 规律规律: 难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃类。类。 相似相溶相似相溶 烷烃也是一种溶剂如石油醚烷烃也是一种溶剂如石油醚第六节第六节烷烃的化学性质烷烃的化学性质一、化学性质稳

14、定一、化学性质稳定缘由：缘由：（1CC、CH键的键能大，不易键的键能大，不易破裂；破裂；化学键 CCCH键能KJ/mol345.6 415.3 （2CC键矩为键矩为0，CH键矩很小，键矩很小，电子云分布均匀，为非极性分子；电子云分布均匀，为非极性分子；（3键的断裂：均裂键的断裂：均裂二、氧化二、氧化Oxidation自由基反应）自由基反应） 1、熄灭、熄灭用途：用作燃料重要能源之一）用途：用作燃料重要能源之一）当当CH4 O2空气）空气）=1 210瓦斯爆炸瓦斯爆炸2、控制氧化、控制氧化R：C20C30代替动植物油脂制造肥代替动植物油脂制造肥皂皂生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等生产各种含氧衍生

15、物：醇、醛、酸等 三、热裂三、热裂Pyrolysis（自由基反应）（自由基反应） 1、热裂：在高温及无氧条件下发生键断裂的分解反应。 生产燃料和化工原料生产燃料和化工原料 2、催化热裂：应用催化剂的热裂反应称催化热裂反、催化热裂：应用催化剂的热裂反应称催化热裂反应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率.四、卤代四、卤代Helogenation（自由基反应）（自由基反应） 1、甲烷的氯代、甲烷的氯代用途：用途：1生产氯代甲烷混合溶剂；生产氯代甲烷混合溶剂；2控制条件，制备一氯甲烷。控制条件，制备一氯甲烷。2、甲烷的卤代、甲烷的卤代卤素的活性：卤素的活性：F2Cl2Br

16、2I2思索：思索：1为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？2反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，如反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，如何分离？何分离？3为什么卤素的活性：为什么卤素的活性：F2Cl2Br2I2？CH4+X2hvCH3X+HX 3、C3以上烷烃的卤代 从反应式中可看到：从反应式中可看到： 同一化合物中，不同的氢原子被卤代同一化合物中，不同的氢原子被卤代的产率不同；的产率不同； 同一化合物中，同一氢原子，不同的同一化合物中，同一氢原子，不同的卤素，氢被卤代的产率不同。卤素，氢被卤代的产率不同。 讨论：讨论： （1氢原子的卤代反应活

17、性：氢原子的卤代反应活性： 每个氢原子的反应几率每个氢原子的反应几率=产率产率/H的个数的个数氯代反应中氢原子的反应活性：氯代反应中氢原子的反应活性： 1H：43/6764/97 2H：57/2=28.5 3H：36/1=36 氯代：氯代：3H 2H 1H =5 4 1 溴代：溴代：3H 2H 1H =1600 82 1 （2根据反应活性，推测异构体的产率根据反应活性，推测异构体的产率 思索：为什么思索：为什么H原子的卤代反应活性顺序为：原子的卤代反应活性顺序为：321？第七节第七节烷烃卤代反应历程烷烃卤代反应历程ReactionMechanism 反应历程或反应机理）：化学反应所经历的途径或

18、过程。 研究内容： 反应步骤； 反应中心； 价键变化； 影响因素； 研究思路： 一、甲烷的卤代历程一、甲烷的卤代历程 1、甲烷和氯气反应的实验事实： 2、根据实验事实，提出如下机理：、根据实验事实，提出如下机理： 链引发链引发chain initiation）：）： 链传递链传递chain propagation）：）： 链终止链终止chaintermination）：）：思索：思索： （1请你用自由基卤代反应机理解释甲烷氯代的实验请你用自由基卤代反应机理解释甲烷氯代的实验现实现实 。（2为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？ 二、卤素对甲烷的相对反应活性二、卤素

19、对甲烷的相对反应活性 卤素的相对反应活性为：氟卤素的相对反应活性为：氟氯氯溴溴碘碘 反应活性的解释：反应活性的解释： 1、反应热、反应热ReactionenthalpyHR解释解释HR=（435.1+242.5）-（351.4+431）=-104.9KJ/mol放热）放热）反应热：一般来说，放热反应较易进行，反应热：一般来说，放热反应较易进行，而吸热反应较难进行。而吸热反应较难进行。表：甲烷卤代的反应热表：甲烷卤代的反应热 2、活化能、活化能Activationenergy) 活化能：为使反应发生而必须提供活化能：为使反应发生而必须提供的最低能量。的最低能量。 活化能越低，反应越易发生。活化能

20、越低，反应越易发生。活化能活化能EFEClEBrEIKJ/mol4.216.775.2137.9卤素对烷烃的相对取代反应活性：卤素对烷烃的相对取代反应活性：F2Cl2Br2I2三、氢原子反应活性与自由基的稳定性三、氢原子反应活性与自由基的稳定性 1、氢原子的反应活性、氢原子的反应活性 氢原子的反应活性顺序为：氢原子的反应活性顺序为：321 2、自由基的稳定性、自由基的稳定性 构造：构造： 甲烷甲烷CH4甲基自由基甲基自由基CH3 CSP3杂化杂化 CSP2杂化杂化 解离能：解离能： 同一类型的键如CH发生均裂时，键的离解能愈小，则自由基愈容易生成，生成的自由基也较稳定。 自由基自由基自由基自由

21、基类型类型1 1 1 2 3 CH解解离能离能KJ/mol435.1410410397.5 380.7 自由基的稳定性顺序为：自由基的稳定性顺序为：3 3 2 2 1 1 CH3 CH3 氢原子的反应活性为：氢原子的反应活性为： 3 3 2 2 1 1卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基第八节第八节过渡态理论过渡态理论 一、反应进程的过渡态与能量变化一、反应进程的过渡态与能量变化 1、反应进程与过渡态、反应进程与过渡态Transitionstate）2、能量变化曲线图、能量变化曲线图表示反应进程的能量变化表示反应进程的能量变化 （1一步反应一步反应a a：反应物

22、位能峰谷）：反应物位能峰谷）b b：过渡态位能峰顶）：过渡态位能峰顶）c c：产物位能：产物位能 （峰谷）（峰谷）E E：活化能：活化能EE：逆反应的活化能：逆反应的活化能 H H：反应热：反应热思索：思索：1 1从能量变化的角度描从能量变化的角度描述反应进程。述反应进程。2 2上图表示的反应是放上图表示的反应是放热还是吸热？热还是吸热？3 3过渡态有什么特点？过渡态有什么特点？（2多步骤反应多步骤反应 思索：思索： 1指出两图向我们提供了什么反应信息？指出两图向我们提供了什么反应信息？ 2对于多步骤反应，哪一步是决速步骤？对于多步骤反应，哪一步是决速步骤？ 3如果反应有两个方向，如何控制反应

23、向如果反应有两个方向，如何控制反应向预想方向进行？预想方向进行？二、甲烷氯代反应的能量变化二、甲烷氯代反应的能量变化 链增长： 反应反应 EKJ/molHKJ/mol16.74.14.2-109链终止：链终止：思索：请绘出链引发思索：请绘出链引发（氯生成氯自由基的（氯生成氯自由基的能量曲线图，描述反应能量曲线图，描述反应进程。进程。 三、过渡态与中间体、反应热与活化能三、过渡态与中间体、反应热与活化能 过渡态过渡态中间体中间体反应的中间状态反应的中间状态反应中产生的活泼质点反应中产生的活泼质点未被测出未被测出可测出（稳定的中间体则可测出（稳定的中间体则可分离）可分离）位能的最高点（峰顶位能的最

24、高点（峰顶） 位能低于过渡态、高于产位能低于过渡态、高于产物物活化能 反应热 T.S与反应物内能差与反应物内能差 反应物与生成物的内能反应物与生成物的内能差差 反应发生所需的最低能反应发生所需的最低能量量 反应放出或吸收的能量反应放出或吸收的能量 E0（实验测定）实验测定） 通过键能计算，也可实通过键能计算，也可实验测定验测定 H0吸热；吸热；H0放热放热 决定反应速度决定反应速度 不能决定反应速度不能决定反应速度 第九节第九节甲烷与天然气甲烷与天然气 一、甲烷的性质和用途一、甲烷的性质和用途（自学）（自学） 二、天然气和液化天然气二、天然气和液化天然气 1.天然气天然气 成分：甲烷主要）、乙烷、丙烷等烃类化合成分：甲烷主要）、乙烷、丙烷等烃类化合物，少量氮气、氧气、二氧化碳物，少量氮气、氧气、二氧化碳 存量我国）：存量我国）： 常规可采资源量常规可采资源量16.11012m3 非常规可采资源量非常规可采资源量271151012m3 用途：燃料、化工原料用途：燃料、化工原料2、液化天然气、液化天然气LiquefiedNaturalGas，缩写：缩写：LNG）