2、烷烃.ppt

1、1,第二章 烷烃,2,只有碳氢两种元素的原子组成的化合物叫碳氢化合物,简称烃。烃是化学人造字：碳中之火加氢中之 组合而成。烃为碳氢的谐音)。,烃是最基本的有机化合物,习惯上把它们看成是有机化合物的母体.,火 + = 烃,3,烃的分类：,在烷烃分子中,碳原子与氢原子的结合已达到了最高限度,不能再增加了,故烷烃又叫饱和烃.,4,本章讲授提要,第一节: 烷烃的同系列及同分异构现象 第二节: 烷烃的命名 第三节: 碳原子的SP3杂化与烷烃的构型 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: 烷烃卤代反应的历程,5,第一节 烷烃的同系列与同分异构,烷烃是碳氢化合物,

2、我们以H-H为起点，依次插入CH2可以导出所有的烷烃：,甲烷,乙烷,丙烷,一、 烷烃的同系列,共同特点：具有同一个通式 CnH2n+2,6,具有同一个通式，结构相似、化学性质相似、物理性质随着碳原子数目的增加而呈规律性递变的化合物系列叫同系列。,同系列中的化合物互称同系物。相邻同系物在组成上的差叫同系差。,同系列的提出为我们学习有机化学提供了方便，对于一类化合物我们只要研究其中几个典型代表就可推知其他化合物的性质。,7,例：下列化合物是否为同系列？若是， 请写出它的同系差及通式。,A,B,C,分子式：C6H6 C10H8 C14H10,同系差：C4H2,通 式：C4n+6H2n+6,8,1、请

3、根据这些图形画出A的结构，并给出A的 分子式。 2、图中B、C、D三种分子是否与A属于一个同 系列中的4个同系物？为什么？ 98年中学生奥赛题,9,二同分异构现象,由丙烷继续导入CH2时,就会得到两种产物：,他们的组成相同，但分子中的原子排列的顺序不同，互为碳链异构体。,10,烷烃的同分异构体的数目：,在有机化学中，由于同分异构现象普遍存在，故有机化合物的分子不能用分子式表示只能用结构式表示。,11,同分异构现象的分类,12,有机化合物构造式的写法,键线式的写法：碳、氢原子不写，键线式的端点和折点表示碳原子，非碳原子和官能团要写出来。,13,烷烃同分异构体的写法：C6H14为例：,2与6相同。

4、如何区别写出的结构式是否是相同的化合物？用科学的方法对它们进行命名。,14,有机化合物数目庞大种类繁多，同分异构体现象又普遍存在，如果没有一套科学的命名方法来区别不同的化合物，那就 会给有机化学的学习和研究造成困难和混乱。因此认真学习每一类有机化合物的命名方法是有机化学学习的一项重要内容。,第二节 烷烃的命名,要求：,15,一、普通命名法 普通命名法要抓住：正（n）、 异（i ）、新（neo ）三个字,1、对十碳以内的直链烷烃根据中国的天干记时法（甲、乙、丙、壬、癸）叫正某烷。,CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3,正烷 正戊烷,十碳以上用数字表示： CH3（CH2）10CH3

5、正十二烷,16,2、对链端第二个碳原子上有一个甲基侧链的烷烃叫异某烷。,异烷 异戊烷,3、对链端第二个碳原子上有两个甲基侧链的烷烃叫新某烷。,新烷 新戊烷,17,碳原子、氢原子的分类：,10,10,10,10,10,30,40,20,一级 二级 三级 四级 伯 仲 叔 季,1oC 2oC 3oC 4oC 1oH 2oH 3oH,异辛烷,18,请记住十个烷烃的英文名称：,甲烷 methane 乙烷 ethane 丙烷 propane 丁烷 butane 戊烷 pentane 己烷 hexane 庚烷 heptane 辛烷 octane 壬烷 nonane 癸烷 decane,ane、ene、yn

6、e分别是烷、烯、炔的词尾，若将相应烷烃名称词尾的e改为ol、al、one则分别变为变为醇、醛、酮。,19,二、烷基的命名：,甲基 乙基 正丙基 异丙基 Me Et n-Pr i-Pr,正 n (normal) 仲 s (second) 异 i (iso) 叔 t (tertio) 新 neo(neo),CH2 CH3CH= CH2CH2CH2 亚甲基 亚乙基 1,3亚丙基,20,叔丁基 叔戊基 新戊基 t-Bu t neo,注意叔戊基与新戊基的区别,正丁基 异丁基 仲丁基 n-Bu i-Bu s-Bu,注意异丁基与仲丁基的区别,21,三 系统命名法： 说明：IUPAC命名法与系统命名法并 不等

7、同. IUPAC命名法:是国际纯粹与应用化学 联合会制定的命名法. 系统命名法:是中国化学会根据IUPAC 的命名原则，结合我国文 字特点所制定的命名法.,在系统命名法中，直链烷烃不需要正字。,22,关于烷烃的命名主要原则有三条： 选择主链 、给主链碳原子编号、排列取代基,1、选择最长碳链作为主链，其它侧链作为取 代基。,2、从最靠近取代基的一端起依次给主链碳原 子编号。,3、按由小到大的顺序排列取代基。如果含有 相同的取代基，须逐个标明他们的位次用 数目二、三、四.把他们合并起来，写 在取代基名称前。,23,例1：,取：2，5二甲基 4 乙基庚烷,不取：2甲基 4仲丁基己烷,注意书写规则：阿

8、拉伯数字之间用逗号隔开， 阿拉伯数字与汉字之间用半字线“”连接。,24,补充规定： 1、当有两条等长碳链可供选择时，选 含取代基最多的碳链作为主链。 2、当两条碳链上的取代基数目也相等 时，循最低系列原则：使取代基的 位次号码尽可能小。,25,确定主链：水平编号碳链有四个取代基， 拐弯编号碳链有两个取代基， 取水平编号碳链为主链。,确定编号：黑字编号2、3、4、4， 红字编号2、2、3、4，选红字编号。,名 称： 2，2，4三甲基3乙基戊烷,例2：,26,例3： 对于支链上又连有支链的烷烃的命名,4丙基5(1异丙基丁基)十一烷,或： 4丙基51异丙基丁基十一烷,27,一碳原子的sp3杂化 杂化

9、轨道理论用以解释：为什麽基态下外层只有两个未成对电子的碳原子在有机化合物中总是保持四价，且在烷烃分子中还具有四面体的构型。 所谓杂化：“能量相近的原子轨道可以在原子内部进行混合组成新的轨道杂化轨道”。 _ P.Pauling (1931),第三节碳原子的sp3杂化 与烷烃分子的构型,28,碳原子的sp3杂化,29,杂化后的轨道有以下特征： 形成四个完全等同的sp3杂化轨道. 2这些轨道具有最佳的空间取向(彼此间的夹角为10928 保持了最大程度的远离). 3杂化轨道具有更强的方向性(负瓣减弱,正瓣加强,增强了成键的能力).,30,二、烷烃分子的形成与- 键 (1)、甲烷分子的形成,31,32,

10、(2)乙烷分子的形成,33,(3)、 - 键:,形成:由原子轨道头碰头重迭而形成. 特征:电子云沿键轴呈圆柱状对称分布，成 键两原子可围绕键轴自由旋转不会影 响电子云密度的分布。,34,烷烃分子构型的表示：,甲烷分子的楔形式 乙烷分子的楔形式,简言之: 楔前、虚后、实平面。,35,所谓直链烷烃，碳链并非是直的，只是它不含侧链而已。 C3的直链烷烃固态时碳链呈锯齿状，气态、液态下由于围绕- 键的旋转而呈多种不规则的形状：,戊烷的多种不规则形状,36,构造：指分子中的原子相互连接的顺序 及方式。 构型：指具有一定构造的化合物分子 中的原子在空间的排列形式。 构象：指具有一定构型的化合物分子 中的原

11、子，由于围绕碳碳单 键的旋转而产生的在空间的不 同排列形式。,有机化学结构的概念包括三个层次：,第四节 烷烃的构象,37,交叉式构象,重叠式构象,锯架式,Newman投影式,楔型式,一乙烷的构象,38,能量分析：,2H之间的距离： 0.250nm 0.229nm,2H原子的范德华半径之和： 0.24nm,交叉式： 0.250nm 0.24nm 无范氏张力,重迭式：,0.229nm0.24nm 有范氏张力,39,乙烷的构象势能图,40,二丁烷的构象,41,全重迭式,邻位交叉式,部分重迭式,全交叉式,习惯名称与IUPAC名称：,42,相对能量： 全重迭式 部分重迭式 邻位交叉式全交叉式 （顺迭式）

12、 （反错式） （顺错式） （反迭式） 极少 极少 32% 68%,43,第五节烷烃的物理性质,物理性质包括： 外 观：状态、颜色、气味、味道。 物理常数:熔点（m.p.）、沸点（b.p.）、 密度（d ）、 折光率（nD）、 比旋光度 偶极矩（ ） 溶解度等,2、根据物理性质来分离提纯化合物,1、用来鉴别化合物或判别化合物的纯度.,一、研究物理性质的意义,44,二、分子间的作用力,分子的聚集态、熔沸点的高低取决于分子间的作用力。分子间的作用力有如下三种：,1、色散力：主要存在于非极性分子之间。,丁烷 b.p：-0.5 戊烷 b.p：36,新戊烷 b.p：9.5,45,分子间接触面积大，分子间的

13、距离近，分子间的作用力就大，沸点就高。,46,2、取向力：主要存在于极性分子之间。,偶极矩（）： 0D 2.7D 沸 点（b.p）：- 42 20,3、氢键,沸点（b.p）：117.7 34.5,三种分子间力的大小： 氢键取向力色散力 比较分子量相近或相同的不同化合物沸点高低的依据是这三种分子间力。,47,1、熔点（m.p） 分子熔点的高低取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度. 、随分子量的增大而升高. 、偶数碳烷烃比奇数碳烷烃的熔点 升高值大. 、分子量相同时,分子的对称性越好 m.p越高.,三、烷烃的物理性质,48,正、异、新、戊烷m.p、b.p的比较：,2、沸点（ b.p ）. 、烷烃

14、为非极性分子,一般b.p都较低 、随分子量的增大而升高 、分子量相同时,支链越多,b.p越低,b.p/ ： 36 28 9.5 m.p/ ：-130 -160 -17,49,3、密度： 小于1 0.4660.812,4、偶极矩：= 0,5、溶解度：不溶于水易溶于非极性溶 剂如苯、四氯化碳等。,50,烷烃的结构特点与反应活性： 1、烷烃分子中的键强度大，键能高不易断 裂。 C C C H 345.6 415.5 （KJ/mol） 2、烷烃分子中电子云密度分布均匀，因而 不易接受富电子或缺电子试剂的进攻。,第六节 烷烃的化学性质,故：烷烃化学性质不活泼，室温下与强 酸、强碱、强氧化剂、强还原剂不

15、发生反应。,51,烷烃在高温或光照下能够进行反应：,烷烃燃烧后生成 CO2和H2O的同时放出大量的热，使烷烃（石油中的主要成分）成为人类最重要的能源。,CnH2n+2+(3n+1)/2O2 n CO2 + (n+1)H2O+热量,一氧化反应：,52,CH4+CH2=CHCH3 CH3CH3+CH2=CH2 CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH=CH2 CH2=CHCH=CH2 CH3CH=CHCH3+H2,二热裂反应 1.高温裂解：,高温,隔绝空气,高温,主要为获取基本化工原料：各种烯烃,烷烃 乙烯，丙烯，丁二烯，氢气,53,C6C8 苯 + 甲苯 + 二甲苯 烷烃 （基本化工原料）,催

16、化重整,七种基本有机化工原料为：,乙烯、丙烯、丁二烯， 苯、 甲苯、二甲苯和甲烷,催化裂化可得到多支链的烷烃,主要是为获取高品质的汽油； 催化重整则是为了得到苯、甲苯和二甲苯。,2催化裂化和催化重整,54,氟代反应太剧烈，以爆炸式进行，难以控制，碘原子不活泼使取代反应难以发生， 故烷烃的卤代反应通常是指氯代和溴代反应。,1甲烷的氯代反应,三卤代反应,反应活性：F Cl Br I,产物是各种氯代甲烷的混合物,55,当： CH4 + Cl2 10 : 1 CH3Cl为主 0.263 : 1 CCl4 为主,2、其它烷烃的卤代反应,、氯代反应,45 55,10氢与20氢氯代反应的相对活性：,56,三

17、种氢氯代反应的相对活性： 伯氢：仲氢：叔氢=1：3.7：5.1,64 36,57,、溴代反应,3 97,1 99,三种氢溴代反应的相对活性： 伯氢：仲氢：叔氢=1：82：1600,58,结论： 1、不同类型的氢反应活性不同。 2、氯代反应的活性大于溴代反应 的活性。 3、溴代反应的选择性大于氯代反 应的选择性。,反 应 式：宏观给出现象。 反应历程：微观揭示本性。,如何解释这些事实？,59,第七节 烷烃卤代反应的历程,一反应历程简介 1、什么叫反应历程？ 反应历程又叫反应机理或反应机制，是指反应物经过化学反应转变成产物所经历的全部过程。 2、反应历程是理论上的假设 反应历程是根据能够观察到的实

18、验事实进行推理而提出的理论上的假说（化学反应是在10-1210-14秒内完成，目前还无法直接观察）。 3、研究反应历程的目的 揭示反应的本质,掌握反应的规律,从而达到控制反应和利用反应的目的。,60,1基本假定 过渡态理论认为：化学反应不仅仅是通过分子之间的简单碰撞就完成的，从反应物到产物是个逐渐变化的连续过程，在反应中反应物分子相互接近形成活化络合物即过渡态，然后再以一定的速度形成产物。,二过渡态理论,61,2、反应能量进程图,62,反应能量进程图的函义：,1、曲线上的每一点都对应着一种反应的状态和这种状态所具有的能量。,2、a点：反应物；c点：产物；b点：过渡态。,3、 b点与a点的高度之

19、差E活：是反应的活化能。 b点与c点的高度之差E：是逆反应的活化能。,4、 b点与c点的高度之差H：为反应热。,H为负值：反应放热。,H为正值：反应吸热。,63,(1)、CH4与Cl2室温时在暗处不发生反应;,甲烷的氯代反应有如下事实需要解释：,(2)、在暗处温度高于250或室温下进行光 照可以发生反应;,(3)、光照下反应时,体系每吸收一个光子, 就可以 产生一万多个氯甲烷分子;,(4)、若有O2存在时,就会延缓反应的发生。,三、甲烷氯代反应的历程,64,每个氯自由基可循环碰撞五千多次.,链引发：,链增长：,链终止：,自由基：具有单个未成对电子的原子或 基团叫自由基。,1、甲烷氯代反应的历程

20、(自由基取代反应历程）,65,有氧存在延缓反应发生的原因:,反应生成的甲基过氧自由基活性低,可以减慢或终止自由基反应,此类物质称为自由基抑制剂。,活泼,不活泼,活泼,不活泼,66,甲烷氯代反应的能量进程图,67,1、在多步骤反应中，反应分多少步进行能 量进程图上就有多少个峰。,2、两峰之间的谷点表示反应活性中间体。,3、活化能最高的那步反应决定着整个反应 的速率。,68,利用键能计算反应热: H=反产,键能：435.1 242.5 351.5 431,H =（435.1 + 242.5） （351.5 + 431 ）,677.6 782.5,= 104.9KJ/mol（反应放热）,69,四、卤

21、代反应的取向与反应的相对活性,取向:是比较同一分子中，不同位置上的 原子或基团对同一试剂的反应活性。,相对反应活性：是比较同一化合物对不同试剂，或不同化合物对同一试剂的反应活性。,70,1.卤素对甲烷的相对反应活性： F Cl Br I,E活(KJ/mol),+4.2 +16.7 +75.3 +138,71,(1)、A步骤显示不是决定反应速率的步骤。 (2)、C步骤对四种卤素都是放热且Cl. Br. I的H 比较接近 。看来也不是造成 相对反应活性差别的原因。 (3)、B步骤H 差别 较大 从 F化的强烈放 热到I化的强烈吸热,这步反应是决定 整个反应速率的步骤。 、请注意：决定反应活性的因素并不是 反应热H而是反应的活化能E。,从 H 来分析反应的相对活性：,72,卤代反应的活性: 30H 20H 10H CH4,2、反应的取向与自由基的稳定性,