烷烃(alkane)4学时.ppt

第二章烷烃 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 Homologousseries 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 同系物 Homologs 同系列中化合物互为同系物 系列差CH2 二 同分异构体分子式同 结构不同的化合物 正丁烷异丁烷分子式相同 碳干构造不同 碳干异构 constitutionalisomerism 同分异构体的书写方法 自学 三 结构式的书写 构造简式 碳干式 氢省略 仅限于草稿 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 伯碳 一级碳 1 primary 直接与一个碳原子相连仲碳 二级碳 2 secondary 直接与二个碳原子相连叔碳 三级碳 3 tertiary 直接与三个碳原子相连季碳 四级碳 4 quaternary 直接与四个碳原子相连与伯 仲 叔碳原子相连的氢原子称伯 仲 叔氢 1 H 2 H 3 H 例1 例2 例如 第二节烷烃的命名法 一 普通命名法二 烷基的命名三 系统命名法 一 普通命名法 1 正 normal 某烷C1 C10天干 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 C10汉文数字 2 异 iso 某烷碳链一末端带两个甲基 正己烷n hexane 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 系统命名法 1 直链烷烃 某烷 2 支链烷烃 1 选择主链 母体 选择碳原子数最多的碳链为主链 例1 2 给下列有机物选择主链 例3 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 2 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 2 6 8 下 2 4 8 正确编号 3 名称的书写次序 取代基的排列顺序 小前 大后 同合并取代基顺序规则 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 例1例2 例1 2 甲基己烷2 methylhexane例2 3 甲基己烷3 methylhexane 例3 2 5 二甲基 3 乙基己烷3 ethyl 2 5 dimethylhexane 例4 2 8 二甲基 4 乙基壬烷4 ethyl 2 8 dimethylnonane注意 取代基和母体名称之间不加短线 学习的线索 结构 性质 用途 第三节烷烃的构型 一 碳原子的四面体概念及分子模型1 四面体概念以甲烷为例C H键长 0 109nm HCH键角 109 28 2 分子模型凯库勒模型 斯陶特模型3 构型 Configuration 具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况 思考 1 为什么碳原子具有四价 2 4个C H键是等同的 二 碳原子的sp3杂化 1 碳原子的sp3杂化2 sp3杂化轨道特点 方向性更强4个SP3轨道等同最稳定的排列方式 正四面体 4个价键尽可能远离 三 烷烃分子的形成 甲烷 CH4C H键 SP3 S 甲烷分子的形成 乙烷 C2H6 C C键SP3 SP3 C H键SP3 S 分子的形成 四 分子立体结构的表示方法 1 楔型 伞型 透视式及书写甲烷 甲烷凯库勒模型 楔型透视式 乙烷 书写 2 锯架 sawhorseformula 透视式及书写 3 纽曼投影式 Newmanprojection 及书写 第四节烷烃的构象 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的空间排布 例1 丁烷C4H10CH3CH2CH2CH3例2 戊烷C5H12CH3CH2CH2CH2CH3构象 二 乙烷的构象 1 两种极限构象的表达 重叠式 顺叠式 Eclipsedconformation 交叉式 反叠式 Staggeredconformation 思考 写出重叠式和交叉式构象的楔型式 锯架式和纽曼式 前后两个碳上的氢原子处于交叉位置 前后两个碳上的氢原子处于重叠位置 模型 楔型式 锯架式 纽曼式 模型 锯架式 纽曼式 楔型式 2 两种极限构象的位能变化 稳定性比较 交叉式 重叠式思考 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 三 正丁烷的构象 围绕C2 C3单键旋转形成各种构象 1 四种极限构象式的表达 对位交叉式 反叠式 部分重叠式 反错式 邻位交叉式 顺错式 全重叠式 顺叠式 2 四种极限构象的位能变化 稳定性比较 对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式注意 构造 构型 构象和极限构象思考 1 写出戊烷 C2 C3 的极限构象式 纽曼式 锯架式 楔型式 2 总结书写纽曼式 锯架式 楔型式的规律 第五节烷烃的物理性质 一 物态规律 二 沸点boilingpoint 图 规律 三 熔点meltingpoint 图 规律 随分子量的增加 由气态 液态 固态 C数增加 沸点b p 升高 B 正烷烃b p 支链烷烃 同碳数 C数增加 熔点m p 升高 B 偶数烷烃m p 奇数烷烃 四 相对密度density 规律 C数增加 相对密度D升高五 溶解度solubility规律 难溶于水 易溶于有机溶剂 尤其是烃类 相似相溶烷烃也是一种溶剂如石油醚 第六节烷烃的化学性质 一 化学性质稳定原因 1 C C C H 键的键能大 不易破裂 2 C C键矩为0 C H键矩很小 电子云分布均匀 为非极性分子 3 键的断裂 均裂 二 氧化Oxidation 自由基反应 1 燃烧 用途 用作燃料 重要能源之一 当CH4 O2 空气 1 2 10 瓦斯爆炸 2 控制氧化 R C20 C30代替动植物油脂制造肥皂 生产各种含氧衍生物 醇 醛 酸等 三 热裂Pyrolysis 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 2 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 四 卤代Helogenation 自由基反应 1 甲烷的氯代 用途 1 生产氯代甲烷混合溶剂 2 控制条件 制备一氯甲烷 2 甲烷的卤代 卤素的活性 F2 Cl2 Br2 I2 思考 1 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 如何分离 3 为什么卤素的活性 F2 Cl2 Br2 I2 3 C3以上烷烃的卤代 从反应式中可看到 同一化合物中 不同的氢原子被卤代的产率不同 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 讨论 1 氢原子的卤代反应活性 每个氢原子的反应几率 产率 H的个数 氯代反应中氢原子的反应活性 1 H 43 6 764 9 72 H 57 2 28 53 H 36 1 36氯代 3 H 2 H 1 H 5 4 1溴代 3 H 2 H 1 H 1600 82 1 2 根据反应活性 推测异构体的产率思考 为什么H原子的卤代反应活性顺序为 3 2 1 第七节烷烃卤代反应历程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 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 链引发 chaininitiation 链传递 chainpropagation 链终止 chaintermination 思考 1 请你用自由基卤代反应机理解释甲烷氯代的实验事实 2 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 卤素的相对反应活性为 氟 氯 溴 碘反应活性的解释 1 反应热 Reactionenthalpy HR 解释 HR 435 1 242 5 351 4 431 104 9KJ mol 放热 反应热 一般来说 放热反应较易进行 而吸热反应较难进行 表 甲烷卤代的反应热 2 活化能 Activationenergy 活化能 为使反应发生而必须提供的最低能量 活化能越低 反应越易发生 卤素对烷烃的相对取代反应活性 F2 Cl2 Br2 I2 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顺序为 3 2 1 2 自由基的稳定性结构 解离能 同一类型的键 如C H 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 自由基的稳定性顺序为 3 2 1 CH3 氢原子的反应活性为 3 2 1 卤代反应的决速步骤 生成烷基自由基 第八节过渡态理论 一 反应进程的过渡态与能量变化1 反应进程与过渡态 Transitionstate 2 能量变化曲线图 表示反应进程的能量变化 1 一步反应 a 反应物位能 峰谷 b 过渡态位能 峰顶 c 产物位能 峰谷 E 活化能E 逆反应的活化能 H 反应热思考 1 从能量变化的角度描述反应进程 2 上图表示的反应是放热还是吸热 3 过渡态有什么特点 2 多步骤反应 思考 1 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 3 如果反应有两个方向 如何控制反应向预想方向进行 二 甲烷氯代反应的能量变化 链增长 链终止 思考 请绘出链引发 氯生成氯自由基 的能量曲线图 描述反应进程 三 过渡态与中间体 反应热与活化能 第九节甲烷与天然气 一 甲烷的性质和用途 自学 二 天然气和液化天然气1 天然气成分 甲烷 主要 乙烷 丙烷等烃类化合物 少量氮气 氧气 二氧化碳存量 我国 常规可采资源量16 1 1012m3非常规可采资源量27 115 1012m3用途 燃料 化工原料 2 液化天然气 LiquefiedNaturalGas 缩写 LNG 当天然气在大气压下 冷却至约 162 时 天然气由气态转变成液态 称为液化天然气 LiquefiedNaturalGas 缩写为LNG 体积为同量气态天然气的1 600 重量为同体积水的45 便于储存和运输 压缩天然气 CompressedNaturalGas 简称CNG 是天然气加压 超过3 600磅 平方英寸 并以气态储存在容器中 它与管道天然气的组分相同 CNG可作为车辆燃料利用 液化石油气 LiquefiedPetroleumGas 简称LPG LPG的主要组分是丙烷 超过95 还有少量的丁烷 LPG在适当的压力下以液态储存在储罐容器中 常被用作炊事燃料 在国外 LPG被用作轻型车辆燃料已有许多年 三 天然气水合物 水分子与甲烷和低分子量的轻烃如乙 丙 丁烷在低温 高压环境下形成的类似冰状的固态结晶物质 存在 海底和北极永久冻土层内 特点 常温 常压下分解为水与甲烷等轻烃 1cm3的水合物可释放出164cm3的天然气 极易燃烧 也称为 可燃冰 燃烧时几乎不产生任何残渣或废弃物 是未来重要而清洁的潜在能源 结构特点