有机化学【烷烃】学习教案.pptx

会计学1有机化学有机化学(yu j hu xu)【烷烃】【烷烃】第一页，共98页。分子中只含有碳(carbon)和氢(hydrogen)两种元素的有机化合物叫做碳氢化合物，简称烃。其它有机化合物可以看作(kn zu)是烃的衍生物，所以烃是有机化合物的“母体”。烃(hydrocarbon)的定义(dngy):第1页/共98页第二页，共98页。烃开链烃(脂肪烃)饱和烃(烷烃)如CH3CH3不饱和烃烯烃如CH2CH2炔烃如CHCH闭链烃(环烃)脂环烃如芳(香)烃如二烯烃如CH2CHCHCH2第2页/共98页第三页，共98页。开链烃亦称脂肪烃。如果其分子中的碳原子之间都以单键(dnjin)（CC）相连，其余的价键都为氢原子所饱和，则称为烷烃，也称为饱和烃或石蜡烃。烷烃的定义(dngy):第3页/共98页第四页，共98页。一、烷烃的通式、同系列(xli)和构造异构第4页/共98页第五页，共98页。名称 分子式 构造式的简写式 甲烷(ji wn)CH4 CH4 乙烷 C2H6 CH3CH3 丙烷 C3H8 CH3CH2CH3 丁烷 C4H10 CH3(CH2)2CH3 戊烷 C5H12 CH3(CH2)3CH3烷烃的分子式和构造(guzo)简式：第5页/共98页第六页，共98页。烷烃的分子式都符合通式：CnH2n+2，两个烷烃分子式之间总是相差一个或几个(j)CH2。在组成上相差一个或多个CH2，且结构和性质相似的一系列化合物称为同系列。同系列中的各化合物互称为同系物。同系列中，相邻的两个分子式的差值CH2称为系差。烷烃的通式(tngsh)与同系列:第6页/共98页第七页，共98页。含有四个或四个以上碳原子的烷烃不止一种构造。例如：CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3正丁烷(dnwn)异丁烷(dnwn)（沸点：0.5）（沸点：11.7）CH3第7页/共98页第八页，共98页。正丁烷和异丁烷属于同分异构体。正丁烷和异丁烷这种同分异构体，是由于分子内原子间互相连接的顺序不同(b tn)造成的（即不同(b tn)构造(constitution)引起的），称为构造异构体（constitutional isomers）。构造(guzo)异构、碳架异构：构造(guzo)异构：因分子中原子的连结次序不同或 者键合性质不同而引起的异构。第8页/共98页第九页，共98页。正丁烷和异丁烷的这种构造异构是由于碳骨架不同引起(ynq)的，故又称碳架异构。烷烃的构造异构均属于碳架异构。例如，C7H16有9个构造异构体，C8H18有18个构造异构体。第9页/共98页第十页，共98页。问题(wnt):C6H14有多少个构造异构体？写出其结构(jigu)简式和键线式。第10页/共98页第十一页，共98页。二、烷烃的命名(mng mng)第11页/共98页第十二页，共98页。|HH|H C C C C CH2CH3H|CH3|CH3|H|H|CH3 1 1 2 3 4 21 1 11碳原子与氢原子的类型(lixng)：第12页/共98页第十三页，共98页。连有一个(y)碳原子的称为伯碳原子或第一碳原子（用“1”表示）；连有两个碳原子的称为仲碳原子或第二碳原子（用“2”表示）；连有三个碳原子的称为叔碳原子或第三碳原子（用“3”表示）；连有四个碳原子的称为季碳原子或第四碳原子（用“4”表示）。与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子。伯、仲、叔碳原子的定义(dngy):第13页/共98页第十四页，共98页。烷基(wn j)常用R表示，其通式为CnH2n+1 CH3 CH3CH2 CH3CH2CH2 甲基 乙基 (正)丙基 CH3CHCH3 CH3CH2CH2CH2 CH3CHCH2CH3|异丙基 (正)丁基 仲丁基(CH3)2CHCH2 (CH3)3C (CH3)3CCH2 异丁基 叔丁基 新戊基2烷基(wn j)的名称：第14页/共98页第十五页，共98页。3烷烃的命名(mng mng)：例：(1)普通(ptng)命名法：（异戊烷）（正戊烷）（新戊烷）第15页/共98页第十六页，共98页。普通命名法亦称习惯命名法。碳原子数在十以内，分别用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示碳原子的数目，十个碳原子以上则以十一、十二数目字表示。以“正”、“异”、“新”等前缀区别(qbi)不同的构造异构体。“正”代表直链烷烃；“异”指仅在一末端具有(CH3)2CH构造而无其它支链的烷烃；“新”专指具有(CH3)3C构造的含五、六个碳原子的烷烃。普通(ptng)命名法基本原则:第16页/共98页第十七页，共98页。例：（正己烷）（异己烷）（新己烷）CH3CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH2CH3CH3CH3CCH2CH3CH3CH3第17页/共98页第十八页，共98页。我国现在使用的有机化合物系统命名法是参考国际纯粹和应用化学联合会(InternationalUnionofPureandAppliedChemistry简称IUPAC)制定的命名原则，并结合(jih)我国的文字特点于1960年制定，1980年由中国化学会加以增减修订的有机化学命名原则。(2)系统(xtng)命名法：第18页/共98页第十九页，共98页。2 1 CH2CH3|CH3CHCH2CHCH2CH3 3-甲基-5-乙基辛烷 3 4 5|CH2CH2CH3 6 7 8例：第19页/共98页第二十页，共98页。系统命名(mngmng)法命名(mngmng)直链烷烃时，与习惯命名(mngmng)法基本相同，但无须“正”字。例：戊烷系统(xtng)命名正戊烷习惯(xgun)命名第20页/共98页第二十一页，共98页。（A）从烷烃的构造式中选取最长的连续碳链作为主链，支链作为取代基。当含有不止(bzh)一个相等的最长碳链可供选择时，一般选取包含支链最多的最长碳链作为主链。根据主链所含碳原子数称为“某”烷。系统命名的基本(jbn)原则：（支链烷烃）第21页/共98页第二十二页，共98页。正确(zhngqu)的选择是2，不是1。例：第22页/共98页第二十三页，共98页。问：下列(xili)化合物应选择哪条主链？2,3,5-三甲基-4-丙基辛烷第23页/共98页第二十四页，共98页。（B）将主链上的碳原子从靠近(kojn)支链的一端开始依次用阿拉伯数字编号；当主链编号的有几种可能时，应选定支链具有“最低系列”的编号。“最低系列”是指碳链以不同方向编号时，若有不止一种可能的系列，则需顺次逐项比较各系列的不同位次，最先遇到的位次最小者定为最低系列。第24页/共98页第二十五页，共98页。例：2，3，7，7，8，10-六甲基十一(ShY)烷（而不是2，4，5，5，9，10-六甲基十一(ShY)烷）第25页/共98页第二十六页，共98页。（C）将取代基的名称写在主链名称之前，取代基的位次用主链上碳原子的编号表示，写在取代基名称之前，两者之间用半字线“-”相连。当含有几个不同的取代基时，取代基排列的顺序，按“次序规则”所规定的“较优”基团后列出（简单的基团在前，复杂的基团在后）。当含有几个相同的取代基时，相同基团合并，用二、三、四表示其数目(shm)，并逐个标明其所在位次，位次号之间用逗号“，”分开。第26页/共98页第二十七页，共98页。如果(rgu)含有几个不同取代基时，取代基排列的顺序，是将“次序规则”所规定的“较优”基团列在后面。几种烃基的优先(yuxin)次序为:(CH3)3C (CH3)2CH CH3CH2CH2 CH3CH2 CH3 第27页/共98页第二十八页，共98页。2-甲基-4-乙基己烷例：6-丙基-4-异丙基癸烷第28页/共98页第二十九页，共98页。命名(mng mng)练习:第29页/共98页第三十页，共98页。3-乙基-5-(1-乙基丙基)壬烷第30页/共98页第三十一页，共98页。英文命名(mng mng)简介:正丁基 异丁基 仲丁基 叔丁基methyl(Me)ethyl(Et)propyl(Pr)butyl(Bu)甲烷乙烷(y wn)丙烷丁烷methaneethanepropanebutane 甲基乙基丙基丁基正丁烷(dn wn)n-propane异丁烷 i-propanen-butyli-butylsec-butyltert-butyl第31页/共98页第三十二页，共98页。三、烷烃的结构(jigu)第32页/共98页第三十三页，共98页。甲烷(ji wn)的四面体结构 第33页/共98页第三十四页，共98页。碳原子轨道(gudo)的sp3杂化 109.5第34页/共98页第三十五页，共98页。键的定义(dngy)（1）电子云可以达到最大程度的重叠，所以比较牢固(log)。（2）键旋转时不会破坏电子云的重叠，所以键可以自由旋转。在化学中，将两个轨道沿着轨道对称轴方向重叠(chngdi)形成的键叫键。键的特点 烷烃分子中的碳都是sp3杂化。烷烃中的碳氢键和碳碳键都是键。第35页/共98页第三十六页，共98页。甲烷(ji wn)分子中的四个CH键四个碳氢键键长均为0.110nm所有(suyu)HCH的键角都是109.5CH键的键能为414.2KJmol1-bond 轨道(gudo)对称轴第36页/共98页第三十七页，共98页。甲烷(ji wn)的球棒模型(a)和比例模型(b)第37页/共98页第三十八页，共98页。CC键长为0.154nmCH键长为0.110nm键角(jinjio)也接近109.5键能为347.3KJmol1乙烷分子(fnz)中CC键（CH键用直线表示）第38页/共98页第三十九页，共98页。乙烷的球棒模型(mxng)(a)和比例模型(mxng)(b)(a)(b)第39页/共98页第四十页，共98页。碳的价键分布呈四面体型，而且碳碳单键可以自由旋转，所以三个碳以上烷烃分子中的碳链不是(b shi)像构造式那样表示的直线型，而是以如下锯齿形或其它可能的形式存在。第40页/共98页第四十一页，共98页。四、烷烃的构象(u xin)第41页/共98页第四十二页，共98页。构象(u xin)(conformation)定义:一个已知构型的分子，仅由于单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定排列形式称为(chn wi)构象。单键(dn jin)旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体(conformational isomers)。构象异构体:第42页/共98页第四十三页，共98页。1乙烷(y wn)的构象HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH重叠式构象 交叉式构象 重叠式构象 交叉式构象 （最不稳定的 （最稳定的 乙烷构象）乙烷构象）用透视(tush)式表示乙烷的构象 乙烷分子的纽曼投影式 锯架式(jish)Newman极限构象第43页/共98页第四十四页，共98页。乙烷(ywn)交叉式构象与重叠式构象的能量分析C-H键长C-C键长键角两面角两氢相距(xingj)0.110nm0.154nm109.5o60o0.250nm0.110nm0.154nm109.5o0o0.229nm每个C-H、C-H重叠(chngdi)的能量约为4KJmol-1HHHH第44页/共98页第四十五页，共98页。0.250nm0.240nm0.229nmE重叠(chngdi)E交叉E=12.6KJmol-1当二个氢原子的间距少于0.240nm（即二个氢原子的半径和）时，氢原子之间会产生(chnshng)排斥力，从而使分子内能增高，所以重叠式比交叉式内能高。两氢离距相比(xin b):能量差别:第45页/共98页第四十六页，共98页。乙烷不同(btn)构象的能量变化曲线优势构象（能量(nngling)最低的稳定构象称为优势构象）第46页/共98页第四十七页，共98页。(1)在常温下能否(nnfu)将重叠式与交叉式构象分离?为什么？(2)试画出丙烷的极限构象。问题(wnt)：第47页/共98页第四十八页，共98页。2丁烷(dn wn)的构象 对位交叉式部分(bfen)重叠式邻位交叉式全重叠式（优势构象）试分析丁烷不同(b tn)构象的稳定性。第48页/共98页第四十九页，共98页。五、烷烃的物理性质(wlxngzh)第49页/共98页第五十页，共98页。物 理 性 质外观：状态，颜色，气味物理常数(chngsh)：沸点（b.p.)熔点（m.p.)折光率(n)旋光度 密度（D）溶解度 光谱特征t第50页/共98页第五十一页，共98页。化化合合物物的的状状态态、沸沸点点、熔熔点点、密密度度、溶溶解解度度等等物物理理性性质质取取决决于于物物质质的的结结构构及及其其分分子子间间的的作用力。作用力。有机化合物分子间作用力主要有有机化合物分子间作用力主要有 ：偶极偶极-偶极相互作用（极性分子）偶极相互作用（极性分子）;色色散散力力(范范德德华华作作用用力力)：瞬瞬间间偶偶极极-电电子子运运动动造造成成正正负负电电荷荷中中心心暂暂时时不不重重合合。色色散散力力具具有有(jyu)(jyu)加加和和性性，分分子子越越大大(极极化化率率越越大大，分分子子的接触面积越大的接触面积越大)，作用越强。，作用越强。第51页/共98页第五十二页，共98页。色散色散(ssn)(ssn)力示意图力示意图:第52页/共98页第五十三页，共98页。烷烃属于非极性分子(fnz)，分子(fnz)间只有微弱的色散力，在室温（25）和0.1MPa下，烷烃的状态(zhungti)C1C4C1C4的烷烃为气态（的烷烃为气态（gasgas）；）；C5C16C5C16的烷烃为液态的烷烃为液态(yti)(yti)（liquidliquid）；）；C17C17以上的烷烃为固态（以上的烷烃为固态（solidsolid）。）。第53页/共98页第五十四页，共98页。1 1、随着碳原子数的递增、随着碳原子数的递增(dzng)(dzng)，沸点，沸点依次升高。依次升高。1沸点(fidin)（boiling point）2 2、碳原子数相同、碳原子数相同(xin tn)(xin tn)时，支链越多，沸点越低。时，支链越多，沸点越低。第54页/共98页第五十五页，共98页。沸点大小(dxio)取决于分子间的作用力（1）沸点(fidin)一般很低。（非极性，只有色散力）（2）随相对分子质量增大而增大。（3）相对分子质量相同、支链多、沸点(fidin)低。烷烃沸点(fidin)的特点（支链多，分子不易接近）（运动能量增大，范德华引力增大）第55页/共98页第五十六页，共98页。正戊烷、异戊烷、新戊烷中，沸点(fidin)最高的是（）；最低的是（）。为什么？问题(wnt)：第56页/共98页第五十七页，共98页。2熔点(rngdin)（melting point）熔点高低不但取决于分子间作用力的大小而且与分子在晶格中排列的紧密程度(chngd)有关，排列紧密程度(chngd)越紧密（晶格能越高）则熔点越高。第57页/共98页第五十八页，共98页。（1）随相对分子质量增大而增大。（2）偶数(ush)碳烷烃比奇数碳烷烃的熔点升高值大。（3）相对分子质量相同的烷烃，支链增多，熔点下降。熔点(rngdin)取决于分子间的作用力和晶格堆积的密集度烷烃熔点(rngdin)的特点第58页/共98页第五十九页，共98页。问题(wnt)：正戊烷、异戊烷、新戊烷中，熔点最高的是（）；最低的是（）。为什么？对称性好的分子(fnz)晶格排列更加紧密，晶格能相对较高，则熔点较高。第59页/共98页第六十页，共98页。3相对(xingdu)密度 烷烃比水轻，其相对密度都小于1。相对密度变化的规律(gul)也是随着相对分子质量的增加逐渐增大。第60页/共98页第六十一页，共98页。4溶解度 根据“相似相溶”原则(yunz)，烷烃在水中的溶解度很小，几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂，如四氯化碳、乙醚等。第61页/共98页第六十二页，共98页。六、烷烃的化学性质(huxuxngzh)第62页/共98页第六十三页，共98页。由于烷烃分子(fnz)中的键键能大，极性小，化学性质稳定。一般在常温下烷烃与强酸(qinsun)、强碱、氧化剂、还原剂都不反应。但烷烃的化学(huxu)稳定性是相对的。第63页/共98页第六十四页，共98页。1氧化(ynghu)反应：CH42O2CO22H2O H881kJmol12CH3CH37O24CO26H2O H1538kJmol1(1)燃烧(rnsho)：第64页/共98页第六十五页，共98页。化合物的燃烧热（Hc）：一个化合物在标准状态下完全(wnqun)燃烧生成二氧化碳和水的过程所放出的热量HC烷烃在空气中完全燃烧生成(shnchn)二氧化碳和水，反应式如下：Hc=H生成物-H反应物第65页/共98页第六十六页，共98页。(2)氧化(ynghu)剂氧化(ynghu)：RCH2CH2R+O2RCOOH+RCOOH(2040个C)催化剂制备(zhbi)高级脂肪酸第66页/共98页第六十七页，共98页。2裂化(li hu)反应：(1)热裂化(li hu)：(自由基反应(fnyng)例:第67页/共98页第六十八页，共98页。(2)催化裂化(cu hu li hu)：例:C16H34催化剂C8H16C8H18+第68页/共98页第六十九页，共98页。3取代(qdi)反应：一氯甲烷能进一步发生(fshng)取代反应生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。取代(qdi)反应第69页/共98页第七十页，共98页。1.该反应只适宜(shy)工业生产而不适宜(shy)实验室制备。2.该反应可以用来制备一氯甲烷或四氯化碳，不适宜(shy)制备二氯甲烷和三氯甲烷。甲烷(jiwn)氯化反应的适用范围第70页/共98页第七十一页，共98页。烷烃分子中的氢原子(yunz)被其它原子(yunz)或基团所取代的反应，称为取代反应。被卤素取代的反应称为卤代反应，也称为卤化反应。卤代反应(fnyng)：在烷烃的卤代反应(fnyng)中,卤素的反应(fnyng)活泼性为:F2 C l 2 Br 2 I 2，但有实用价值的是氯代和溴代。第71页/共98页第七十二页，共98页。X+CH3-HCH3+H-XFClBrI439.3568.2431.8366.1298.3-128.9+7.5+73.2+141H(KJ/mol)Ea(KJ/mol)+4.2+16.7+75.3+141总反应热(KJ/moL)：F(-426.8)Cl(-104.6)Br(-30.96)I(53.97)(1)氟化反应难以控制(kngzh)。(2)碘化反应一般不用。碘自由基是不活泼的自由基。(3)氯化和溴化反应常用，氯化比溴化反应快5万倍。甲烷(jiwn)卤化反应的比较第72页/共98页第七十三页，共98页。28%72%43%57%氯代：氯代：/h第73页/共98页第七十四页，共98页。试计算不同类型(lixng)氢原子氯化反应的活泼性V:V=28/6:72/4=1:41oH2oH1oHV:V=63/9:37/1=1:5.33oH氯化V:V:V=1:4:5.31oH2oH3oH问题(wnt):第74页/共98页第七十五页，共98页。溴代：第75页/共98页第七十六页，共98页。烷烃溴化反应(fnyng)比氯化反应(fnyng)具有更高的选择性3oH2oH1oHV:V:V=1:82:1600溴化:第76页/共98页第七十七页，共98页。烷烃中氢原子发生卤代反应的反应活泼(hu po)性次序是：结论(jiln)：叔氢仲氢伯氢。烷烃分子中伯、仲、叔氢原子活泼(hu po)性的不同，可用C-H键离解能的不同来解释。第77页/共98页第七十八页，共98页。键离解能/kJmol1伯氢CH3CH2CH2H410仲氢(CH3)2CHH395叔氢(CH3)3CH380碳-叔氢键的离解能最小，说明这个(zhge)键最易断裂，所以叔氢原子的活泼性最高。第78页/共98页第七十九页，共98页。七、卤代反应(fnyng)历程第79页/共98页第八十页，共98页。反应历程是化学反应所经历的途径或过程，亦称反应机理。有机化合物的反应比较复杂，只有了解了反应机理，才能认清反应的本质，掌握反应的规律，从而达到控制和利用(lyng)反应的目的。反应机理是根据大量的实验事实作出的理论推导，是一种假说，有些是肯定的、可靠的，有些则尚欠成熟、尚未获得充分论据、尚需根据新的实验结果改进和补充，而且并不是所有反应现在都能提出明确的反应机理。反应(fnyng)历程（反应(fnyng)机理）：第80页/共98页第八十一页，共98页。自由基取代反应(fnyng)历程 例如(lr)甲烷的氯代：烷烃的卤代反应(fnyng)历程 链引发链引发：自由基第81页/共98页第八十二页，共98页。链增长：链增长：甲基自由基第82页/共98页第八十三页，共98页。链终止：链终止：第83页/共98页第八十四页，共98页。上述反应(fnyng)的开始，是在一定能源的引发下首先产生自由基，而反应(fnyng)一经引发出自由基，很快就可以连续不断地进行下去，这样的反应(fnyng)一般称为连锁反应(fnyng)或链反应(fnyng)。一般来讲，链反应(fnyng)分为链引发、链增长和链终止三个阶段。因为这是由自由基参加而进行的链反应(fnyng)，所以又叫做自由基反应(fnyng)，或称自由基链反应(fnyng)。第84页/共98页第八十五页，共98页。自由基(freeradical):一级碳自由基定义：带有孤电子的原子(yunz)或原子(yunz)团称为自由基。碳自由基：含有孤电子碳的体系称为碳自由基。三级碳自由基二级碳自由基自由基为平面(pngmin)结构碳是sp2杂化第85页/共98页第八十六页，共98页。自由基的最外层为七个电子，反应时总要寻找(xnzho)另外的电子来达到八隅体结构，所以它非常活泼。自由基的产生(chnshng)热均裂产生(chnshng)辐射均裂产生光第86页/共98页第八十七页，共98页。CH3CH2CH2CH3高温(gown)+由化学键均裂引起的反应(fnyng)均称为自由基反应(fnyng)热裂化(lihu)第87页/共98页第八十八页，共98页。自由基的稳定性H=359.8kJ/mol(88kcal/mol)苯甲基自由基 烯丙基自由基 叔丁基自由基 异丙基自由基乙基自由基 甲基自由基 苯基(bn j)自由基共价键的键解离能越小，形成(xngchng)的自由基越稳定。均裂第88页/共98页第八十九页，共98页。八、甲烷氯化反应过程中的能量(nngling)变化第89页/共98页第九十页，共98页。过渡态理论(lln)过渡态的特点:（1）能量高。（2）极不稳定，不能分离得到(d do)。（3）旧键未完全断开，新键未完全形成。任何一个化学反应都要经过(jnggu)一个过渡态才能完成。=第90页/共98页第九十一页，共98页。反应(fnyng)坐标势能(shnng)反应(fnyng)势能图反应势能曲线：图中表示势能高低的曲线。反应坐标：由反应物到生成物所经过的能量要求最低的途径。过渡态：在反应物互相接近的反应进程中，与势能最高点相对应的结构称为过渡态。活化能：由反应物转变为过渡态所需要的能量。中间体：两个过渡态之间的产物称为中间体。（中间体能分离得到。过渡态不可分离得到。）反应坐标势能第91页/共98页第九十二页，共98页。甲烷(jiwn)氯化反应的能量变化链增长:H=7.5KJ/molEa=16.7KJ/molH=-112.9KJ/molEa=8.3KJ/mol反应 1 吸热，反应 2 放热，总反应放热，所以(suy)反应只需开始时供热。1.2.第92页/共98页第九十三页，共98页。这里两个(lin)过渡态都与反应的活泼中间体(自由基)结构相近，能量相近，所以过渡态的稳定性顺序与自由基稳定性顺序一致。第93页/共98页第九十四页，共98页。过渡态理论(lln)(Hammond G S 假说)论为:在基元反应中，该步过渡态的结构(jigu)、能量与更接近的那边的类似。(即：放热的基元反应，过渡态的结构(jigu)和能量与反应物接近，而在吸热反应中，过渡态的结构(jigu)和能量与产物接近。)第94页/共98页第九十五页，共98页。为什么3oH最易被取代(qdi)，2oH次之，1oH最难被取代(qdi)？问题(wnt):为什么甲烷(ji wn)的溴代比氯代难以进行？第95页/共98页第九十六页，共98页。九、烷烃的来源(liyun)与用途第96页/共98页第九十七页，共98页。简述:(1)烷烃的来源(liyun)(2)石油主要馏分与用途第97页/共98页第九十八页，共98页。