有机化学第五李景宁主编烷烃.pptx

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1、第一节烷烃的同系列及同分异构现象一、烷烃的同系列二、同分异构体三、结构式的书写四、碳原子和氢原子的种类第二节烷烃的命名一、普通命名法二、烷基的命名三、系统命名法第三节烷烃的构型一、碳原子的四面体概念及分子模型二、碳原子的sp3杂化三、烷烃分子的形成四、分子立体结构的表示方法第四节烷烃的构象一、构象(conformation)二、乙烷的构象三、正丁烷的构象第五节烷烃的物理性质第六节烷烃的化学性质一、化学性质稳定二、氧化反应三、热裂反应四、卤代反应第七节烷烃的卤代反应历程一、甲烷的卤代历程二、卤素对甲烷的相对反应活性三、氢原子反应活性与自由基的稳定性第八节过渡态理论一、反应进程的过渡态与能量变化二

2、、甲烷氯代反应的能量变化三、过渡态与中间体、反应热与活化能第九节甲烷和天然气总目录第1页/共93页一、烷烃的同系列烷烃分子中碳原子间以单键相连，其余都与氢原子相连。与碳原子结合的氢原子数目已达到最高限度，不可能再增加了，所以称为饱和烃（saturatedhydrocarbon）。烷烃的通式：CnH2n+2第一节 烷烃的同系列及同分异构现象第2页/共93页通式相同，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列（homologousseries）：同系列中化合物互为同系物（homolog）系列差CH2甲烷甲烷乙烷乙烷丙烷丙烷第3页/共93页分子式相同，碳干构造不同

3、分子式相同，碳干构造不同碳干异碳干异构构(constitutionalisomerism)同分异构体的书写方法（有同分异构体的书写方法（有3点，自学）点，自学）分子式相同，结构不同的化合物为同分异构体同分异构体正丁烷正丁烷 异丁烷异丁烷二、同分异构体第4页/共93页构造式：三、构造式的书写第5页/共93页键线式（骨架式）：键线式（骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略端点和拐点为碳原子，氢省略 简式：第6页/共93页伯碳（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

4、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（1H、2H、3H）四、碳原子和氢原子的种类第7页/共93页例如：例如：第8页/共93页 一、普通命名法 二、烷基的命名 三、系统命名法第二节 烷烃的命名第9页/共93页一、普通命名法一、普通命名法 1.正(normal)某烷C1C10甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸C10汉文数字2.异(iso)某烷碳链一末端带有两个甲基。正己烷正己烷n-hexane第10页/共93页衡量汽油品种的基准物质，其辛烷值为衡量汽油品种的基准物质，其辛烷值为100特殊：第11页/共93页含五或六个碳原子的碳链端第

5、二个碳原子为季碳原子的烷烃称为“新某烷”(neohexane)3.新某烷非新己烷非新己烷第12页/共93页一价基：见教材P21表2-3.二价基：三价基：三价基：二、烷基的命名第13页/共93页1.直链烷烃：某烷2.支链烷烃支链烷烃（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为主链三、系统命名法第14页/共93页例例1、例、例2：给下列有机物选择主链：给下列有机物选择主链虚线框着的是主链虚线框着的是主链第15页/共93页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。故选A链为主链例3：AB第16页/共93页a.从靠近取代基一端开始编号

6、；（2）主链碳原子的位次编号编号应从左到右，甲基位次较小编号应从左到右，甲基位次较小第17页/共93页b.当有几种编号可能时，选择使取代基具当有几种编号可能时，选择使取代基具有有“最低系列最低系列”即使取代基的编号顺次逐即使取代基的编号顺次逐项比较为最小的编号。项比较为最小的编号。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）例4：第18页/共93页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。2-甲基己烷（甲基己烷（2-methylhexane）a.按取代基位次、取代基名称、母体名称顺序书按取代基位

7、次、取代基名称、母体名称顺序书写，取代基位次和取代基名称之间要用半字线写，取代基位次和取代基名称之间要用半字线“”连接起来，取代基名称和母体名称间则不用连接起来，取代基名称和母体名称间则不用半字线连接。半字线连接。（3）名称的书写规则第19页/共93页b.如果含有几个相同的取代基时，取代基名称前用二、三、四等表示其数目，其位次则必须逐个注明，位次的阿拉伯数字之间以“，”隔开。2,3,5-三甲基己烷三甲基己烷第20页/共93页在IUPAC命名法中，英文名称中的一、二、三和四等数字用相应的词头“mono”、“di”、“tri”和“tetra”等表示，简单的取代基英文数字词头不参加字母顺序排列，但“

8、iso”,“neo”则参与排序。2,3,5-三甲基己烷三甲基己烷2,3,5-trimethylhexane第21页/共93页2,5-二甲基-3-乙基己烷3-ethyl-2,5-dimethylhexane第22页/共93页2,8-二甲基二甲基-4-乙基壬烷乙基壬烷4-ethyl-2,8-dimethylnonane第23页/共93页c.如果含有几个不同的取代基时，按照“次序规则（sequencerule）”（中国化学会有机化学命名原则规定），“较优”基团写在后面，而简单基团写在前面。次序规则是为了表达某些有机化合物的立体化学关系，需决定有关原子或基团的排列次序。它的主要内容如下：第24页/共9

9、3页单原子取代基按其原子序数大小排列，大者为“较优”基团。若为同位素，则质量大的为“较优”基团。例如:“”表示表示“优于优于”第25页/共93页多原子取代基则逐个原子顺次比较，排出优先次序。丁基丁基 异丙基异丙基两个基团的第一个原子所连接的原子或基团两个基团的第一个原子所连接的原子或基团相同（相同（C、H、H），则比较第二个原子：），则比较第二个原子：丁基第二个碳：丁基第二个碳：C、H、H；异丙基第二个碳：异丙基第二个碳：C、C、H因此：异丙基丁基因此：异丙基丁基第26页/共93页含有双键或三键基团，可以认为连有两个或三个相同原子。乙烯基第一个原子：乙烯基第一个原子：C、C、H乙炔基第一个原子

10、：乙炔基第一个原子：C、C、C因此：乙炔基乙烯基因此：乙炔基乙烯基第27页/共93页d.如果两个不同取代基的位次都符合“最低系列”时，按次序规则顺序，“较优”基团后列出。4-丙基丙基-6-异丙基壬烷异丙基壬烷4-isopropyl-6-propylnonane第28页/共93页如果支链上还有取代基时，这个取代了的支链的名称可放在括号中或用带撇的数字来标明支链中的碳原子。2-甲基甲基-5-（1,2-二甲基丙基）癸烷二甲基丙基）癸烷或或2-甲基甲基-5-1,2-二甲基丙基癸烷二甲基丙基癸烷第29页/共93页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

11、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结构性质用途学习的线索：第30页/共93页一、碳原子的四面体概念及分子模型1.四面体概念（1874年范特霍夫（荷兰）和勒贝尔提出：碳的四面体结构）以甲烷为例CH键长：0.109nmHCH键角：10928第三节 烷烃的构型第31页/共93页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(configuration)凯库勒模型凯库勒模型球棒模型球棒模型斯陶特模型斯陶特模型比例模型比例模型具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况构型第32页

12、/共93页（1）为什么碳原子具有四价？（2）4个CH键是等同的吗？思考第33页/共93页二、碳原子的sp3杂化1.碳原子的sp3杂化 基态基态 激发态激发态 杂化态杂化态第34页/共93页第35页/共93页2.sp3杂化轨道特点杂化轨道特点方向性更强方向性更强4个个sp3轨道等同轨道等同最稳定的排列方式：正四面体（最稳定的排列方式：正四面体（4个价键个价键尽可能远离）尽可能远离）第36页/共93页三、烷烃分子的形成三、烷烃分子的形成甲烷：CH4CH键：sp3s第37页/共93页甲烷分子的形成第38页/共93页lCH键键sp3s乙烷：C2H6CC键sp3sp3第39页/共93页乙烷分子的形成第4

13、0页/共93页四、分子立体结构的表示方法四、分子立体结构的表示方法1.楔形（伞形）透视式及书写甲烷：甲烷凯库勒模型甲烷凯库勒模型楔形透视式楔形透视式第41页/共93页乙烷：第42页/共93页2.锯架（锯架（sawhorseformula)透视式及透视式及书写书写第43页/共93页3.纽曼投影式纽曼投影式(Newmanprojection)及书写及书写第44页/共93页一、构象(conformation)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。第四节 烷烃的构象第45页/共93页二、乙烷的构象二、乙烷的构象1.两种极限构象的表达重叠式（顺叠式）重叠式（顺叠式）eclipse

14、dconformation交叉式（反叠式）交叉式（反叠式）staggeredconformation思考：写出重叠式和交叉式构象的楔形式、锯架式思考：写出重叠式和交叉式构象的楔形式、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第46页/共93页模型模型楔形式楔形式锯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形式楔形式第47页/共93页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：交叉式重叠式第48页/共93页思考如何分析交叉式构象和重叠式构象的如何分析交叉式

15、构象和重叠式构象的稳定性？（原子的空间分布、位能）稳定性？（原子的空间分布、位能）第49页/共93页三、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第50页/共93页1.四种极限构象式的表四种极限构象式的表达达对位交叉式（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）第51页/共93页2.四种极限构象的位能变化第52页/共93页稳定性比较：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、构象和极限构象的概念第53页/共93页思考1.写出戊烷（写出戊烷

16、（C2C3）的极限构象式（纽曼的极限构象式（纽曼式、锯架式、楔形式）式、锯架式、楔形式）2.总结书写纽曼式、锯架式、楔形式的规律总结书写纽曼式、锯架式、楔形式的规律第54页/共93页一、物态l规律：二、沸点二、沸点boilingpointl规律：规律：三、熔点三、熔点meltingpointl规律：规律：随相对分子质量的增加，气态随相对分子质量的增加，气态液态液态固态固态A.C数增加，沸点升高；数增加，沸点升高；B.正烷烃沸点支链烷烃正烷烃沸点支链烷烃沸点沸点（同碳数）（同碳数）A.C数增加，熔点升高；数增加，熔点升高；B.偶数烷烃熔点奇数烷烃偶数烷烃熔点奇数烷烃熔点熔点第五节 烷烃的物理性质

17、第55页/共93页第56页/共93页四、相对密度规律: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，它是含碳数较低的几种烷烃的混合物，是实验室常用的溶剂。通常以沸程分为石油醚30-60（bp3060）石油醚60-90和石油醚90-120等。第57页/共93页一、化学性质稳定原因：（1）CC、CH 键的键能大，不易破裂化学键化学键CCCH键能键能/(kJmol-1)345.6415.3（2）CC键矩为键矩为0，CH偶极矩很小，偶极矩很小，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

18、裂：均裂）键的断裂：均裂第六节 烷烃的化学性质第58页/共93页二、氧化（二、氧化（oxidation）反应反应（自由基反自由基反应）应）1.燃烧用途：用作燃料（重要能源之一）用途：用作燃料（重要能源之一）当体积比当体积比CH4 O2（空气）空气）=1 2（10）瓦斯爆炸）瓦斯爆炸第59页/共93页2.控制氧化控制氧化R：C20C30代替动植物油脂制造肥皂代替动植物油脂制造肥皂生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等第60页/共93页三、热裂三、热裂（pyrolysis）反应）反应（自由（自由基反应）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

19、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.第61页/共93页四、卤代（四、卤代（helogenation）反应（自）反应（自由基反应）由基反应）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。1.甲烷的氯代第62页/共93页2.甲烷的卤代甲烷的卤代卤素的活性：卤素的活性：F2Cl2Br2I2（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

20、系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，）反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，如何分离？如何分离？（3）为什么卤素的活性：）为什么卤素的活性：F2Cl2Br2I2？思考第63页/共93页3.C3以上烷烃的卤代以上烷烃的卤代第64页/共93页从反应式中可看到：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：每个氢原子的反应概率=产率/氢原子个数第65页/共93页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：43/6764/972H：57/2=28.53H：36/1=36氯代：3H

21、2H1H=541溴代：3H2H1H=1600821（2）根据反应活性，推测异构体产率(自学)思考：为什么氢原子的卤代反应活性顺序为321？第66页/共93页反应历程（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：第七节烷烃的卤代反应历程（reactionmechanism）第67页/共93页一、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：第68页/共93页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（chaininitiation）：链传递（链传递（chainpropagation）：）：第69页/共93页

22、 理论上可把所有甲烷分子中的氢原子全夺理论上可把所有甲烷分子中的氢原子全夺去。事实上，连锁反应不可能永久传递下去，去。事实上，连锁反应不可能永久传递下去，直到自由基互相结合或与惰性物种结合而失去直到自由基互相结合或与惰性物种结合而失去活性时，这个连续的反应就终止了。活性时，这个连续的反应就终止了。第70页/共93页链终止（链终止（chaintermination）：）：第71页/共93页（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事实事实。（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？思考第72页/共93页二、卤素对

23、甲烷的相对反应活性二、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（reactionenthalpyrHm）解释rHm=(435.1+242.5)（351.4+431）=-104.8(kJmol1)（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。第73页/共93页甲烷卤代的反应热甲烷卤代的反应热rHm/（kJmol1）反应反应FClBrI反应（反应（1）-129.7+4.1+66.9+136.4反应（反应（2）-292.9-108.9-104.6-83.7总反应总反应-422.6-

24、104.8-37.3+52.7第74页/共93页2.活化能（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。活化能活化能EFEClEBrEI I(kJmol1)4.216.775.2137.9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：F2Cl2Br2I I2第75页/共93页三、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顺序为：3212、自由基及其稳定性自由基结构：甲烷甲烷CH4甲基自由基甲基自由基CH3Csp3杂化杂化Csp2杂化杂化第76页/共93页解离

25、能：解离能：同一类型的键（如CH）发生均裂时，键的解离能愈小，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类自由基类型型11123CH解离能解离能kJmol1 435.1410410397.5380.7第77页/共93页自由基的稳定性顺序为：自由基的稳定性顺序为：321CH3氢原子的反应活性为：氢原子的反应活性为：321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78页/共93页一、反应进程的过渡态与能量变化1.反应进程与过渡态（transitionstate）第八节 过渡态理论第79页/共93页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

26、示反应进程的能量变化a：反应物位能（峰谷）反应物位能（峰谷）b：过渡态位能（峰顶）过渡态位能（峰顶）c：产物位能产物位能（峰谷）（峰谷）E：活化能活化能E：逆反应的活化能逆反应的活化能H：反应热反应热思考：思考：（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）左图表示的反应是放）左图表示的反应是放热还是吸热？热还是吸热？（3）过渡态有什么特点？）过渡态有什么特点？（1）一步反应第80页/共93页（2）多步骤反应）多步骤反应第81页/共93页（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

27、行？思考第82页/共93页二、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E/(kJmol1)H/(kJmol1)16.74.14.2-109决速步骤：第一步决速步骤：第一步生成甲基自由基生成甲基自由基第83页/共93页第84页/共93页链终止：链终止：思考：思考：请绘出链引发请绘出链引发（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。第85页/共93页三、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

28、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、高于产物物第86页/共93页活化能活化能反应热反应热过渡态与反应物内能差过渡态与反应物内能差反应物与生成物的内能差反应物与生成物的内能差反应发生所需的最低能量反应发生所需的最低能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，也可实验通过键能计算，也可实验测定测定H0吸热；吸热；H0放热放热决定反应速率决定反应速率不能决定反应速率不能决定反应速率第87页/共93页一、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

29、：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16.11012m3非常规可采资源量(27115)1012m3用途：燃料、化工原料第九节 甲烷和天然气第88页/共93页2.液化天然气（液化天然气（liquefiednaturalgas，缩写：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。体积为同量气态天然气的1/600，质量为同体积水的45%，便于储存和运输。第89页/共93页压缩天然气(compressednaturalGas,简称CNG)是天然气加压(超过24.8MPa)并以气态储存在容器中。它与管

30、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)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。第90页/共93页三、天然气水合物三、天然气水合物水分子与甲烷和低相对分子质量的轻烃如乙、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的天然气的水合物可释放出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物，是未来重要而清洁的潜在能源。第91页/共93页天然气水合物结构：天然气水合物结构：第92页/共93页感谢您的观看！第93页/共93页