烷烃（alkane）.ppt

第二章烷烃alkane,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conation,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、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,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CnH2n2,第一节烷烃的同系列及同分异构现象,总目录,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,甲烷乙烷丙烷,总目录,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）,分子式相同，结构不同的化合物为同分异构体同分异构体,正丁烷异丁烷,二、同分异构体,总目录,构造式,三、构造式的书写,总目录,,键线式（骨架式）端点和拐点为碳原子，氢省略,简式,总目录,伯碳（一级碳）1（primary直接与一个碳原子相连仲碳（二级碳）2secondary直接与二个碳原子相连叔碳（三级碳）3tertiary直接与三个碳原子相连季碳（四级碳）4quaternary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,总目录,例如,总目录,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,总目录,一、普通命名法,1.正normal某烷C1～C10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n-hexane,总目录,衡量汽油品种的基准物质，其辛烷值为100,特殊,总目录,含五或六个碳原子的碳链端第二个碳原子为季碳原子的烷烃称为“新某烷”,neohexane,3.新某烷,总目录,非新己烷,一价基主教材表2-3二价基,三价基,二、烷基的命名,总目录,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,三、系统命名法,总目录,例1、例2给下列有机物选择主链,总目录,虚线框着的是主链,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,总目录,A,B,,a.从靠近取代基一端开始编号；,（2）主链碳原子的位次编号,总目录,编号应从左到右，甲基位次较小,b.当有几种编号可能时，选择使取代基具有“最低系列”即使取代基的编号顺次逐项比较为最小的编号。,取代基编号（上）2，6，8（下）2，4，8（正确编号）,例4,总目录,IUPAC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（2-methylhexane）,a.按取代基位次、取代基名称、母体名称顺次书写，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半字线连接。,（3）名称的书写次序,总目录,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,总目录,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“iso”,“neo”则参与排序。,2,3,5-三甲基己烷2,3,5-trimethylhexane,总目录,2,5-二甲基-3-乙基己烷,3-ethyl-2,5-dimethylhexane,总目录,,2,8-二甲基-4-乙基壬烷,4-ethyl-2,8-dimethylnonane,总目录,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,总目录,①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“优于”,总目录,②多原子取代基则逐个原子顺次比较，排出优先次序。,丁基异丙基,两个基团的第一个原子所连接的原子或基团相同（C、H、H），则比较第二个原子,丁基第二个碳C、H、H；异丙基第二个碳C、C、H,因此异丙基＞丁基,总目录,③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C、C、H乙炔基第一个原子C、C、C,因此乙炔基＞乙烯基,总目录,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-6-异丙基壬烷,4-isopropyl-6-propylnonane,总目录,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-5-（1,2-二甲基丙基）癸烷或2-甲基-5-1′,2′-二甲基丙基癸烷,总目录,结构性质用途,学习的线索,总目录,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CH键长0.109nm∠HCH键角10928′,第三节烷烃的构型,总目录,2.分子模型凯库勒模型、斯陶特模型,3.构型configuration,凯库勒模型球棒模型,斯陶特模型比例模型,具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况构型,总目录,（1）为什么碳原子具有四价（2）4个CH键是等同的吗,思考,总目录,二、碳原子的sp3杂化,1.碳原子的sp3杂化,基态激发态杂化态,总目录,总目录,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）,总目录,,三、烷烃分子的形成,甲烷CH4CH键sp3s,,总目录,甲烷分子的形成,总目录,CH键sp3s,乙烷C2H6,CC键sp3sp3,总目录,乙烷分子的形成,总目录,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,楔形透视式,总目录,乙烷,总目录,2.锯架（sawhorseula透视式及书写,总目录,3.纽曼投影式Newmanprojection及书写,总目录,一、构象conation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,总目录,二、乙烷的构象,1.两种极限构象的表达,重叠式（顺叠式）eclipsedconation,交叉式（反叠式）staggeredconation,思考写出重叠式和交叉式构象的楔形式、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,总目录,模型,楔形式,锯架式,纽曼式,模型,锯架式,纽曼式,楔形式,总目录,2.两种极限构象的位能变化,稳定性比较交叉式＞重叠式,总目录,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）,总目录,三、正丁烷的构象,围绕C2C3单键旋转形成各种构象,总目录,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）,总目录,,2.四种极限构象的位能变化,总目录,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,总目录,思考,写出戊烷（C2C3）的极限构象式（纽曼式、锯架式、楔形式）2.总结书写纽曼式、锯架式、楔形式的规律,总目录,一、物态规律,二、沸点boilingpoint规律,三、熔点meltingpoint规律,随相对分子质量的增加，气态液态固态,C数增加，沸点升高；B.正烷烃沸点＞支链烷烃沸点（同碳数）,C数增加，熔点升高；B.偶数烷烃熔点＞奇数烷烃熔点,第五节烷烃的物理性质,总目录,总目录,,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（bp30～60℃）石油醚60-90和石油醚90-120等。,总目录,一、化学性质稳定原因（1）CC、CHσ键的键能大，不易破裂,（2）CC键矩为0，CH偶极矩很小，电子云分布均匀，为非极性分子（3）键的断裂均裂,第六节烷烃的化学性质,总目录,二、氧化（oxidation）反应（自由基反应）,1.燃烧,用途用作燃料（重要能源之一）当体积比CH4∶O2（空气）1∶2（10）瓦斯爆炸,总目录,,2.控制氧化,RC20～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,总目录,,三、热裂（pyrolysis）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,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.,总目录,四、卤代（helogenation）反应（自由基反应）,用途1）生产氯代甲烷混合溶剂；2）控制条件，制备一氯甲烷。,1.甲烷的氯代,总目录,2.甲烷的卤代,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（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F2Cl2Br2I2,思考,总目录,3.C3以上烷烃的卤代,总目录,,从反应式中可看到,①同一化合物中，不同的氢原子被卤代的产率不同；②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,总目录,氯代反应中氢原子的反应活性,1H43/6≈764/9≈72H57/228.53H36/136氯代3H∶2H∶1H5∶4∶1溴代3H∶2H∶1H1600∶82∶1（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,总目录,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①反应步骤②反应中心③价键变化④影响因素研究思路,第七节烷烃的卤代反应历程（reactionmechanism）,总目录,一、甲烷的卤代历程,1.甲烷和氯气反应的实验事实,总目录,2.根据实验事实，提出如下机理,链引发（chaininitiation）,链传递（chainpropagation）,,总目录,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，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。,总目录,链终止（chaintermination）,总目录,（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,思考,总目录,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（reactionenthalpyΔrHm）解释,ΔrHm435.1242.5－（351.4431）-104.8kJmol－1（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。,总目录,甲烷卤代的反应热ΔrHm/（kJmol－1）,总目录,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,总目录,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,总目录,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。,总目录,自由基的稳定性顺序为321CH3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,总目录,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,总目录,2.能量变化曲线图表示反应进程的能量变化,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ΔH反应热,思考（1）从能量变化的角度描述反应进程。（2）左图表示的反应是放热还是吸热（3）过渡态有什么特点,（1）一步反应,总目录,（2）多步骤反应,总目录,,,（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,思考,总目录,二、甲烷氯代反应的能量变化,链增长,决速步骤第一步生成甲基自由基,总目录,总目录,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。,总目录,三、过渡态与中间体、反应热与活化能,总目录,总目录,一、甲烷的性质和用途（自学）二、天然气和液化天然气天然气成分甲烷（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16.11012m3非常规可采资源量27～1151012m3用途燃料、化工原料,第九节甲烷和天然气,总目录,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。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。,总目录,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。,总目录,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。,总目录,天然气水合物结构,总目录,