二章節(jié)烷烴Alkanes課件

1、第二章 烷 烴 (Alkanes) 知識要點(diǎn) 重點(diǎn)掌握烷烴的命名； 掌握同系列和同分異構(gòu)體的概念和書寫方法； 掌握烷烴的構(gòu)象和構(gòu)象的表示和書寫方法； 掌握烷烴的物理和化學(xué)性質(zhì)和制備方法；了解烷烴的其他性質(zhì)和相關(guān)概念和理論。2.1 烷烴的同系列和同分異構(gòu)現(xiàn)象概述：烴由碳和氫兩種元素形成的有機(jī)物叫烴。也叫碳?xì)浠衔铩?開鏈烴環(huán)烴烴不飽和開鏈烴飽和開鏈烴飽和環(huán)烴不飽和環(huán)烴 2.1.1 烷烴的同系列1. C1H4C2H6C3H8(CH3CH2CH3)C4H10(CH3CH2CH2CH3) C1H21+2C2H22+2C3H22+2C4H24+2 烷烴的通式CnH2n+2 同系列：具有一個通式，結(jié)構(gòu)相似

2、，性質(zhì)也相似的化合物系列 同系物：同系列中的各個化合物互稱同系物 系列差：CH22.碳原子和氫原子的類型 叔碳（3）：與一個氫原子相連的碳。 仲碳（2）：與兩個氫原子相連的碳。 伯碳（1）：與三個氫原子相連的碳。 季碳（4）：與四個碳原子相連的碳。 叔氫：與叔碳相連的氫原子。 仲氫：與仲碳相連的氫原子。 伯氫：與伯碳相連的氫原子。 烷烴同系列中，甲烷、乙烷、丙烷只有一種結(jié)合方式，沒有異構(gòu)現(xiàn)象，從丁烷起就有同分異構(gòu)現(xiàn)象。2.1.2 烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象構(gòu)造異構(gòu)體:分子式相同，分子中原子互相連接的方式和次 序不同的異構(gòu)體。 在烷烴分子中隨著碳原子數(shù)的增加，異構(gòu)體的數(shù)目增加得很快。對于低級烷烴的同分異

3、構(gòu)體的數(shù)目和構(gòu)造式，可利用碳干不同推導(dǎo)出來。 以己烷為例,其基本步驟如下；(1)寫出這個烷烴的最長直鏈?zhǔn)剑?(省略了氫） (2)寫出少一個碳原子的直鏈?zhǔn)阶鳛橹麈湴咽Ｏ碌奶籍?dāng)作支鏈。依次當(dāng)取代基連在各碳原子上，就能寫出可能的同分異構(gòu)體的構(gòu)造式。(3)寫出少二個碳原子的直鏈?zhǔn)阶鳛橹麈湣０褍蓚€碳原子當(dāng)作支鏈（2個甲基），接在各碳原子上，或把兩個碳原子當(dāng)作（乙基），接在各碳上。(4)把重復(fù)者去掉。這樣己烷的同分異構(gòu)體只有5個。書寫構(gòu)造式時，常用簡化的式子為： CH3CH2CH2CH2CH3或CH3（CH2)4CH3。如戊烷的三個同分異構(gòu)體為：2.2烷烴的命名2.2.1普通命名法（習(xí)慣命名法） 以烷作為

4、母體，十個碳原子以下用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚辛、壬、癸表示，十個碳原子以上用數(shù)字表示。正表示直鏈：異表示有下列結(jié)構(gòu)的支鏈：新表示分子中有季碳原子：烷基：烷烴分子從形式上消除，一個氫原子而剩下的原子團(tuán) 稱為烷基。例如： CH4 CH3 甲基 CH3CH3 CH2CH3 乙基 2.2.2系統(tǒng)命名法（IUPAC） IUPAC：International union of pure and applied chemistry CCS：Chinese chemical society“三步曲”：選主鏈最長（最多） 編號最近，若有歧義，則按“順序規(guī)則” 中較小基團(tuán)一端編號。 命名“取代基位次”+“取代

5、基名稱”+“母 體名稱”順序規(guī)則：（1）“原子序數(shù)”原則：原子序數(shù)大（次序大）的基團(tuán)為 優(yōu)基團(tuán) （2）“同位素”原則：同位素中質(zhì)量高的為較優(yōu)團(tuán)例如： IBrClSCDH（3）若取代基為多原子基團(tuán)，則比較與碳原子相連的原子 次序大小，先比較原子序數(shù)大的，若相同，再向下依次 比較。例如： （4）含有雙鍵或叁鍵的基團(tuán)?？梢哉J(rèn)為連有兩個或三個相同的原子。 (5)若主鏈上有幾種取代基時，較優(yōu)基團(tuán)后列出。甲基 乙基 丙基 丁基 戊基 異戊基 異丁基 新戊基異丙基 仲丁基 叔丁基 列在后面的是較優(yōu)基團(tuán)補(bǔ)充：（1）如果有幾個相同支鏈，則在支鏈前加上二、三、四等字樣，表示支鏈的個數(shù)，位號之間用逗號隔開。 2，3

6、，4-三甲基己烷 （2）如果有幾個不相同的支鏈，按“順序規(guī)則”小前大后。3-甲基-8-乙基-5-丙基癸烷 (3) 如果兩個不同取代基所取代的位置按兩種方法編號，位號相同，則從（按次序規(guī)則）次序較小基團(tuán)開始編號。例：4-丙基-8-異丙基十一烷例如：用系統(tǒng)命名法命名2，2-二甲基戊烷3-甲基-4-乙基己烷2，5，6-三甲基辛烷2，7，9-三甲基-6-異丁基十一烷2-甲基-5，5-二（1，1-二甲基丙基）癸烷 取代基太復(fù)雜，用小括號括起來，寫在位次之后。2，2，5-三甲基-4-丙基庚烷再如：概述：a. 構(gòu)象：指分子中原子或原子團(tuán)由于圍繞單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子中原子在空間的不同排列。b. 構(gòu)象異構(gòu)體：

7、分子組成相同，構(gòu)造式相同，因構(gòu)象不同而產(chǎn)生的異構(gòu)體。c. 構(gòu)象異構(gòu)體表示方法：透視式（傘形式，鋸架式），紐曼投影式以乙烷的重疊式構(gòu)象說明：2.3烷烴的構(gòu)象透視式：傘形式鋸架式紐曼投影式：表示前碳 表示后碳d. 注意： 構(gòu)象異構(gòu)體的互相轉(zhuǎn)換不需發(fā)生共價鍵的斷裂。 分子的構(gòu)象異構(gòu)體有無數(shù)個，無法畫出，采用抓兩頭，選中間（選內(nèi)能最高及最低構(gòu)象），中間選幾個典型。 2.3.1 乙烷構(gòu)象乙烷的構(gòu)象：乙烷有兩種典型的構(gòu)象兩種極限構(gòu)象式重疊式和交叉式重疊式 交叉式 其中重疊型分子中，由于C上H與H之間的距離比較近，斥力大，因此能量高，分子不穩(wěn)定。 交叉型分子中，由于C上H與H之間的距離比較遠(yuǎn)，斥力小，能量較

8、低，分子比較穩(wěn)定，為乙烷的優(yōu)勢構(gòu)象。 二者的能量相差約為12.5KJmol-1，低溫下以交叉式存在為主，溫度升高重疊式含量增加。在室溫下分子之間的碰撞能量約為84 KJmol-1，足以使分子自由旋轉(zhuǎn)，因此不可把各種構(gòu)象嚴(yán)格區(qū)分開來。 扭轉(zhuǎn)能：構(gòu)象之間轉(zhuǎn)化所需的能量。 60度60度1212扭轉(zhuǎn)角：ABCD1212.=0.=60.=120.=180.=240.=300.=360從乙烷構(gòu)象可看出：. 扭轉(zhuǎn)角由0逐漸變到360 可得到無數(shù)個構(gòu)象， 它們之間差別在于原子在空間的排列不同。. 扭轉(zhuǎn)角= 0120 240 360為重疊式 =60180 300 為交叉式 重疊式、交叉式構(gòu)象為乙烷的兩個典型構(gòu)象

9、，其它 構(gòu)象處于這兩個構(gòu)象之間。. 重疊式中兩個碳原子上的CH鍵相距最近，能量較 高,不穩(wěn)定。交叉式中兩個碳原子上的CH鍵相距最 遠(yuǎn),能量較低，穩(wěn)定。. 能量曲線圖. 乙烷有無數(shù)個構(gòu)象，乙烷最穩(wěn)定的構(gòu)象是交叉式。12kj/mol2.3.2 丁烷構(gòu)象.=0.=60.=120.=180.=240.=300.=360從丁烷構(gòu)象可看出：. 扭轉(zhuǎn)角由0逐漸變到360 可得到無數(shù)個構(gòu)象，其中 有四 種典型構(gòu)象。= 60300 為順交叉式。 C2上CH3與C3上CH3離的相對 較近，斥力相對較大，穩(wěn)定性不如。= 120 240 為部分重疊式。C2上CH3與C3上CH3離的較 近，斥力也較大，較不穩(wěn)定。. 扭

10、轉(zhuǎn)角= 180 為反交叉式。C2上CH3與C3上CH3離的最 遠(yuǎn)，斥力最小，能量最低，最穩(wěn)定。= 0為全重疊式。 C2上CH3與C3上CH3離的最近，斥力最大，能量最高，最不穩(wěn)定。. 能量曲線圖15.9kj/mol3.7kj/mol. 丁烷有無數(shù)個構(gòu)象，最穩(wěn)定的構(gòu)象是反交叉式。3.2.3 高級烷烴的構(gòu)象鋸齒狀排列，其中C-H都處于交叉式，碳鏈看起來向鋸齒。最穩(wěn)定的構(gòu)象是：整個碳鏈?zhǔn)卿忼X狀的。2.4烷烴的物理性質(zhì)2.4.1物理性質(zhì) 存在狀態(tài)：室溫下，14個C的烷烴為氣體，516個C的 烷烴為液體，大于16個C的烷烴為固體。 熔沸點(diǎn)：隨分子量的增大而升高 原因： 分子大，接觸面積大，范德華力大；

11、分子大，分子運(yùn)動所需能量大。（增加一個C，bp升 高2030） 同分異構(gòu)體中，支鏈多的沸點(diǎn)低 原因：支鏈多，接觸面積小，分子間作 用力小。但是支鏈的影響遠(yuǎn)小于 碳數(shù)增加的影響。比重隨分子量的增加而升高。 非極性或弱極性，不溶于水及強(qiáng)極性溶劑中，可溶于氯仿、乙醚、四氯化碳等溶劑中。（相似相溶） 2.4.2 化學(xué)性質(zhì) 烷烴非常穩(wěn)定，一般不易反應(yīng)，但是在高溫、光照、及催化劑存在下也可反應(yīng)。1.氧化 在空氣中燃燒： 在催化劑下可以使烷烴部分氧化，生成醇、醛、酸等2. 熱解反應(yīng)熱解反應(yīng)：化合物在熱作用下的分解。注意：會用生成熱（Hf）計(jì)算反應(yīng)的焓變。鍵裂解能 （DH）計(jì)算反應(yīng)的焓變。煤油：C11-C16

12、烷烴柴油：C15-C18烷烴汽油：C5-C12烷烴C5-C12烷烴汽油注意：得到混合物，控制條件，可使某一種產(chǎn)物占主要。合成上無價值，重要性在于機(jī)理的研究。1). 氯化反應(yīng)的機(jī)理反應(yīng)機(jī)理：反應(yīng)經(jīng)歷的過程。是綜合實(shí)驗(yàn)事實(shí)作出的理 論假設(shè)。公認(rèn)的機(jī)理，能夠解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)。鏈引發(fā)3.鹵化反應(yīng) 鹵化反應(yīng)：烷烴分子中的氫原子被鹵素取代的反應(yīng)。 烷烴和鹵素（Cl2、Br2）在暗處不發(fā)生反應(yīng)，但在光照時 反應(yīng)猛烈甚至引起爆炸。例：鏈增長鏈終止. 具有鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止的反應(yīng)在化學(xué)上叫自由 基反應(yīng)（自由基鏈反應(yīng)，連鎖反應(yīng)）。. 決定反應(yīng)速度的步驟是鏈增長反應(yīng)中奪氫過程. 不同鹵素的反應(yīng)活性氟氯溴碘. 各種氫

13、的相對反應(yīng)活性結(jié)論：叔氫仲氫伯氫6個伯氫所得2個仲氫所得仲氫 / 伯氫=仲氫的反應(yīng)活性是伯氫的4倍。36%64%叔氫 / 伯氫=叔氫的反應(yīng)活性是伯氫的5倍。解釋：三種氫的鍵裂解能為：1C-H 410.3Kj / mol2C-H 397.7Kj / mol3C-H 389.4Kj / mol鍵裂解能越小，鍵越弱，越易均裂。. 選擇性（鹵素對取代反應(yīng)的選擇性）由于有機(jī)反應(yīng)副反應(yīng)多，若反應(yīng)的選擇性大，得到幾種可能產(chǎn)物所占比例差別大。若反應(yīng)的選擇性小，得到幾種可能產(chǎn)物所占比例差別小。43%57%3%97%在氯化反應(yīng)中： 仲氫 / 伯氫在溴化反應(yīng)中： 仲氫 / 伯氫在溴化反應(yīng)中，仲氫比伯氫活性大的多。因

14、此溴化具有很高的選擇性，在合成上有應(yīng)用價值。2). 烷基自由基的穩(wěn)定性 在自由基鏈反應(yīng)中，決定速度步驟中的中間體是烷基自由基，自由基越穩(wěn)定，反應(yīng)越易進(jìn)行。99.5%例：結(jié)論：解釋：. 鍵裂解能439.6KJ / mol鍵裂解能越小，鍵越弱，越易均裂，自由基越易形成，即自由基穩(wěn)定。410.3KJ / mol397.7KJ/ mol389.4KJ / mol. 超共軛效應(yīng)定義：烷基上的碳原子與體積極小的氫原子結(jié)合， 對電子云屏蔽作用很小,所以C-H上的電子 比較容易與鄰近的電子（或P軌道）共軛， 使電子重新分配，基團(tuán)穩(wěn)定。這種鍵與 鍵（或P軌道）的共軛稱為超共軛效應(yīng)， 鍵與鍵的共軛叫- 超共軛效應(yīng)

15、， 鍵與 P軌道的共軛叫- p 超共軛效應(yīng)。 .sp2.sp2sp3有3個C-H 電子同P軌道交蓋有9個C-H 鍵電子同P軌道交蓋接近sp2.接近sp2有6個C-H 鍵電子同P軌道交蓋3). 甲烷氯化反應(yīng)的能線圖在甲烷氯化反應(yīng)中，決定反應(yīng)速度的步驟是鏈增長反應(yīng)中的第一步：奪氫過程過渡態(tài)HEact反應(yīng)坐標(biāo) E kJ/ mol吸熱反應(yīng)鏈增長反應(yīng)中的第一步鏈增長反應(yīng)中的第二步放熱反應(yīng)（放出大量的熱）HE1act反應(yīng)坐標(biāo) E kJ / mol 過渡態(tài)：在能線圖的峰頂，無法證實(shí)。 中間體：在能線圖的峰谷，實(shí)驗(yàn)方法可證實(shí)。 活化能：過渡態(tài)與初始態(tài)之間的能量差。 反應(yīng)熱：生成物與反應(yīng)物之間的能量差。正值為吸熱，負(fù) 值為放熱。 4. 硝化反應(yīng)5. 磺化反應(yīng)2.4.3 烷烴的制備一.偶聯(lián)反應(yīng)1.Wurtz（武慈）合成法：2.鹵代烷與二烷基銅鋰的偶聯(lián)科瑞（E.J.Corey）- 郝思（H.House）反應(yīng)3.格氏（V.Grignar