第二章 烷烴-教案

第二章烷烴學(xué)習(xí)目的和規(guī)定：1．掌握烷烴的同系列、同分異構(gòu)和構(gòu)造異構(gòu)。2．掌握烷烴的命名法、常見基團(tuán)的名稱。3．掌握烷烴的構(gòu)造，包括碳正四面體的概念、sp3雜化和σ鍵。4．掌握烷烴的構(gòu)象及構(gòu)象的表達(dá)措施。5．掌握烷烴的物理性質(zhì)。

6．掌握烷烴的化學(xué)性質(zhì)（穩(wěn)定性、裂解、氧化及取代反應(yīng)、多種氫的相對活潑性）。

7．掌握烷烴光鹵代反應(yīng)歷程。

8．掌握甲烷氯代反應(yīng)過程中的能量變化，包括過渡態(tài)理論、反應(yīng)熱、活化能。9．掌握一般烷烴的鹵代反應(yīng)歷程。

10.理解烷烴的來源。二．本章節(jié)重點、難點烷烴的同系列、同分異構(gòu)和構(gòu)造異構(gòu)、烷烴的命名法、烷烴的構(gòu)造、烷烴的構(gòu)象及構(gòu)象的表達(dá)措施、烷烴的物理性質(zhì)、烷烴的化學(xué)性質(zhì)、烴光鹵代反應(yīng)歷程、甲浣氯代反應(yīng)過程中的能量變化。三．教學(xué)內(nèi)容分子中只有C、H兩種元素的有機(jī)化合物叫做烴，烴可以分為如下幾類：烷烴開鏈烴（脂肪烴）烯烴、二烯烴烴炔烴環(huán)狀烴（脂環(huán)烴）脂環(huán)烴芳香烴烷烴是分之中的碳除以碳碳單鍵相連外，碳的其他價鍵都為氫原子所飽和的烴叫做烷烴，也叫做飽和烴。2．1烷烴的同系列及同分異構(gòu)現(xiàn)象2.1.1烷烴的同系列最簡樸的烷烴是甲烷，依次為乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，它們的分子式、構(gòu)造式分別為：分子式構(gòu)造式構(gòu)造簡式甲烷CH4CH4乙烷C2H6CH3CH3丙烷C3H8CH3CH2CH3丁烷C4H10CH3CH2CH2CH3從上述構(gòu)造式可以看出，鏈狀烷烴的構(gòu)成都是相差一種或幾種CH2（亞甲基）而連成碳鏈，碳鏈的兩端各連一種氫原子。因此烷烴的通式為CnH2n+2。這種構(gòu)造和化學(xué)性質(zhì)相似，構(gòu)成上相差一種或多種CH2的一系列化合物稱為同系列。同系列中的化合物互稱為同系物。由于同系列中同系物的構(gòu)造和性質(zhì)相似，其物理性質(zhì)也伴隨分之中碳原子數(shù)目的增長而呈規(guī)律性變化，因此掌握了同系列中幾種經(jīng)典的有代表性的組員的化學(xué)性質(zhì)，就可推知同系列中其他組員的一般化學(xué)性質(zhì)。在應(yīng)用同系列概念時，除了注意同系物的共性外，還要注意它們的個性，要根據(jù)分子構(gòu)造上的差異來理解性質(zhì)上的異同。2.2.2烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象1．同分異構(gòu)現(xiàn)象甲、乙、丙烷只有一種構(gòu)造，無同分異構(gòu)現(xiàn)象，從丁烷開始有同分異構(gòu)現(xiàn)象，同分異構(gòu)體可以通過主鏈延長法和主鏈縮短法推導(dǎo)出來，下面通過主鏈延長法導(dǎo)出丁烷的所有同分異構(gòu)體：正丁烷（沸點-0.5℃）異丁烷（沸點-10.2）由兩種丁烷兩各異構(gòu)體通過主鏈延長法導(dǎo)出三種戊烷的同分異構(gòu)體： 上述這種分子式相似而構(gòu)造式不一樣的化合物稱為同分異構(gòu)體，這種現(xiàn)象稱為構(gòu)造異構(gòu)現(xiàn)象。構(gòu)造異構(gòu)現(xiàn)象是有機(jī)化學(xué)中普遍存在的異構(gòu)現(xiàn)象的一種，這種異構(gòu)是由于碳鏈的構(gòu)造不一樣而形成的，故又稱為碳鏈異構(gòu)，伴隨碳原子數(shù)目的增多，異構(gòu)體的數(shù)目也增多。2．3．3伯、仲、叔、季碳原子在烴分之中，按照碳原子與所邊碳原子的不一樣，可分為四類：僅與一種碳相連的碳原子叫做伯碳原子（或一級碳原子，用1°表達(dá)）與兩個碳相連的碳原子叫做仲碳原子（或二級碳原子，用2°表達(dá)）與三個碳相連的碳原子叫做叔碳原子（或三級碳原子，用3°表達(dá)）與四個碳相連的碳原子叫做季碳原子（或四級碳原子，用4°表達(dá)）例如：與伯、仲、叔碳原子相連的氫原子，分別稱為伯、仲、叔氫原子，不一樣類型的氫原子的反應(yīng)性能有一定的差異。2.2烷烴的命名烷烴常用的命名法有一般命名法和系統(tǒng)命名法2.2.1一般命名法根據(jù)分子中碳原子數(shù)的多少目稱為“某烷”，碳原子數(shù)十個以內(nèi)的依次用天干字甲、乙、丙、丁、戊……癸表達(dá)；十以上的用中文數(shù)字表達(dá)碳原子數(shù)，用正、異、新表達(dá)同分異構(gòu)體。例如：正戊烷異戊烷新戊烷“正”：指直鏈的烷烴。“異”：指鏈端第二個碳原子連有一種甲基支鏈的烷烴?！靶隆保褐告湺说诙€碳原子連有四個甲基支鏈的烷烴。一般命名法簡樸、以便，但只能合用（合用范圍）于構(gòu)造比較簡樸的烷烴。對于比較復(fù)雜的烷烴必須使用系統(tǒng)命名法。系統(tǒng)命名法波及烷基的名稱，現(xiàn)就常見的烷基簡介如下：2.2.2烷基烷基是烷烴分之中去掉一種氫原子而剩余的原子團(tuán)稱為烷基。烷基名稱一般符號CH3-甲基MeCH3CH2-乙基EtCH3CH2CH2-丙基n-PrCH3CH-異丙基i-PrCH3CH3CH2CH2CH2-正丁基n-BuCH3CHCH2-異丁基i-BuCH3CH3CH2CH-仲丁基s-BuCH3CH3CH3C叔丁基t-BuCH3烷基的通式為CnH2n+1，一般用R表達(dá)，此外尚有“亞”某基，“次”某基，如：亞甲基為CH2，次甲基為CH。2.2.3系統(tǒng)命名法（IUPAC命名法）目前有機(jī)化合物最常用的命名法是國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）制定的有機(jī)化合物的系統(tǒng)命名措施，我國現(xiàn)用系統(tǒng)合名法是根據(jù)IUPAC規(guī)定的原則，再結(jié)合我國中文的特點而制定的。烷烴系統(tǒng)命名法規(guī)則如下：（1）選擇主鏈：選擇含碳原子數(shù)目最多的碳鏈作為主鏈，支鏈作為取代基，分之中有兩條以上等長碳鏈時，則選擇支鏈多的一條為主鏈。例如：（2）碳原子的編號：1)從最靠近取代基的一端開始，將主鏈碳原子用1、2、3……編號2）從碳鏈任何一端開始，第一種支鏈的位置都相似時，則從較簡樸的一端開始編號。例如：1234567編號對的CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH37CH3CH2-CH31編號錯誤3）若第一種支鏈的位置相似，則依次比較第二、第三個支鏈的位置，以取代基的系列編號最小（最低系列原則）為原則。12345678編號對的例如：CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH-CH38CH3CH3CH31編號錯誤（3）烷烴的名稱1）將支鏈（取代基）寫在主鏈名稱的前面2）取代基按“次序規(guī)則”，位置優(yōu)先的基團(tuán)優(yōu)先放在最終寫出。烷基的大小次序：甲基<乙基<丙基<丁基<戊基<己基<異戊基<異丁基<異丙基。3）相似基團(tuán)合并寫出，位置用阿拉伯?dāng)?shù)字（例：2，3……等）標(biāo)出,取代基數(shù)目用中文數(shù)字（例：二,三……等）標(biāo)出。4）表達(dá)位置的數(shù)字間要用“，”隔開，位次和取代基名稱之間要用“—”隔開。例如：CH3CH—CHCH2—CH—CH2CH3CH3CH3CH2—CH（CH3）22,3,7,-三甲基-5-乙基辛烷2.2.4衍生物命名法（補(bǔ)充）衍生物命名法是將所有的烷烴當(dāng)作甲烷的烷基衍生物。命名時一般選擇最多的碳原子（級數(shù)最大的）作為母體甲烷的碳原子，烷基由小到大排列。例：2.3烷烴的構(gòu)造2.3.1碳原子的四面體構(gòu)型構(gòu)型是指具有一定構(gòu)造的分子中原子在空間的排列狀況，烷烴分之中碳原子為正四面體構(gòu)型。甲烷分之中，碳原子位于正四面體構(gòu)的中心，四個氫原子在四面體的四個頂點上，四個C-H鍵長都為0.109nm，所有建角∠H-C-H都是109.5o，甲烷的正四面體構(gòu)型如下圖所示。2.3.2碳原子的SP3雜化碳原子的基態(tài)電子排布是(1s2、2s2、2px1、2py1、2pz)，按未成鍵電子的數(shù)目，碳原子應(yīng)是二價的，但在烷烴分子中碳原子確是四價的，且四個價鍵是完全相似的。這是由于，在有機(jī)物分子中碳原子都是以雜化軌道參與成鍵的，在烷烴分子中碳原子是以SP3雜化軌道成鍵的，詳細(xì)過程如下：雜化后形成四個能量相等的軌道稱為SP3雜化軌道，這種雜化方式稱為SP3雜化，每一種SP3雜化軌道都具有1/4S成分和3/4P成分。四個SP3軌道對稱的分布在碳原子的四面，對稱軸之間的夾角為109.5o,這樣可使價電子盡量彼此離得最遠(yuǎn),互相間的斥力最小,有助于成鍵。SP3軌道有方向性，圖形為一頭大，一頭小，示意圖如下：2.3.3烷烴分子的形成烷烴分子形成時，碳原子的SP3軌道沿著對稱軸的方向分別與碳的SP3軌道或氫的1S軌道互相重疊成σ鍵。甲烷的形成示意圖如下所示：HHCHH象甲烷分子中C與H之間的化學(xué)鍵是σ鍵，象這種成鍵電子云沿鍵軸方向呈圓柱形對稱重疊而形成的鍵叫做σ鍵。σ鍵有如下幾種的特點：（1）電子云沿鍵軸呈圓柱形對稱分布。（2）可自由旋轉(zhuǎn)而不影響電子云重疊的程度。（3）結(jié)合的較牢固。其中C-H鍵,鍵能415.3KJ/mol；C-C鍵,鍵能345.6KJ/mol2．3.4其他烷烴的構(gòu)型1）碳原子都是以SP3雜化軌道與其他原子形成σ鍵，碳原子都為正四面體構(gòu)造。2）C-C鍵長均為0.154nm,C-H鍵長為0.109nm,,鍵角都靠近于109.5°。3）碳鏈一般是波折地排布在空間，在晶體時碳鏈排列整潔，呈鋸齒狀，在氣、液態(tài)時呈多種波折排列形式（因σ鍵能自由旋轉(zhuǎn)所致）。例如正已烷的碳鏈在空間的分布為：2、4烷烴的構(gòu)象構(gòu)象：分子通過單鍵的旋轉(zhuǎn)而引起的分之中各原子在空間的不一樣排列方式稱為構(gòu)象。2.4.1乙烷的構(gòu)象理論上講，乙烷分之中碳碳單鍵的自由旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生無數(shù)種構(gòu)象，但極限構(gòu)象只有兩種，即交叉式和重疊式。構(gòu)象一般用透視式或紐曼(Newman)投影式表達(dá)如下：透視式紐曼(Newman)投影式交叉式重疊式交叉式構(gòu)象為乙烷的優(yōu)勢構(gòu)象交叉式構(gòu)象中原子間的斥力小，能量最低。重疊式比交叉式的能壘（扭轉(zhuǎn)能）高12.5KJ/mol。單鍵旋轉(zhuǎn)的能壘一般為12~42KL/mol，在室溫時，乙烷分之中的C-C鍵能迅速的旋轉(zhuǎn)，因此不能分離出乙烷的某一構(gòu)象。在低溫時，交叉式增長。(如乙烷在-170℃時，基本上是交叉式)。如下所示能量交叉式旋轉(zhuǎn)角度重疊式2.4.2正丁烷的構(gòu)象以正丁烷的C2—C3鍵的旋轉(zhuǎn)來討論丁烷的構(gòu)象，固定C2，把C3旋轉(zhuǎn)一圈來看丁烷的構(gòu)象狀況。在轉(zhuǎn)動時，每次轉(zhuǎn)60°，直到360°復(fù)原可得到四種經(jīng)典構(gòu)象。四種經(jīng)典構(gòu)象與能量的關(guān)系見如下圖所示：能量旋轉(zhuǎn)角度對位交叉式鄰位交叉式全重疊式部分重疊式其穩(wěn)定性次序為：對位交叉式>鄰位交叉式>部分重疊式>全重疊式相對能壘:03.3KJ/mol14.6KJ/mol18.4~25.5KJ/mol室溫時,對位交叉式約占70%，鄰位交叉式占30%，其他兩種很少。2.5烷烴的物理性質(zhì)2.5.1狀態(tài)C1~C4的烷烴為氣態(tài)，C5~C16的烷烴為液態(tài)，C17以上的烷烴為固態(tài)。2.5.2沸點1）著碳原子數(shù)的遞增，沸點依次升高。2）原子數(shù)相似時，支鏈越多，沸點越低。沸點的高下與分子間引力--范德華引力（包括靜電引力、誘導(dǎo)力和色散力）有關(guān)。烴的碳原子數(shù)目越多，分子間的力就越大。支鏈增多時，使分子間的距離增大，分子間的力減弱，因而沸點減少。直鏈烷烴的沸點變化規(guī)律如下：沸點碳原子數(shù)2.5.3熔點1）碳原子數(shù)目增長，熔點升高。2）分子的對稱性越大，熔點越高。直鏈烷烴的熔點變化規(guī)律如下：熔點偶數(shù)碳原子奇數(shù)碳原子碳原子數(shù)2.5.4相對密度（比重）都不不小于1，伴隨分子量的增長而增長，最終靠近于0.8（20℃）。2.5.6溶解度不溶與水，溶于某些有機(jī)溶劑，尤其是烴類中。2、6烷烴的化學(xué)性質(zhì)烷烴的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定（尤其是正烷烴）。在一般條件下（常溫、常壓），與大多數(shù)試劑如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、強(qiáng)還原劑及金屬鈉等都不起反應(yīng)，或反應(yīng)速度極慢。這是由于在烷烴分子中，共價鍵都為σ鍵，鍵能大，分子中的共價鍵不易極化。但在一定條件下（如高溫、高壓、光照、催化劑），烷烴也能起某些化學(xué)反應(yīng)。2.6.1氧化燃燒：烷烴在空氣中燃燒，生成二氧化碳和水，并放出大量的熱能。如：2.6.2異構(gòu)化反應(yīng)例如正丁烷在三溴化鋁和溴化氫作用下，在27攝氏度時，可以發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)生成異丁烷。2.6.2裂化反應(yīng)在高溫及沒有氧氣的條件下使烷烴分子中的C-C鍵和C-H鍵發(fā)生斷裂的反應(yīng)稱為裂化反應(yīng)。例如：2.6.3鹵代反應(yīng)烷烴的氫原子被鹵素取代生成鹵代烴的反應(yīng)稱為鹵代反應(yīng)。一般是指氯代或溴代。1）甲烷的氯代反應(yīng)在紫外光漫射或高溫下，甲烷易與氯、溴發(fā)生反應(yīng)。甲烷的鹵代反應(yīng)較難停留在一取代階段，氯甲烷還會繼續(xù)發(fā)生氯化反應(yīng)，生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。若控制一定的反應(yīng)條件和原料的用量比，可得其中一種氯代烷為重要的產(chǎn)物。例如甲烷：氯氣=10：1（400~450℃時），CH3Cl占98%甲烷：氯氣=1：4（400℃時），重要為CCl42）其他烷烴的氯代反應(yīng)反應(yīng)條件與甲烷的氯代相似，但產(chǎn)物更為復(fù)雜，因氯可取代不一樣碳原子上的氫，得到多種一氯代或多氯代產(chǎn)物。例如：2）伯、仲、叔氫的相對反應(yīng)活性分子中，有六個等價伯氫，兩個等價仲氫，若氫的活性同樣，則兩種一氯代烴的產(chǎn)率，理論上為6：2=3：1，但實際上為43：57=1：1.33，這闡明在時溫氯代時，各類氫的反應(yīng)活性是不一樣樣的。假如定義：氫的相對活性=產(chǎn)物的數(shù)量÷被取代的等價氫的個數(shù)。這樣可知：即仲氫與伯氫的相對活性為4：1。異丁烷一氯代時的狀況時的產(chǎn)物比例如下：用公式：氫的相對活性=產(chǎn)物的數(shù)量÷被取代的等價氫的個數(shù)，可求得叔氫的相對反應(yīng)活性：即叔氫的反應(yīng)活性為伯氫的5倍。故室溫時三種氫的相對活性為：3°H：2°H：1°H=5：4：1。3）與溴的反應(yīng)溴代反應(yīng)時（光照，127℃），三種氫的相對活性為：3°H：2°H：1°H=1600：82：1例如：由此可見，溴代反應(yīng)的選擇性好，在有機(jī)合成中比氯代更大的應(yīng)用價值。2.7烷烴的鹵代反應(yīng)歷程反應(yīng)歷程是化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的途徑或過程，又稱為反應(yīng)機(jī)理。2.7.1甲烷的氯代歷程試驗證明，甲烷的氯代反應(yīng)為自由基歷程，其過程分為三個環(huán)節(jié)，如下所示：從上可以看出，一旦有自由基生成，反應(yīng)就能持續(xù)的進(jìn)行下去，這樣周而復(fù)始，反復(fù)不停的進(jìn)行反應(yīng)，故又稱為鏈鎖反應(yīng)或鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。但凡自由基反應(yīng)，都是通過鏈的引起、鏈的傳遞、鏈的終止三個階段來完畢的。2.7.2鹵素的反應(yīng)活性鹵素的反應(yīng)活性：氟>氯>溴>碘。2.7.3烷烴鹵代反應(yīng)的相對活性鹵素對甲烷的相對反應(yīng)活性如下所示：四種不一樣鹵素對甲烷：F2Cl2Br2I2的反應(yīng)熱ΔH：-422.6-104.9-37.7+54.4kJ/mol反應(yīng)活性：氟>氯>溴>碘但化學(xué)反應(yīng)要通過底物與試劑的有效碰撞才能發(fā)生，為了使反應(yīng)發(fā)生而必須提供的最低程度的能量稱為活化能（E活）。2.7.4烷基自由基的穩(wěn)定性烷烴對鹵代反應(yīng)的相對活性與烷基自由基的穩(wěn)定性有關(guān)。氫的活性次序：叔氫>仲氫>伯氫自由基的穩(wěn)定次序為：3°>2°>1°>甲基自由基，自由基的穩(wěn)定性次序可以從從超共軛效應(yīng)去的大小得到解釋甲烷氯代反應(yīng)過程中的能量變化（過渡態(tài)理論、反應(yīng)熱、活化能）過渡狀態(tài)理論認(rèn)為每一種反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)程分為三個階段：始態(tài)、過渡態(tài)和終態(tài)。即一種反應(yīng)由反應(yīng)物到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變