有机化学烷烃

第一节烷烃的同系列及同分异构现象一、烷烃的同系列烷烃的通式：CnH2n+2◆同系列（Homologousseries）：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。◆同系物（Homologs）同系列中化合物互为同系物◆系列差CH2二、同分异构体分子式同，结构不同的化合物C4H10CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3b.p.-0.5℃b.p.-10.2℃正丁烷异丁烷分子式同，碳干构造不同—碳干异构(constitutionalisomerism)同分异构体的书写方法三、结构式的书写构造简式：CH3CH3CCH2CH3CH3CH3CHCH2CH3CH3(CH3)2CHCH2CH3(CH3)3CCH2CH3CH3CHCH2CH3CH3CH3CCH3CH3CH2CH3碳干式：氢省略CCCCCCCCCCC键线式（骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略四、碳原子和氢原子的种类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（1°H、2°H、3°H）第二节烷烃的命名法一、普通命名法二、烷基的命名三、系统命名法一、普通命名法1、正(normal)某烷C1～C10天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸C10汉文数字正己烷（n-hexane)2、异(iso)某烷碳链一末端带两个甲基。(i-hexane)CH3CHCH2CH2CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CH3异己烷CH3CH2CH2CH2CH2CH3特殊：CH3CHCH2CCH3CH3CH3CH3异己烷3、新某烷含五或六个碳的碳链端第二个碳原子为季碳原子的称为“新某烷”(neohexane)CH3CCH2CH3CH3CH3CH3CH2CCH2CH3CH3CH3新己烷二、烷基的命名一价基：二价基：◆三价基：三、系统命名法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CH3CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH3丙烷戊烷例1、2：给下列有机物选择主链CH3CHCH2CH2CH2CH3CH3CH3CHCH2CH2CH3CH2CH3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。（2）主链碳原子的位次编号a.从靠近取代基一端顺次编号；b.当有几种编号可能时，选择使取代基具有“最低序列”即使取代基的编号顺次逐项为最小的编号；例4：取代基编号：（上）2，6，8（下）2，4，8（正确编号）（3）名称的书写次序编号取代基母体取代基的排列顺序：小前、大后、同合并取代基顺序规则IUPAC法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。例1例2CH3CHCH2CH2CH2CH3CH3CH3CHCH2CH2CH3CH2CH3例1：2-甲基己烷2-methylhexane例2：3-甲基己烷3-methylhexane例3：2，5-二甲基-3-乙基己烷IUPAC3-ethyl-2,5-dimethylhexaneCH3CH2CHCH2CHCH3CHCH3CH3CH3例4：2，8-二甲基-4-乙基壬烷4-ethyl-2,8-dimethylnonane注意：取代基和母体名称之间不加短线。学习的线索：结构——性质——用途结构构造分子中原子的排列顺序构型分子中原子在空间的排列状况构象由于单键的旋转，形成分子中各原子或原子团的空间排布。第三节烷烃的构型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C—H键长：0.109nm∠HCH键角：109°28′2、分子模型凯库勒模型、斯陶特模型3、构型(Configuration)：具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况。CHHHH二、碳原子的sp3杂化1、碳原子的sp3杂化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）三、烷烃分子的形成甲烷：CH4C—H键：SP3—S甲烷分子的形成乙烷：C2H6C-C键SP3—SP3CCHHHHHHC—H键SP3—S分子的形成四、分子立体结构的表示方法1、楔型（伞型）透视式及书写甲烷：甲烷凯库勒模型楔型透视式书写：乙烷：书写：2、锯架（sawhorseformula)透视式及书写3、纽曼投影式(Newmanprojection)及书写二、乙烷的构象1、两种极限构象的表达重叠式（顺叠式）Eclipsedconformation交叉式（反叠式）Staggeredconformation重叠式和交叉式构象的楔型式、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模型楔型式锯架式纽曼式模型锯架式纽曼式楔型式2、两种极限构象的位能变化稳定性比较：交叉式＞重叠式三、正丁烷的构象围绕C2—C3单键旋转形成各种构象CCHHHHHHC4H10CHHCHHCHHCHHCH3CH31、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）2、四种极限构象的位能变化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思考：1.写出丁烷的邻位交叉式（锯架式、楔型式）2.总结书写纽曼式、锯架式、楔型式的规律第五节烷烃的物理性质一、物态规律：二、沸点boilingpoint规律：三、熔点meltingpoint规律：随分子量的增加，由气态—液态—固态A.C数增加，沸点b.p.升高；B.正烷烃b.p＞支链烷烃（同碳数）A.C数增加，熔点m.p.升高；B.偶数烷烃m.p＞奇数烷烃四、相对密度density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。相似相溶第六节烷烃的化学性质一、化学性质稳定原因：（1）C—C、C—Hσ键的键能大，不易破裂；化学键C—CC—H键能KJ/mol345.6415.3（2）C—C键矩为0，C—H键矩很小，电子云分布均匀，为非极性分子；（3）键的断裂：均裂二、氧化Oxidation（自由基反应）1、燃烧用途：用作燃料（重要能源之一）当CH4∶O2（空气）=1∶2（10）瓦斯爆炸2、控制氧化R：C20～C30代替动植物油脂制造肥皂生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等三、热裂Pyrolysis（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.CH3CHCH2HH460℃CH3CHCH2+H2CH3CH2CH2H460℃CH2CH2+CH4四、卤代Helogenation（自由基反应）1、甲烷的氯代用途：1）生产氯代甲烷混合溶剂；2）控制条件，制备一氯甲烷。2、甲烷的卤代卤素的活性：F2Cl2Br2I2思考：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？CH4+X2hvCH3X+HX3、C3以上烷烃的卤代从反应式中可看到：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。说明：（1）氢原子的卤代反应活性：每个氢原子的反应几率=产率/H的个数氯代反应中氢原子的反应活性：1°H：43/6≈764/9≈72°H：57/2=28.53°H：36/1=36氯代：3°H∶2°H∶1°H=5∶4∶1溴代：3°H∶2°H∶1°H=1600∶82∶1（2）根据反应活性，推测异构体的产率思考：为什么H原子的卤代反应活性顺序为：3°2°1°？第七节烷烃卤代反应历程ReactionMechanism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：一、甲烷的卤代历程1、甲烷和氯气反应的实验事实：(1)CH4+Cl2室温暗处hv＞250℃，室温，hv暗处不反应反应反应停止hv不反应(2)?CH4hvCl2不反应Cl2hvCH4反应停止hv反应停(3)CH4+Cl2反应O2反应速度下降2、根据实验事实，提出如下机理：链引发（chaininitiation）：链传递（chainpropagation）：链终止（chaintermination）：思考：为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？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（Reactionenthalpy△HR）解释△HR=（435.1+242.5）-（351.4+431）=-104.8KJ/mol（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。表：甲烷卤代的反应热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。活化能EFEClEBrEIKJ/mol4.216.775.2137.9卤素对烷烃的相对取代反应活性：F2＞Cl2＞Br2＞I2三、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：3°2°1°2、自由基的稳定性结构：甲烷CH4甲基自由基CH3·CSP3杂化CSP2杂化解离能：同一类型的键（如C—H）发生均裂时，键的离解能愈小，则自由基愈容易生成，生成的自由基也较稳定。自由基自由基类型1°1°1°2°3°C—H解离能KJ/mol435.1410410397.5380.7自由基的稳定性顺序为：3°2°1°CH3·氢原子的反应活性为：3°2°1°卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基第八节过渡态理论一、反应进程的过渡态与能量变化1、反应进程与过渡态（Transitionstate）2、能量变化曲线图—表示反应进程的能量变化（1）一步反应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△H：反应热思考：1）上图表示的反应是放热还是吸热？（2）多步骤反应二、甲烷氯代反应的能量变化链增长：反应EKJ/mol△HKJ/molⅠ16.74.1Ⅱ4.2-109链终止：三、过渡态与中间体、反应热与活化能过渡态中间体反应的中间状态反应中产生的活泼质点未被测出可测出（稳定的中间体则可分离）位能的最高点（峰顶）位能低于过渡态、高于产物活化能反应热T.S与反应物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放出或吸收的能量E0（实验测定）通过键能计算，也可实验测定△H0吸热；△H0放热决定反应速度不能决定反应速度第九节甲烷与天然气天然气和液化天然气1.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16.1×1012m3非常规可采资源量27～115×1012m3用途：燃料、化工原料为减少污染，提高城市环境质量，日本政府正在制订相关政策和措施，大力推广使用天然气的汽车，力争到2010年将天然气汽车的实际数量从目前的4500多辆提高到100万辆。中国天然气存在的主要问题1．天然气储量不多。天然气年产量仅400多亿M3左右，在中国能源生产中的比例不足5%，与世界相比具有很大的差距。据有关资料显示，中国天然气储量在世界天然气总量中不足3%。2．天然气勘探开发难度较大。现已探明天然气地质储量3.4万亿m3，尽快将这些储量开发利用，对促进国民经济发展有非常重要的作用。但中国的这些储量大多分布中国西部的老、少、边、穷地区，地表条件多为沙漠、黄土塬、山地，地理环境恶劣。多数勘探对象低孔、低渗、埋藏深