化學(xué)競賽 第三講 烷烴 環(huán)烷烴

只有碳氫兩種元素的原子組成的化合物叫碳氫化合物,簡稱烴。烴是化學(xué)人造字：碳中之火加氫中的組合而成。烴為碳氫的諧音)。烴是最基本(jīběn)的有機化合物,習(xí)慣上把它們看成是有機化合物的母體.火+=烴精品資料1烴的分類(fēnlèi)：在烷烴分子中,碳原子與氫原子的結(jié)合(jiéhé)已達到了最高限度,不能再增加了,故烷烴又叫飽和烴.精品資料2講授(jiǎngshòu)提要第一節(jié):烷烴的同系列及同分異構(gòu)(tónɡfēnyìɡòu)現(xiàn)象第二節(jié):烷烴的命名第三節(jié):碳原子的sp3雜化與烷烴的構(gòu)型第四節(jié):烷烴的構(gòu)象第五節(jié):烷烴的物理性質(zhì)第六節(jié):烷烴的化學(xué)性質(zhì)第七節(jié):烷烴鹵代反應(yīng)的歷程精品資料3

第一節(jié)烷烴的同系列(xìliè)與同分異構(gòu)烷烴是碳氫化合物,我們以H-H為起點，依次插入(chārù)CH2可以導(dǎo)出所有的烷烴：………甲烷乙烷丙烷一、烷烴的同系列共同特點：具有同一個通式

CnH2n+2精品資料4具有同一個通式，結(jié)構(gòu)相似、化學(xué)性質(zhì)(huàxuéxìngzhì)相似、物理性質(zhì)隨著碳原子數(shù)目的增加而呈規(guī)律性遞變的化合物系列叫同系列。同系列中的化合物互稱同系物。相鄰(xiānɡlín)同系物在組成上的差叫同系差。

同系列的提出為我們學(xué)習(xí)有機化學(xué)提供了方便，對于一類化合物我們只要研究其中幾個典型代表就可推知其他化合物的性質(zhì)。精品資料5例：下列化合物是否(shìfǒu)為同系列？若是，請寫出它的同系差及通式。ABC分子式：C6H6C10H8C14H10同系差：C4H2通式：C4(n-1)+6H2(n-1)+6C4n+2H2n+4精品資料61、請根據(jù)這些圖形畫出A的結(jié)構(gòu)，并給出A的分子式。2、圖中B、C、D三種(sānzhǒnɡ)分子是否與A屬于一個同系列中的4個同系物？為什么？——98年中學(xué)生奧賽題精品資料7二．同分異構(gòu)(tónɡfēnyìɡòu)現(xiàn)象由丙烷(bǐnɡwán)繼續(xù)導(dǎo)入CH2時,就會得到兩種產(chǎn)物：他們的組成相同，但分子中的原子排列的順序不同，互為碳鏈異構(gòu)體。精品資料8烷烴的同分異構(gòu)(tónɡfēnyìɡòu)體的數(shù)目：在有機(yǒujī)化學(xué)中，由于同分異構(gòu)現(xiàn)象普遍存在，故有機(yǒujī)化合物的分子不能用分子式表示只能用結(jié)構(gòu)式表示。精品資料9同分異構(gòu)現(xiàn)象(xiànxiàng)的分類精品資料10有機化合物構(gòu)造(gòuzào)式的寫法鍵線式的寫法(xiěfǎ)：碳、氫原子不寫，鍵線式的端點和折點表示碳原子，非碳原子和官能團要寫出來。精品資料11烷烴同分異構(gòu)(tónɡfēnyìɡòu)體的寫法：C6H14為例：

2與6相同(xiānɡtónɡ)。如何區(qū)別寫出的結(jié)構(gòu)式是否是相同(xiānɡtónɡ)的化合物？用科學(xué)的方法對它們進行命名。精品資料12有機化合物數(shù)目龐大種類繁多，同分異構(gòu)體現(xiàn)象又普遍存在，如果沒有一套科學(xué)的命名方法來區(qū)別不同的化合物，那就會給有機化學(xué)(yǒujīhuàxué)的學(xué)習(xí)和研究造成困難和混亂。因此認真學(xué)習(xí)每一類有機化合物的命名方法是有機化學(xué)(yǒujīhuàxué)學(xué)習(xí)的一項重要內(nèi)容。第二節(jié)烷烴的命名(mìngmíng)要求：精品資料13一、普通(pǔtōng)命名法普通(pǔtōng)命名法要抓?。赫╪～）、異（i～）、新（neo～）三個字1、對十碳以內(nèi)的直鏈烷烴根據(jù)中國(zhōnɡɡuó)的天干記時法（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）叫正某烷。CH3CH2……CH3CH3CH2CH2CH2CH3正×烷正戊烷十碳以上用數(shù)字表示：

CH3（CH2）10CH3

正十二烷精品資料142、對鏈端第二個碳原子上有一個(yīɡè)甲基側(cè)鏈的烷烴叫異某烷。異×烷異戊烷3、對鏈端第二個碳原子上有兩個(liǎnɡɡè)甲基側(cè)鏈的烷烴叫新某烷。新×烷新戊烷精品資料15碳原子、氫原子的分類(fēnlèi)：1010101010304020一級二級三級四級

伯

仲

叔季1oC2oC3oC4oC1oH2oH3oH精品資料16

二、烷基(wánjī)的命名：甲基乙基正丙基異丙基

Me—Et—n-Pr—i-Pr—正n–(normal)仲s–(second)異i–(iso–)叔t–(tertio–)新neo–(neo–)–CH2–CH3CH=–CH2CH2CH2–亞甲基亞乙基1,3–亞丙基精品資料17叔丁基叔戊基新戊基

t-Bu—t—neo—注意(zhùyì)叔戊基與新戊基的區(qū)別

正丁基異丁基仲丁基n-Bu—i-Bu—s-Bu—注意(zhùyì)異丁基與仲丁基的區(qū)別精品資料18三．系統(tǒng)命名(mìngmíng)法：說明：IUPAC命名(mìngmíng)法與系統(tǒng)命名(mìngmíng)法并不等同.IUPAC命名(mìngmíng)法:是國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會制定的命名(mìngmíng)法.系統(tǒng)命名(mìngmíng)法:是中國化學(xué)會根據(jù)IUPAC的命名(mìngmíng)原則，結(jié)合我國文字特點所制定的命名(mìngmíng)法.在系統(tǒng)(xìtǒng)命名法中，直鏈烷烴不需要正字。精品資料19關(guān)于烷烴的命名主要原則(yuánzé)有三條：選擇主鏈、給主鏈碳原子編號、排列取代基1、選擇最長碳鏈作為(zuòwéi)主鏈，其它側(cè)鏈作為(zuòwéi)取代基。2、從最靠近取代基的一端起依次給主鏈碳原子編號。3、按由小到大的順序排列取代基。如果含有相同的取代基，須逐個標(biāo)明他們的位次用數(shù)目二、三、四.......把他們合并起來，寫在取代基名稱前。精品資料20例1：?。?，5—二甲基—4—乙基庚烷不?。?—甲基—4—仲丁基己烷注意書寫規(guī)則(guīzé)：阿拉伯?dāng)?shù)字之間用逗號隔開，阿拉伯?dāng)?shù)字與漢字之間用半字線“–”連接。精品資料21補充規(guī)定：1、當(dāng)有兩條等長碳鏈可供選擇時，選含取代基最多的碳鏈作為(zuòwéi)主鏈。2、當(dāng)兩條碳鏈上的取代基數(shù)目也相等時，循最低系列原則：使取代基的位次號碼盡可能小。精品資料22確定主鏈：水平編號碳鏈有四個取代基，拐彎(guǎi〃wān)編號碳鏈有兩個取代基，取水平編號碳鏈為主鏈。確定(quèdìng)編號：黑字編號2、3、4、4，紅字編號2、2、3、4，選紅字編號。名稱：2，2，4—三甲基—3—乙基戊烷

例2：精品資料23例3：對于(duìyú)支鏈上又連有支鏈的烷烴的命名4－丙基－5－(1－異丙基丁基)十一(Shí－Yī)烷或：4－丙基－5－1’－異丙基丁基十一烷精品資料24一．碳原子的sp3雜化雜化軌道理論用以解釋：為什么基態(tài)下外層只有兩個(liǎnɡɡè)未成對電子的碳原子在有機化合物中總是保持四價，且在烷烴分子中還具有四面體的構(gòu)型。所謂雜化：“能量相近的原子軌道可以在原子內(nèi)部進行混合組成新的軌道—雜化軌道”。_____P.Ｌ.Pauling(1931)

第三節(jié)．碳原子的sp3雜化與烷烴分子(fēnzǐ)的構(gòu)型精品資料25碳原子的sp3雜化精品資料26雜化后的軌道有以下(yǐxià)特征：１．形成四個完全等同的sp3雜化軌道.2．這些軌道具有最佳的空間取向(彼此間的夾角為109°28’保持了最大程度的遠離).3．雜化軌道具有更強的方向性(負瓣減弱,正瓣加強,增強了成鍵的能力).精品資料27二、烷烴分子的形成(xíngchéng)與σ-鍵(1)、甲烷分子的形成(xíngchéng)精品資料28精品資料29(2)．乙烷分子(fēnzǐ)的形成精品資料30(3)、

σ-鍵:形成:由原子軌道頭碰頭重疊而形成.特征:電子云沿鍵軸呈圓柱狀對稱分布，成鍵兩原子可圍繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)不會(bùhuì)影響電子云密度的分布。精品資料31烷烴分子(fēnzǐ)構(gòu)型的表示：甲烷分子(fēnzǐ)的楔形式乙烷分子(fēnzǐ)的楔形式簡言之:楔前、虛后、實平面。精品資料32所謂直鏈烷烴，碳鏈并非是直的，只是它不含側(cè)鏈而已。≥C3的直鏈烷烴固態(tài)時碳鏈呈鋸齒狀，氣態(tài)、液態(tài)(yètài)下由于圍繞σ-鍵的旋轉(zhuǎn)而呈多種不規(guī)則的形狀：戊烷的多種不規(guī)則形狀(xíngzhuàn)精品資料33構(gòu)造：指分子中的原子相互連接的順序及方式。構(gòu)型：指具有(jùyǒu)一定構(gòu)造的化合物分子中的原子在空間的排列形式。構(gòu)象：指具有(jùyǒu)一定構(gòu)型的化合物分子中的原子，由于圍繞碳–碳單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的在空間的不同排列形式。有機化學(xué)結(jié)構(gòu)的概念(gàiniàn)包括三個層次：第四節(jié)烷烴的構(gòu)象精品資料34交叉(jiāochā)式構(gòu)象重疊式構(gòu)象(ɡòuxiànɡ)鋸架式Newman投影式楔型式一．乙烷的構(gòu)象精品資料35能量(néngliàng)分析：2H之間的距離(jùlí)：0.250nm0.229nm2H原子的范德華半徑之和：0.24nm交叉式：0.250nm>0.24nm無范氏張力重疊式：0.229nm<0.24nm

有范氏張力精品資料36乙烷(yǐwán)的構(gòu)象位能曲線圖精品資料37二．丁烷(dīnɡwán)的構(gòu)象精品資料38全重疊式鄰位交叉(jiāochā)式部分(bùfen)重疊式全交叉式習(xí)慣名稱與IUPAC名稱：精品資料39相對(xiāngduì)能量：全重疊式＞部分重疊式＞鄰位交叉式＞全交叉式（順疊式）（反錯式）（順錯式）（反疊式）極少極少32%68%精品資料40第五節(jié)．烷烴的物理性質(zhì)(wùlǐxìngzhì)物理性質(zhì)包括：外觀：狀態(tài)、顏色、氣味、味道。物理常數(shù):熔點（m.p.）、沸點(fèidiǎn)（b.p.）、密度（d）、折光率（nD）、比旋光度偶極矩（μ）溶解度等2、根據(jù)物理性質(zhì)來分離提純化合物1、用來鑒別化合物或判別化合物的純度.一、研究物理性質(zhì)的意義精品資料41二、分子(fēnzǐ)間的作用力分子的聚集(jùjí)態(tài)、熔沸點的高低取決于分子間的作用力。分子間的作用力有如下三種：1、色散力：主要存在于非極性分子之間。丁烷b.p：-0.5℃戊烷b.p：36℃新戊烷b.p：9.5℃精品資料42分子(fēnzǐ)間接觸面積大，分子(fēnzǐ)間的距離近，分子(fēnzǐ)間的作用力就大，沸點就高。精品資料432、取向力：主要存在(cúnzài)于極性分子之間。偶極矩（μ）：0D2.7D沸點（b.p）：-42℃20℃3、氫鍵(qīnɡjiàn)沸點（b.p）：117.7℃34.5℃精品資料441、熔點（m.p）分子(fēnzǐ)熔點的高低取決于分子(fēnzǐ)間的作用力和晶格堆積的密集度.⑴、隨分子(fēnzǐ)量的增大而升高.⑵、偶數(shù)碳烷烴比奇數(shù)碳烷烴的熔點升高值大.⑶、分子(fēnzǐ)量相同時,分子(fēnzǐ)的對稱性越好m.p越高.三、烷烴的物理性質(zhì)(wùlǐxìngzhì)精品資料45正、異、新戊烷b.p的比較(bǐjiào)：2、沸點（b.p）.⑴、烷烴為非極性分子,一般(yībān)b.p都較低⑵、隨分子量的增大而升高⑶、分子量相同時,支鏈越多,b.p越低b.p/℃：36289.5精品資料463、密度(mìdù)：小于10.466–0.8124、偶極矩：μ=05、溶解度：不溶于水易溶于非極性溶劑如苯、四氯化碳(sìlǜhuàtàn)等。精品資料47烷烴的結(jié)構(gòu)特點與反應(yīng)活性：1、烷烴分子中的鍵強度大，鍵能高不易斷裂。C–—CC–—H345.6415.5（KJ/mol）2、烷烴分子中電子云密度分布均勻，因而(yīnér)不易接受富電子或缺電子試劑的進攻。第六節(jié)烷烴的化學(xué)性質(zhì)(huàxuéxìngzhì)故：烷烴化學(xué)性質(zhì)不活潑，室溫下與強酸、強堿、強氧化劑、強還原劑不發(fā)生反應(yīng)。精品資料48烷烴在高溫或光照(guāngzhào)下能夠進行反應(yīng)：烷烴燃燒后生成CO2和H2O的同時放出(fànɡchū)大量的熱，使烷烴（石油中的主要成分）成為人類最重要的能源。CnH2n+2+(3n+1)/2O2

nCO2+(n+1)H2O+熱量一．氧化反應(yīng)：精品資料49

CH4+CH2=CHCH3CH3CH3+CH2=CH2CH3CH2CH2CH3CH3CH2CH=CH2

CH2=CHCH=CH2CH3CH=CHCH3+H2二．熱裂反應(yīng)(fǎnyìng)1.高溫裂解：高溫(gāowēn)隔絕空氣高溫主要為獲取基本化工原料：各種烯烴烷烴乙烯，丙烯，丁二烯，氫氣…精品資料50C6—C8苯+甲苯(jiǎběn)+二甲苯(jiǎběn)烷烴（基本化工原料）催化重整(cuīhuàzhònɡzhěnɡ)七種基本有機化工原料為：乙烯、丙烯、丁二烯，苯、甲苯、二甲苯和甲烷

催化裂化可得到多支鏈的烷烴,主要是為獲取高品質(zhì)的汽油；催化重整則是為了得到苯、甲苯和二甲苯。2．催化裂化和催化重整精品資料51

氟代反應(yīng)太劇烈，以爆炸式進行，難以控制，碘原子(yuánzǐ)不活潑使取代反應(yīng)難以發(fā)生，故烷烴的鹵代反應(yīng)通常是指氯代和溴代反應(yīng)。1．甲烷(jiǎwán)的氯代反應(yīng)三．鹵代反應(yīng)反應(yīng)活性：F>>Cl>Br>>I產(chǎn)物是各種氯代甲烷的混合物精品資料52當(dāng)：CH4+Cl210:1CH3Cl為主0.263:1CCl4為主2、其它(qítā)烷烴的鹵代反應(yīng)⑴、氯代反應(yīng)(fǎnyìng)45％55％10氫與20氫氯代反應(yīng)的相對活性：

=

45/6

:

55/2

=

1

:

3.7精品資料53

三種氫氯代反應(yīng)(fǎnyìng)的相對活性：伯氫：仲氫：叔氫=1：3.7：5.164％36％精品資料54⑵、溴代反應(yīng)(fǎnyìng)3％97％＜1％＞99％三種氫溴代反應(yīng)(fǎnyìng)的相對活性：伯氫：仲氫：叔氫=1：82：1600精品資料55結(jié)論：1、不同類型(lèixíng)的氫反應(yīng)活性不同。2、氯代反應(yīng)的活性大于溴代反應(yīng)的活性。3、溴代反應(yīng)的選擇性大于氯代反應(yīng)的選擇性。反應(yīng)式：宏觀(hóngguān)給出現(xiàn)象。反應(yīng)歷程：微觀揭示本性。如何解釋這些事實？精品資料56第七節(jié)烷烴鹵代反應(yīng)(fǎnyìng)的歷程一．反應(yīng)歷程簡介1、什么叫反應(yīng)歷程？反應(yīng)歷程又叫反應(yīng)機理或反應(yīng)機制，是指反應(yīng)物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物所經(jīng)歷的全部過程。2、反應(yīng)歷程是理論(lǐlùn)上的假設(shè)反應(yīng)歷程是根據(jù)能夠觀察到的實驗事實進行推理而提出的理論(lǐlùn)上的假說（化學(xué)反應(yīng)是在10-12～10-14秒內(nèi)完成，目前還無法直接觀察）。3、研究反應(yīng)歷程的目的揭示反應(yīng)的本質(zhì),掌握反應(yīng)的規(guī)律,從而達到控制反應(yīng)和利用反應(yīng)的目的。精品資料571．基本假定過渡態(tài)理論認為：化學(xué)反應(yīng)不僅僅是通過分子之間的簡單碰撞就完成的，從反應(yīng)物到產(chǎn)物是個逐漸(zhújiàn)變化的連續(xù)過程，在反應(yīng)中反應(yīng)物分子相互接近形成活化絡(luò)合物[即過渡態(tài)]，然后再以一定的速度形成產(chǎn)物。二．過渡態(tài)理論(lǐlùn)精品資料582、反應(yīng)能量(néngliàng)進程圖精品資料59反應(yīng)能量進程(jìnchéng)圖的含義：1、曲線上的每一點都對應(yīng)著一種反應(yīng)(fǎnyìng)的狀態(tài)和這種狀態(tài)所具有的能量。2、a點：反應(yīng)物；c點：產(chǎn)物；b點：過渡態(tài)。3、b點與a點的高度之差E活：是反應(yīng)的活化能。b點與c點的高度之差E’：是逆反應(yīng)的活化能。4、b點與c點的高度之差△H：為反應(yīng)熱。△H為負值：反應(yīng)放熱?！鱄為正值：反應(yīng)吸熱。精品資料60(1)、CH4與Cl2室溫(shìwēn)時在暗處不發(fā)生反應(yīng);甲烷的氯代反應(yīng)有如下(rúxià)事實需要解釋：(2)、在暗處溫度高于250℃或室溫下進行光照可以發(fā)生反應(yīng);(3)、光照下反應(yīng)時,體系每吸收一個光子,就可以產(chǎn)生一萬多個氯甲烷分子;(4)、若有O2存在時,就會延緩反應(yīng)的發(fā)生。三、甲烷氯代反應(yīng)的歷程精品資料61每個氯自由基可循環(huán)(xúnhuán)碰撞五千多次.鏈引發(fā)：鏈增長：鏈終止：自由基：具有單個未成對電子(diànzǐ)的原子或基團叫自由基。1、甲烷氯代反應(yīng)的歷程(自由基取代反應(yīng)歷程）精品資料62有氧存在延緩(yánhuǎn)反應(yīng)發(fā)生的原因:反應(yīng)生成(shēnɡchénɡ)的甲基過氧自由基活性低,可以減慢或終止自由基反應(yīng),此類物質(zhì)稱為自由基抑制劑?；顫姴换顫娀顫姴换顫娋焚Y料63甲烷(jiǎwán)氯代反應(yīng)的能量進程圖精品資料641、在多步驟反應(yīng)中，反應(yīng)分多少步進行(jìnxíng)能量進程圖上就有多少個峰。2、兩峰之間的谷點表示(biǎoshì)反應(yīng)活性中間體。3、活化能最高的那步反應(yīng)決定著整個反應(yīng)的速率。精品資料65利用(lìyòng)鍵能計算反應(yīng)熱:H=∑反－∑產(chǎn)鍵能：435.1242.5351.5431H

=（435.1+242.5）－（351.5+431）677.6782.5=－104.9KJ/mol（反應(yīng)(fǎnyìng)放熱）精品資料66四、鹵代反應(yīng)(fǎnyìng)的取向與反應(yīng)(fǎnyìng)的相對活性取向(qǔxiànɡ):是比較同一分子中，不同位置上的原子或基團對同一試劑的反應(yīng)活性。相對反應(yīng)活性：是比較同一化合物對不同試劑，或不同化合物對同一試劑的反應(yīng)活性。精品資料671.鹵素對甲烷的相對(xiāngduì)反應(yīng)活性：F?Cl﹥Br?IE活(KJ/mol)+4.2+16.7+75.3>+138精品資料68(1)、A步驟顯示不是決定反應(yīng)速率的步驟。(2)、C步驟對四種鹵素都是放熱且Cl.Br.I的H比較接近。看來也不是造成相對反應(yīng)活性差別的原因。(3)、B步驟H差別較大從F化的強烈放