化學(xué)競(jìng)賽 第三講 烷烴 環(huán)烷烴

只有碳?xì)鋬煞N元素的原子組成的化合物叫碳?xì)浠衔?簡(jiǎn)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?xì)涞闹C音)。烴是最基本(jīběn)的有機(jī)化合物,習(xí)慣上把它們看成是有機(jī)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(dá)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?xì)浠衔?我們以H-H為起點(diǎn)，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(diǎn)：具有同一個(gè)通式

CnH2n+2精品資料4具有同一個(gè)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(jī)化學(xué)提供了方便，對(duì)于一類化合物我們只要研究其中幾個(gè)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(qǐng)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(qǐng)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(gè)同系列中的4個(gè)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(shí),就會(huì)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(jī)(yǒujī)化學(xué)中，由于同分異構(gòu)現(xiàn)象普遍存在，故有機(jī)(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(jī)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(diǎn)和折點(diǎn)表示碳原子，非碳原子和官能團(tuán)要寫出來(lái)。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(duì)它們進(jìn)行命名。精品資料12有機(jī)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(méi)有一套科學(xué)的命名方法來(lái)區(qū)別不同的化合物，那就會(huì)給有機(jī)化學(xué)(yǒujīhuàxué)的學(xué)習(xí)和研究造成困難和混亂。因此認(rèn)真學(xué)習(xí)每一類有機(jī)化合物的命名方法是有機(jī)化學(xué)(yǒujīhuàxué)學(xué)習(xí)的一項(xiàng)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(gè)字1、對(duì)十碳以內(nèi)的直鏈烷烴根據(jù)中國(guó)(zhōnɡɡuó)的天干記時(shí)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(duì)鏈端第二個(gè)碳原子上有一個(gè)(yīɡè)甲基側(cè)鏈的烷烴叫異某烷。異×烷異戊烷3、對(duì)鏈端第二個(gè)碳原子上有兩個(gè)(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(jí)二級(jí)三級(jí)四級(jí)

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(shuō)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(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)制定的命名(mìngmíng)法.系統(tǒng)命名(mìngmíng)法:是中國(guó)化學(xué)會(huì)根據(jù)IUPAC的命名(mìngmíng)原則，結(jié)合我國(guó)文字特點(diǎn)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(hào)、排列取代基1、選擇最長(zhǎng)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(hào)。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(gè)標(biāo)明他們的位次用數(shù)目二、三、四.......把他們合并起來(lái)，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(hào)隔開(kāi)，阿拉伯?dāng)?shù)字與漢字之間用半字線“–”連接。精品資料21補(bǔ)充規(guī)定：1、當(dāng)有兩條等長(zhǎng)碳鏈可供選擇時(shí)，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(shí)，循最低系列原則：使取代基的位次號(hào)碼盡可能小。精品資料22確定主鏈：水平編號(hào)碳鏈有四個(gè)取代基，拐彎(guǎi〃wān)編號(hào)碳鏈有兩個(gè)取代基，取水平編號(hào)碳鏈為主鏈。確定(quèdìng)編號(hào)：黑字編號(hào)2、3、4、4，紅字編號(hào)2、2、3、4，選紅字編號(hào)。名稱：2，2，4—三甲基—3—乙基戊烷

例2：精品資料23例3：對(duì)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(gè)(liǎnɡɡè)未成對(duì)電子的碳原子在有機(jī)化合物中總是保持四價(jià)，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(jìn)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(gè)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(yuǎn)離).3．雜化軌道具有更強(qiáng)的方向性(負(fù)瓣減弱,正瓣加強(qiáng),增強(qiáng)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(duì)稱分布，成鍵兩原子可圍繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)不會(huì)(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(jiǎn)言之:楔前、虛后、實(shí)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(shí)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(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)的概念(gàiniàn)包括三個(gè)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(wú)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(duì)(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(cuò)式）（順錯(cuò)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(diǎn)（m.p.）、沸點(diǎn)(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(lái)分離提純化合物1、用來(lái)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)（b.p）：-42℃20℃3、氫鍵(qīnɡjiàn)沸點(diǎn)（b.p）：117.7℃34.5℃精品資料441、熔點(diǎn)（m.p）分子(fēnzǐ)熔點(diǎn)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(diǎn)升高值大.⑶、分子(fēnzǐ)量相同時(shí),分子(fēnzǐ)的對(duì)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(diǎn)（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(shí),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(diǎn)與反應(yīng)活性：1、烷烴分子中的鍵強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、強(qiáng)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(jìn)行反應(yīng)：烷烴燃燒后生成CO2和H2O的同時(shí)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(jī)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(jìn)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)？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(jiǎn)介1、什么叫反應(yīng)歷程？反應(yīng)歷程又叫反應(yīng)機(jī)理或反應(yīng)機(jī)制，是指反應(yīng)物經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物所經(jīng)歷的全部過(guò)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(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行推理而提出的理論(lǐlùn)上的假說(shuō)（化學(xué)反應(yīng)是在10-12～10-14秒內(nèi)完成，目前還無(wú)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(dá)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(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為：化學(xué)反應(yīng)不僅僅是通過(guò)分子之間的簡(jiǎn)單碰撞就完成的，從反應(yīng)物到產(chǎn)物是個(gè)逐漸(zhújiàn)變化的連續(xù)過(guò)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(guò)渡態(tài)]，然后再以一定的速度形成產(chǎn)物。二．過(guò)渡態(tài)理論(lǐlùn)精品資料582、反應(yīng)能量(néngliàng)進(jìn)程圖精品資料59反應(yīng)能量進(jìn)程(jìnchéng)圖的含義：1、曲線上的每一點(diǎn)都對(duì)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(diǎn)：反應(yīng)物；c點(diǎn)：產(chǎn)物；b點(diǎn)：過(guò)渡態(tài)。3、b點(diǎn)與a點(diǎn)的高度之差E活：是反應(yīng)的活化能。b點(diǎn)與c點(diǎn)的高度之差E’：是逆反應(yīng)的活化能。4、b點(diǎn)與c點(diǎn)的高度之差△H：為反應(yīng)熱?！鱄為負(fù)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(shí)在暗處不發(fā)生反應(yīng);甲烷的氯代反應(yīng)有如下(rúxià)事實(shí)需要解釋：(2)、在暗處溫度高于250℃或室溫下進(jìn)行光照可以發(fā)生反應(yīng);(3)、光照下反應(yīng)時(shí),體系每吸收一個(gè)光子,就可以產(chǎn)生一萬(wàn)多個(gè)氯甲烷分子;(4)、若有O2存在時(shí),就會(huì)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(gè)氯自由基可循環(huán)(xúnhuán)碰撞五千多次.鏈引發(fā)：鏈增長(zhǎng)：鏈終止：自由基：具有單個(gè)未成對(duì)電子(diànzǐ)的原子或基團(tuán)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(guò)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(jìn)程圖精品資料641、在多步驟反應(yīng)中，反應(yīng)分多少步進(jìn)行(jìnxíng)能量進(jìn)程圖上就有多少個(gè)峰。2、兩峰之間的谷點(diǎn)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(gè)反應(yīng)的速率。精品資料65利用(lìyòng)鍵能計(jì)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(duì)活性取向(qǔxiànɡ):是比較同一分子中，不同位置上的原子或基團(tuán)對(duì)同一試劑的反應(yīng)活性。相對(duì)反應(yīng)活性：是比較同一化合物對(duì)不同試劑，或不同化合物對(duì)同一試劑的反應(yīng)活性。精品資料671.鹵素對(duì)甲烷的相對(duì)(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(duì)四種鹵素都是放熱且Cl.Br.I的H比較接近。看來(lái)也不是造成相對(duì)反應(yīng)活性差別的原因。(3)、B步驟H差別較大從F化的強(qiáng)烈放