化学竞赛 第三讲 烷烃 环烷烃

只有碳氢两种元素的原子组成的化合物叫碳氢化合物,简称烃。烃是化学人造字：碳中之火加氢中的组合而成。烃为碳氢的谐音)。烃是最基本(jīběn)的有机化合物,习惯上把它们看成是有机化合物的母体.火+=烃精品资料1烃的分类(fēnlèi)：在烷烃分子中,碳原子与氢原子的结合(jiéhé)已达到了最高限度,不能再增加了,故烷烃又叫饱和烃.精品资料2讲授(jiǎngshòu)提要第一节:烷烃的同系列及同分异构(tónɡfēnyìɡòu)现象第二节:烷烃的命名第三节:碳原子的sp3杂化与烷烃的构型第四节:烷烃的构象第五节:烷烃的物理性质第六节:烷烃的化学性质第七节:烷烃卤代反应的历程精品资料3

第一节烷烃的同系列(xìliè)与同分异构烷烃是碳氢化合物,我们以H-H为起点，依次插入(chārù)CH2可以导出所有的烷烃：………甲烷乙烷丙烷一、烷烃的同系列共同特点：具有同一个通式

CnH2n+2精品资料4具有同一个通式，结构相似、化学性质(huàxuéxìngzhì)相似、物理性质随着碳原子数目的增加而呈规律性递变的化合物系列叫同系列。同系列中的化合物互称同系物。相邻(xiānɡlín)同系物在组成上的差叫同系差。

同系列的提出为我们学习有机化学提供了方便，对于一类化合物我们只要研究其中几个典型代表就可推知其他化合物的性质。精品资料5例：下列化合物是否(shìfǒu)为同系列？若是，请写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精品资料61、请根据这些图形画出A的结构，并给出A的分子式。2、图中B、C、D三种(sānzhǒnɡ)分子是否与A属于一个同系列中的4个同系物？为什么？——98年中学生奥赛题精品资料7二．同分异构(tónɡfēnyìɡòu)现象由丙烷(bǐnɡwán)继续导入CH2时,就会得到两种产物：他们的组成相同，但分子中的原子排列的顺序不同，互为碳链异构体。精品资料8烷烃的同分异构(tónɡfēnyìɡòu)体的数目：在有机(yǒujī)化学中，由于同分异构现象普遍存在，故有机(yǒujī)化合物的分子不能用分子式表示只能用结构式表示。精品资料9同分异构现象(xiànxiàng)的分类精品资料10有机化合物构造(gòuzào)式的写法键线式的写法(xiěfǎ)：碳、氢原子不写，键线式的端点和折点表示碳原子，非碳原子和官能团要写出来。精品资料11烷烃同分异构(tónɡfēnyìɡòu)体的写法：C6H14为例：

2与6相同(xiānɡtónɡ)。如何区别写出的结构式是否是相同(xiānɡtónɡ)的化合物？用科学的方法对它们进行命名。精品资料12有机化合物数目庞大种类繁多，同分异构体现象又普遍存在，如果没有一套科学的命名方法来区别不同的化合物，那就会给有机化学(yǒujīhuàxué)的学习和研究造成困难和混乱。因此认真学习每一类有机化合物的命名方法是有机化学(yǒujīhuàxué)学习的一项重要内容。第二节烷烃的命名(mìngmíng)要求：精品资料13一、普通(pǔtōng)命名法普通(pǔtōng)命名法要抓住：正（n～）、异（i～）、新（neo～）三个字1、对十碳以内的直链烷烃根据中国(zhōnɡɡuó)的天干记时法（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数字表示：

CH3（CH2）10CH3

正十二烷精品资料142、对链端第二个碳原子上有一个(yīɡè)甲基侧链的烷烃叫异某烷。异×烷异戊烷3、对链端第二个碳原子上有两个(liǎnɡɡè)甲基侧链的烷烃叫新某烷。新×烷新戊烷精品资料15碳原子、氢原子的分类(fēnlèi)：1010101010304020一级二级三级四级

伯

仲

叔季1oC2oC3oC4oC1oH2oH3oH精品资料16

二、烷基(wánjī)的命名：甲基乙基正丙基异丙基

Me—Et—n-Pr—i-Pr—正n–(normal)仲s–(second)异i–(iso–)叔t–(tertio–)新neo–(neo–)–CH2–CH3CH=–CH2CH2CH2–亚甲基亚乙基1,3–亚丙基精品资料17叔丁基叔戊基新戊基

t-Bu—t—neo—注意(zhùyì)叔戊基与新戊基的区别

正丁基异丁基仲丁基n-Bu—i-Bu—s-Bu—注意(zhùyì)异丁基与仲丁基的区别精品资料18三．系统命名(mìngmíng)法：说明：IUPAC命名(mìngmíng)法与系统命名(mìngmíng)法并不等同.IUPAC命名(mìngmíng)法:是国际纯粹与应用化学联合会制定的命名(mìngmíng)法.系统命名(mìngmíng)法:是中国化学会根据IUPAC的命名(mìngmíng)原则，结合我国文字特点所制定的命名(mìngmíng)法.在系统(xìtǒng)命名法中，直链烷烃不需要正字。精品资料19关于烷烃的命名主要原则(yuánzé)有三条：选择主链、给主链碳原子编号、排列取代基1、选择最长碳链作为(zuòwéi)主链，其它侧链作为(zuòwéi)取代基。2、从最靠近取代基的一端起依次给主链碳原子编号。3、按由小到大的顺序排列取代基。如果含有相同的取代基，须逐个标明他们的位次用数目二、三、四.......把他们合并起来，写在取代基名称前。精品资料20例1：取：2，5—二甲基—4—乙基庚烷不取：2—甲基—4—仲丁基己烷注意书写规则(guīzé)：阿拉伯数字之间用逗号隔开，阿拉伯数字与汉字之间用半字线“–”连接。精品资料21补充规定：1、当有两条等长碳链可供选择时，选含取代基最多的碳链作为(zuòwéi)主链。2、当两条碳链上的取代基数目也相等时，循最低系列原则：使取代基的位次号码尽可能小。精品资料22确定主链：水平编号碳链有四个取代基，拐弯(guǎi〃wān)编号碳链有两个取代基，取水平编号碳链为主链。确定(quèdìng)编号：黑字编号2、3、4、4，红字编号2、2、3、4，选红字编号。名称：2，2，4—三甲基—3—乙基戊烷

例2：精品资料23例3：对于(duìyú)支链上又连有支链的烷烃的命名4－丙基－5－(1－异丙基丁基)十一(Shí－Yī)烷或：4－丙基－5－1’－异丙基丁基十一烷精品资料24一．碳原子的sp3杂化杂化轨道理论用以解释：为什么基态下外层只有两个(liǎnɡɡè)未成对电子的碳原子在有机化合物中总是保持四价，且在烷烃分子中还具有四面体的构型。所谓杂化：“能量相近的原子轨道可以在原子内部进行混合组成新的轨道—杂化轨道”。_____P.Ｌ.Pauling(1931)

第三节．碳原子的sp3杂化与烷烃分子(fēnzǐ)的构型精品资料25碳原子的sp3杂化精品资料26杂化后的轨道有以下(yǐxià)特征：１．形成四个完全等同的sp3杂化轨道.2．这些轨道具有最佳的空间取向(彼此间的夹角为109°28’保持了最大程度的远离).3．杂化轨道具有更强的方向性(负瓣减弱,正瓣加强,增强了成键的能力).精品资料27二、烷烃分子的形成(xíngchéng)与σ-键(1)、甲烷分子的形成(xíngchéng)精品资料28精品资料29(2)．乙烷分子(fēnzǐ)的形成精品资料30(3)、

σ-键:形成:由原子轨道头碰头重叠而形成.特征:电子云沿键轴呈圆柱状对称分布，成键两原子可围绕键轴自由旋转不会(bùhuì)影响电子云密度的分布。精品资料31烷烃分子(fēnzǐ)构型的表示：甲烷分子(fēnzǐ)的楔形式乙烷分子(fēnzǐ)的楔形式简言之:楔前、虚后、实平面。精品资料32所谓直链烷烃，碳链并非是直的，只是它不含侧链而已。≥C3的直链烷烃固态时碳链呈锯齿状，气态、液态(yètài)下由于围绕σ-键的旋转而呈多种不规则的形状：戊烷的多种不规则形状(xíngzhuàn)精品资料33构造：指分子中的原子相互连接的顺序及方式。构型：指具有(jùyǒu)一定构造的化合物分子中的原子在空间的排列形式。构象：指具有(jùyǒu)一定构型的化合物分子中的原子，由于围绕碳–碳单键的旋转而产生的在空间的不同排列形式。有机化学结构的概念(gàiniàn)包括三个层次：第四节烷烃的构象精品资料34交叉(jiāochā)式构象重叠式构象(ɡòuxiànɡ)锯架式Newman投影式楔型式一．乙烷的构象精品资料35能量(néngliàng)分析：2H之间的距离(jùlí)：0.250nm0.229nm2H原子的范德华半径之和：0.24nm交叉式：0.250nm>0.24nm无范氏张力重叠式：0.229nm<0.24nm

有范氏张力精品资料36乙烷(yǐwán)的构象位能曲线图精品资料37二．丁烷(dīnɡwán)的构象精品资料38全重叠式邻位交叉(jiāochā)式部分(bùfen)重叠式全交叉式习惯名称与IUPAC名称：精品资料39相对(xiāngduì)能量：全重叠式＞部分重叠式＞邻位交叉式＞全交叉式（顺叠式）（反错式）（顺错式）（反叠式）极少极少32%68%精品资料40第五节．烷烃的物理性质(wùlǐxìngzhì)物理性质包括：外观：状态、颜色、气味、味道。物理常数:熔点（m.p.）、沸点(fèidiǎn)（b.p.）、密度（d）、折光率（nD）、比旋光度偶极矩（μ）溶解度等2、根据物理性质来分离提纯化合物1、用来鉴别化合物或判别化合物的纯度.一、研究物理性质的意义精品资料41二、分子(fēnzǐ)间的作用力分子的聚集(jùjí)态、熔沸点的高低取决于分子间的作用力。分子间的作用力有如下三种：1、色散力：主要存在于非极性分子之间。丁烷b.p：-0.5℃戊烷b.p：36℃新戊烷b.p：9.5℃精品资料42分子(fēnzǐ)间接触面积大，分子(fēnzǐ)间的距离近，分子(fēnzǐ)间的作用力就大，沸点就高。精品资料432、取向力：主要存在(cúnzài)于极性分子之间。偶极矩（μ）：0D2.7D沸点（b.p）：-42℃20℃3、氢键(qīnɡjiàn)沸点（b.p）：117.7℃34.5℃精品资料441、熔点（m.p）分子(fēnzǐ)熔点的高低取决于分子(fēnzǐ)间的作用力和晶格堆积的密集度.⑴、随分子(fēnzǐ)量的增大而升高.⑵、偶数碳烷烃比奇数碳烷烃的熔点升高值大.⑶、分子(fēnzǐ)量相同时,分子(fēnzǐ)的对称性越好m.p越高.三、烷烃的物理性质(wùlǐxìngzhì)精品资料45正、异、新戊烷b.p的比较(bǐjiào)：2、沸点（b.p）.⑴、烷烃为非极性分子,一般(yībān)b.p都较低⑵、随分子量的增大而升高⑶、分子量相同时,支链越多,b.p越低b.p/℃：36289.5精品资料463、密度(mìdù)：小于10.466–0.8124、偶极矩：μ=05、溶解度：不溶于水易溶于非极性溶剂如苯、四氯化碳(sìlǜhuàtàn)等。精品资料47烷烃的结构特点与反应活性：1、烷烃分子中的键强度大，键能高不易断裂。C–—CC–—H345.6415.5（KJ/mol）2、烷烃分子中电子云密度分布均匀，因而(yīnér)不易接受富电子或缺电子试剂的进攻。第六节烷烃的化学性质(huàxuéxìngzhì)故：烷烃化学性质不活泼，室温下与强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂不发生反应。精品资料48烷烃在高温或光照(guāngzhào)下能够进行反应：烷烃燃烧后生成CO2和H2O的同时放出(fànɡchū)大量的热，使烷烃（石油中的主要成分）成为人类最重要的能源。CnH2n+2+(3n+1)/2O2

nCO2+(n+1)H2O+热量一．氧化反应：精品资料49

CH4+CH2=CHCH3CH3CH3+CH2=CH2CH3CH2CH2CH3CH3CH2CH=CH2

CH2=CHCH=CH2CH3CH=CHCH3+H2二．热裂反应(fǎnyìng)1.高温裂解：高温(gāowēn)隔绝空气高温主要为获取基本化工原料：各种烯烃烷烃乙烯，丙烯，丁二烯，氢气…精品资料50C6—C8苯+甲苯(jiǎběn)+二甲苯(jiǎběn)烷烃（基本化工原料）催化重整(cuīhuàzhònɡzhěnɡ)七种基本有机化工原料为：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链的烷烃,主要是为获取高品质的汽油；催化重整则是为了得到苯、甲苯和二甲苯。2．催化裂化和催化重整精品资料51

氟代反应太剧烈，以爆炸式进行，难以控制，碘原子(yuánzǐ)不活泼使取代反应难以发生，故烷烃的卤代反应通常是指氯代和溴代反应。1．甲烷(jiǎwán)的氯代反应三．卤代反应反应活性：F>>Cl>Br>>I产物是各种氯代甲烷的混合物精品资料52当：CH4+Cl210:1CH3Cl为主0.263:1CCl4为主2、其它(qítā)烷烃的卤代反应⑴、氯代反应(fǎnyìng)45％55％10氢与20氢氯代反应的相对活性：

=

45/6

:

55/2

=

1

:

3.7精品资料53

三种氢氯代反应(fǎnyìng)的相对活性：伯氢：仲氢：叔氢=1：3.7：5.164％36％精品资料54⑵、溴代反应(fǎnyìng)3％97％＜1％＞99％三种氢溴代反应(fǎnyìng)的相对活性：伯氢：仲氢：叔氢=1：82：1600精品资料55结论：1、不同类型(lèixíng)的氢反应活性不同。2、氯代反应的活性大于溴代反应的活性。3、溴代反应的选择性大于氯代反应的选择性。反应式：宏观(hóngguān)给出现象。反应历程：微观揭示本性。如何解释这些事实？精品资料56第七节烷烃卤代反应(fǎnyìng)的历程一．反应历程简介1、什么叫反应历程？反应历程又叫反应机理或反应机制，是指反应物经过化学反应转变成产物所经历的全部过程。2、反应历程是理论(lǐlùn)上的假设反应历程是根据能够观察到的实验事实进行推理而提出的理论(lǐlùn)上的假说（化学反应是在10-12～10-14秒内完成，目前还无法直接观察）。3、研究反应历程的目的揭示反应的本质,掌握反应的规律,从而达到控制反应和利用反应的目的。精品资料571．基本假定过渡态理论认为：化学反应不仅仅是通过分子之间的简单碰撞就完成的，从反应物到产物是个逐渐(zhújiàn)变化的连续过程，在反应中反应物分子相互接近形成活化络合物[即过渡态]，然后再以一定的速度形成产物。二．过渡态理论(lǐlùn)精品资料582、反应能量(néngliàng)进程图精品资料59反应能量进程(jìnchéng)图的含义：1、曲线上的每一点都对应着一种反应(fǎnyìng)的状态和这种状态所具有的能量。2、a点：反应物；c点：产物；b点：过渡态。3、b点与a点的高度之差E活：是反应的活化能。b点与c点的高度之差E’：是逆反应的活化能。4、b点与c点的高度之差△H：为反应热。△H为负值：反应放热。△H为正值：反应吸热。精品资料60(1)、CH4与Cl2室温(shìwēn)时在暗处不发生反应;甲烷的氯代反应有如下(rúxià)事实需要解释：(2)、在暗处温度高于250℃或室温下进行光照可以发生反应;(3)、光照下反应时,体系每吸收一个光子,就可以产生一万多个氯甲烷分子;(4)、若有O2存在时,就会延缓反应的发生。三、甲烷氯代反应的历程精品资料61每个氯自由基可循环(xúnhuán)碰撞五千多次.链引发：链增长：链终止：自由基：具有单个未成对电子(diànzǐ)的原子或基团叫自由基。1、甲烷氯代反应的历程(自由基取代反应历程）精品资料62有氧存在延缓(yánhuǎn)反应发生的原因:反应生成(shēnɡchénɡ)的甲基过氧自由基活性低,可以减慢或终止自由基反应,此类物质称为自由基抑制剂。活泼不活泼活泼不活泼精品资料63甲烷(jiǎwán)氯代反应的能量进程图精品资料641、在多步骤反应中，反应分多少步进行(jìnxíng)能量进程图上就有多少个峰。2、两峰之间的谷点表示(biǎoshì)反应活性中间体。3、活化能最高的那步反应决定着整个反应的速率。精品资料65利用(lìyòng)键能计算反应热:H=∑反－∑产键能：435.1242.5351.5431H

=（435.1+242.5）－（351.5+431）677.6782.5=－104.9KJ/mol（反应(fǎnyìng)放热）精品资料66四、卤代反应(fǎnyìng)的取向与反应(fǎnyìng)的相对活性取向(qǔxiànɡ):是比较同一分子中，不同位置上的原子或基团对同一试剂的反应活性。相对反应活性：是比较同一化合物对不同试剂，或不同化合物对同一试剂的反应活性。精品资料671.卤素对甲烷的相对(xiāngduì)反应活性：F»Cl﹥Br»IE活(KJ/mol)+4.2+16.7+75.3>+138精品资料68(1)、A步骤显示不是决定反应速率的步骤。(2)、C步骤对四种卤素都是放热且Cl.Br.I的H比较接近。看来也不是造成相对反应活性差别的原因。(3)、B步骤H差别较大从F化的强烈放