有机化学饱和烃

山东大学授课教案课程名称有机化学 本次授课内容饱和烃 教学日期2011-9-15授课教师姓名刘嘉丽 授课对象环工、环科10级 授课时数4教材名称及版本有机化学简明教程 授课方式（讲课实验实习设计）本单元或章节的教学目的与要求掌握碳正四面体的概念、SP3杂化和°键。掌握烷烃和环烷烃的命名法和常见烷基的名称。掌握烷烃和环烷烃的化学性质（取代、裂解、氧化及各种氢的相对活泼性）。掌握烷烃卤代的自由基反应历程。掌握烷烃的构象及锯架式、纽曼（Newman）式的写法。理解烷烃的物理性质。理解游离基的稳定性次序。授课内容及学时分配烷烃（3学时）：烷烃碳原子的杂环状态及结构特点。烷烃的构象及其产生原因，乙烷、正丁烷构象分析。0.5学时烷烃的系统命名法和普通命名法。0.5学时烷烃的物理性质。烷烃的卤代反应及其自由基反应机理；了解烷烃的氧化、裂解反应。1学时环烷烃（1学时）：（调整到不饱和烃后面、芳烃一章前面讲）脂环烃的命名及环烷烃的结构环烷烃的大小与稳定性的关系；环己烷的构象。0.5学时环烷烃的化学性质。0.5学时重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）重点：烷烃的系统命名及同分异构现象；烷烃的结构与相应的物理性质如熔点、沸点、溶解度等之间的关系；构象：乙烷的透视式和纽曼投影式的写法及各构象之间的能量关系；环已烷及取代环已烷的优势构象；烷烃卤化的自由基反应机理及各类自由基的相对稳定性。难点：烷烃卤化的自由基反应机理。烷烃和环烷烃的构象。主要外语词Saturatedhydrocarbon,alkane,conformation,radical,molecularformula,structure,nomenclature,chemicalproperties,physicalproperties,boilingpoint,meltingpoint,reactionmechanism,chlorinationInternationalUnionofPureandAppliedChemistry（IUPAC）ChineseChemicalSociety（CCS）辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示教等）采用模型（甲烷、乙烷的结构模型）、多媒体课件和板书相结合的课堂讲授方法。复习思考题作业：P29,3,4,5,7,8,9参考教材（资料）《基础有机化学》邢其毅第2章 饱和炷（SaturatedHydrocarbon）分子中含有C、H两种元素，C和C之间以单键连接，其余的价键被H饱和，这种化合物称烷烃，也叫饱和烃，通CnH2n+2.复习：中学知识，烷烃的同系列和同分异构第1节烷炷（Alkane）§1烷炷的结构及乙烷的构象Structuralalkaneandconformationinethane1.1烷炷的结构（structuralofalkane）如甲烷分子为正四面体构型，碳原子位于正四面体构的中心，四个氢原子在四面体的四个顶点上，四个C-H键长都为0.109nm，所有键角ZH-C-H都是109.5°。H/\ h/0.109nm./" 109.5）厂H^hf甲烷的正四面体构型只有C-C键和C-H键，甲烷是烷烃中最简单的（见课件）。每个C原子为SP3杂化，形成的键叫。一键，其特征：电子云沿键轴方向口头碰头口发生轨道重叠形成的键，重叠程度高，键结合牢固；两个成键原子可以围绕键轴自由旋转（产生构象）。表1 C-C键和C-H键的键参数C-CC-H键长0.154nm0.109nm键角109.5°109.5°键能347KJ/mol413KJ/mol极性00.4D1.2乙烷的构象（conformationinethane）（见课件）①定义：conformation---即结构的形象。是由于O键的自由旋转，产生了分子中的原子在空间的不同排列形式。如乙烷的构象有无数个（展示模型），只讨论极限形式：完全交叉式和完全重叠式。

重卷式构象 交叉式构象重卷式构象 交叉式构象②表示式：构象通常用透视式或纽曼(Newman)投影式表示型示意图透视式 纽曼(Newman)投影式③③④优势构象：室温条件下在所有构象中由主要地位的构象，即完全交叉式。原因：原子间的斥力小，能量最低。重叠式比交叉式的能垒(扭转能)高12.5KJ/mol，如图2-6所示。单键旋转的能垒一般为12〜42kJ/mol。室温时分子热运动产生的能量约80kJ/mol，因此在室温条件下，乙烷分中的C-C键能迅速的旋转，产生无数构象，不能分离出乙烷的某一构象。问题：丙烷，丁烷，1，2-二氯乙烷及其他烷烃的构象。全重叠式全重叠式§2烷炷的命名（nomenclatureofalkane）1两个基本概念①伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子的概念在烃分之中仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子（或一级碳原子，用1°表示）与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2°表示）与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（或三级碳原子，用3°表示）与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4°表示）例如:1°CH3例如:1°CH3-'f—CH2—CH-CH3CH3 CH3与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子。不同类型的碳和氢原子的反应性能有一定的差别。②.基（Radical）的概念从烷烃分子中去掉一个H，剩下的部分叫做基，用R-表示，同式为CnH2n+1。举例：甲基CH3-；乙基C2H5-；丙基：正丙基CH3CH2CH2-，异丙基（CH3）2CH一；丁基：正丁基CH3（CH2）2CH2-，异丁基（CH3）2CHCH2-，仲丁基CH3CHCH2CH3，叔丁基（CH3）3C-。 12烷炷的习惯命名适合于简单化合物（五个碳以下）的命名。甲、乙、丙、丁、戊。举例：CHiC—(CUCHYHeCH/'H]CM,c-ch4ch.CFL正戊烷异戊烷新戊烷2.3衍生物命名把所有的烷烃看作是甲烷的衍生物，只适于简单化合物的命名。举例:（.1h CH；（'HCH:—CH,CH；"CHCIL-Cfl. （J1,（共':甲芯乙其甲烷 一［甲基乙基异丙基甲烷2.4系统命名法IUPAC命名法（InternationalUnionofPureandAppliedChemistry国际纯化学与应用化学联合会）。根据这个英文命名法结合中文特点，规定了中文的命名原则，称为CCS命名法（ChineseChemicalSociety中国化学会）：1.对直链烃，用天十法命名。（thenameofsomestraightchainalkanes）表2简单烷烃的英文名称MolecularFormulaChineseNameEnglishNameMolecularFormulaChineseNameEnglishNameCH 4 甲烷methaneCH壬烷nonaneCH乙烷ethane9 20癸烷decane26CH丙烷propane1U22C11H4十一烷undecane3 8CH ^^0 丁烷butaneXH^ 十二烷clodecaneCH——5―12 戊烷pentaneXH^ 十六烷hexadecaneCH己烷hexaneXH^ 十八烷octadecaneCH"庚烷heptaneC20H『二十烷icosaneCH ^^8 辛烷octane818 2.对支链烷烃，有以下三个原则:选主链：选含支链(取代基)最多的最长碳链作母体。编号码：从靠近支链的一端开始编号；位次相同时，遵守“最低系列(最先碰面)”编号方法。写名称：先写取代基，后写母体；要标明取代基的位次(小写)和数目(大写)；表示位置的数字间要用逗号隔开，位次和取代基名称之间要用“半字线”隔开。相同的取代基合并起来写；不同取代基先小后大；复杂取代基另编一套号码。烷炷的命名归纳为十六个字：最长碳链，最小定位，同基合并，由简到繁。举例：(见课件)§3烷炷的物理性质(physicalproperties)3.1状态(state)在室温下，C1-C4的烷烃是气体(gas)，C5-C16的烷烃是液体(liquid)，C17和C17以上的烷烃是固体(solid)。3.2物理常数(physicalconstant)沸点(boilingpoint):直链C原子数增加，沸点升高。C原子数相同，支链越多，沸点越高；C原子数相同，支链数目相同，对称性好，沸点越高。熔点(meltingpoint)：直链C原子数增加，熔点升高。偶数C比相邻两个奇数C熔点高；C原子数相同，支链越多，熔点越低，对称性好，熔点越高。密度(specificgravity):直链烷烃的相对密度也是随碳原子数的增加而增大，但都小于1，即比水轻(约0.6—0.8)。另外还有折光率；旋光度；偶极矩等物理常数。3.3溶解度(solubility)烷烃不溶于水。3.4毒性(toxicity)§4烷炷的化学性质(chemicalproperties)(复习)有机化学反应分为两类：均裂和异裂。均裂：A:B-A•+B•生成自由基(有自由基生成和参加的反应叫自由基反应或游离基反应，约占总反应的10%。异裂：A:B-A++B-生成离子(有离子生成和参加的反应叫离子型反应，这类反应占总反应的90%以上)烷烃中的C-C，C-H键都是a键，结合牢固，常温下化学性质稳定，主要用作溶剂。在一定的T、P、Cat.条件下，可与一些化学试剂发生化学反应。由于C-C，C-H键的极性很小，主要发生均裂，是自由基反应。1取代反应(substitutionreaction)烷烃分子中的H被其他原子或基团取代的反应叫取代反应。

1.卤代反应(chlorination)反应通式(reactionequation)R-H+X2一R-X+H-X (工业制备卤代烷的方法)举例：2在紫外光漫射或高温下，甲烷易与氯、漠发生反应。CH4+Cl2漫射光，CH3Cl+HCl反应难以停留在一卤代阶段，要继续卤代，通常得到四种产物的混合物，在工业上作溶剂使用。CH,C1+CbCH2CI:b('b4■光a +HCICH,C1+CbCH2CI:b('b卜书。氯甲烷或凌%广+Hc,三氯甲烷[r*-CHG,tCl"户〔.CL寸HTI-或W-500Vf若控制一定的反应条件和原料的用量比神，可得其中一种氯代烷为主要的产物。如甲烷:氯气=10:1(450°C时)CH3Cl占98%；为1:4(400°C时)主要为CC"。2.反应历程(reactionmechanism)反应历程又叫反应机理，或反应机制，是指化学反应所经过的途径或过程。了解反应历程，或以更好的理解化学反应，掌握反应规律，从而举一反三.控制新的反应。问题：有乙烷副产物？卤代的历程是自由基历程，分为三步：链的引发(chain-initiation) 生成活泼的自由基链的增长(chain-propagation) 最重要的一步O+CH「一HC1+CIL•CH+CL•-一CICHj+Cl•-+CH.C]- ，(HCl、:凡cl+(：ci-1CHX-bH-*•CHCL-C--CHCL卜CiCl・+CH(*--里ca+Cl<链的终止(chain-termination)('1・IC1-—CbCl*TH,••TH.J’l

自由基历程总结：三个条件（光照、高温、过氧化物）三步进行（引发、传递、终止）；产物是混合物。反应活性（reactionactive） 新问题两个实验事实：+CH3-CH-CH3ClCH%3%—CH—CH2P异丁基氯64%即仲氢与伯氢的相对活性为4:即叔氢的反应活性为伯氢的5+CH3-CH-CH3ClCH%3%—CH—CH2P异丁基氯64%即仲氢与伯氢的相对活性为4:即叔氢的反应活性为伯氢的5ClCH3 光 CH3%CH3-CHW+Cl2^5^CH3—C—CH3+250Cl公式：活性之比二产率之比:几率之丁基氯36%TOC\o"1-5"\h\z仲氢的相对活性 57/2 4= 如1伯氢的相对活性 43/6 1O叔氢的相对活性36/1 5.1 — —倍伯氢的相对活性 64/9 1由公式计算出：3°H:2°H:1°H=5:4:1由以上实验事实和计算得出，烷烃发生卤代反应的活性：3°H＞2°H＞1°H卤素的反应活性：F2（爆炸）＞C"（次之）＞Br2（较慢）＞1（易还原）（可从键能来理解：3°C-H的键能：：376.6KJ/mol；2。C-H的键能：393.3KJ/mol；1C-H的键能：405.8KJ/mol）2氧化反应（oxidationreaction）完全氧化：烷烃在空气中燃烧，生成二氧化碳和水，放出热，用作能源（汽车、飞机、内燃机、家用煤气等）。+20,燃燧CQ+2HQ+89kj/niol+写Q磬g+9HQ+5450WmaCIIt部分氧化：控制氧化的条件，或加氧化剂，使其氧化不完全，生成醛、酸等产物，有重要的工业价值。如石蜡加锰盐作催化剂，得到高级脂肪酸，代替动物油做肥皂。5"i（＞ 其他有机物+CUICO4H.01《一CI%一（H—R、Q R'COOH[…It）/■■II4.3异构化反应也是自由基历程，受热力学控制，较复杂:ch~ch2—chch~ch2—ch2—cn5CH,CH?—CH—CHj4.4裂化和裂解反应在高温及没有氧气的条件下使烷烃分子中的C-C键和C-H键发生断裂的反应称为热裂反应。裂化（裂解）反应分热裂化（隔绝空气加高温）和催化裂化，深度裂化（裂解）温度达800〜1100°C，主要是得到基本化工原料（乙烯，丙烯，丁二烯，乙快）催化裂化是加入一定的催化剂，温度400〜500C，主要是提高汽油的产量和质量（生产高辛烷值的汽油）。⑴⑴%土即叫小(2)⑴⑴%土即叫小(2)HHCH3-CH=CH2+H2丙烯CH4+CH2=CH2乙烯烷炷总结:1、 基本概念：。键的特征；乙烷的构象；反应历程；自由基反应2、 重点是烷烃的命名、烷烃的化学性质（卤化反应）3、 了解构象产生的原因和表达方式4、 了解烷烃的物理性质作业：P29，3,4,5,7,8,9第2节环烷炷（Cycloalkane）环烃是由C、H两种元素组成的环状化合物。分为脂环烃和芳香烃两类。环状饱和烃称为环烷烃，通式CnH2n。自然界中的脂环烃多为五元或六元环。分类通常按环的大小分为三、四元（小环）、五、六元（稳定环X七、八元（中环）、十元以上的大环。§1环烷炷的命名(nomenclatureofcycloalkane)与开链烃的命名原则相同，在母体前加词头“环”字。单环烷烃去掉个H原子剩余的部分成为环烷基。例：1-甲基3-异丙基环己烷1-甲基3-异丙基环己烷 叫厂丫cHch3 己uU乂1,3-=甲基环戊烷异丙基环己烷 1,4-=甲基-4-乙基环己烷§2环烷炷的结构（structuralofcycloalkane）2.1环的大小与稳定性环丙烷：三个C原子在一个平面上，三角形的60°和SP3杂化的109.5。不符。1885年A.VonBaeyer提出了“张力学说"。角度的不同引起了分子的张力，力图恢复正常键角，这种力称做角张力，这样的环叫做“张力环”。为了减小张力，张力环有生成更稳定的开链化合物的倾向。所以环丙烷不稳定。另一种解释：“香蕉键”的概念，因为实测键角105.5°，设想类似口-键。测键能230，比正常347小，活泼，易开环加成。环丁烷：实测键角111°，比90°和109.5。都大，已经证明四个C原子不在一个平面上，是蝴蝶式结构。环戊烷：实测键角接近109.5°，而不是108°，五个C原子不在一个平面上，是信封式和扭曲式结构。环己烷：最稳定，六个C原子不在一个平面上，实测键角109.5°，与开