第二章烷烃教案.docx

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第二章烷烃教案

第二章烷烃

一．学习目的和要求：

1．掌握烷烃的同系列、同分异构和构造异构。

2．掌握烷烃的命名法、常见基团的名称。

3．掌握烷烃的结构，包括碳正四面体的概念、sp3杂化和σ键。

4．掌握烷烃的构象及构象的表示方法。

5．掌握烷烃的物理性质。

6．掌握烷烃的化学性质（稳定性、裂解、氧化及取代反应、各种氢的相对活泼性）。

7．掌握烷烃光卤代反应历程。

8．掌握甲烷氯代反应过程中的能量变化，包括过渡态理论、反应热、活化能。

9．掌握一般烷烃的卤代反应历程。

10.了解烷烃的来源。

二．本章节重点、难点

烷烃的同系列、同分异构和构造异构、烷烃的命名法、烷烃的结构、烷烃的构象及构象的表示方法、烷烃的物理性质、烷烃的化学性质、烃光卤代反应历程、甲浣氯代反应过程中的能量变化。

三．教学内容

分子中只有C、H两种元素的有机化合物叫做烃，烃可以分为以下几类：

烷烃

开链烃（脂肪烃）烯烃、二烯烃

烃炔烃

环状烃（脂环烃）脂环烃

芳香烃

烷烃是分之中的碳除以碳碳单键相连外，碳的其他价键都为氢原子所饱和的烃叫做烷烃，也叫做饱和烃。

2．1烷烃的同系列及同分异构现象

2.1.1烷烃的同系列

最简单的烷烃是甲烷，依次为乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，它们的分子式、构造式分别为：

分子式构造式构造简式

甲烷CH4CH4

乙烷C2H6CH3CH3

丙烷C3H8CH3CH2CH3

丁烷C4H10CH3CH2CH2CH3

从上述结构式可以看出，链状烷烃的组成都是相差一个或几个CH2（亚甲基）而连成碳链，碳链的两端各连一个氢原子。

所以烷烃的通式为CnH2n+2。

这种结构和化学性质相似，组成上相差一个或多个CH2的一系列化合物称为同系列。

同系列中的化合物互称为同系物。

由于同系列中同系物的结构和性质相似，其物理性质也随着分之中碳原子数目的增加而呈规律性变化，所以掌握了同系列中几个典型的有代表性的成员的化学性质，就可推知同系列中其他成员的一般化学性质。

在应用同系列概念时，除了注意同系物的共性外，还要注意它们的个性，要根据分子结构上的差异来理解性质上的异同。

2.2.2烷烃的同分异构现象

1．同分异构现象

甲、乙、丙烷只有一种结构，无同分异构现象，从丁烷开始有同分异构现象，同分异构体可以通过主链延长法和主链缩短法推导出来，下面通过主链延长法导出丁烷的所有同分异构体：

正丁烷

（沸点-0.5℃）

异丁烷

（沸点-10.2）

由两种丁烷两各异构体通过主链延长法导出三种戊烷的同分异构体：

上述这种分子式相同而构造式不同的化合物称为同分异构体，这种现象称为构造异构现象。

构造异构现象是有机化学中普遍存在的异构现象的一种，这种异构是由于碳链的构造不同而形成的，故又称为碳链异构，随着碳原子数目的增多，异构体的数目也增多。

2．3．3伯、仲、叔、季碳原子

在烃分之中，按照碳原子与所边碳原子的不同，可分为四类：

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：

与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子，不同类型的氢原子的反应性能有一定的差别。

2.2烷烃的命名

烷烃常用的命名法有普通命名法和系统命名法

2.2.1普通命名法

根据分子中碳原子数的多少目称为“某烷”，碳原子数十个以内的依次用天干字甲、乙、丙、丁、戊……癸表示；十以上的用汉字数字表示碳原子数，用正、异、新表示同分异构体。

例如：

正戊烷异戊烷新戊烷

“正”：

指直链的烷烃。

“异”：

指链端第二个碳原子连有一个甲基支链的烷烃。

“新”：

指链端第二个碳原子连有四个甲基支链的烷烃。

普通命名法简单、方便，但只能适用（适用范围）于构造比较简单的烷烃。

对于比较复杂的烷烃必须使用系统命名法。

系统命名法涉及烷基的名称，现就常见的烷基介绍如下：

2.2.2烷基

烷基是烷烃分之中去掉一个氢原子而剩下的原子团称为烷基。

烷基名称通常符号

CH3-甲基Me

CH3CH2-乙基Et

CH3CH2CH2-丙基n-Pr

CH3CH-异丙基i-Pr

CH3

CH3CH2CH2CH2-正丁基n-Bu

CH3CHCH2-异丁基i-Bu

CH3

CH3CH2CH-仲丁基s-Bu

CH3

CH3

CH3C叔丁基t-Bu

CH3

烷基的通式为CnH2n+1，通常用R表示，此外还有“亚”某基，“次”某基，如：

亚甲基为CH2，次甲基为CH。

2.2.3系统命名法（IUPAC命名法）

目前有机化合物最常用的命名法是国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）制定的有机化合物的系统命名方法，我国现用系统合名法是根据IUPAC规定的原则，再结合我国汉字的特点而制定的。

烷烃系统命名法规则如下：

（1）选择主链：

选择含碳原子数目最多的碳链作为主链，支链作为取代基，分之中有两条以上等长碳链时，则选择支链多的一条为主链。

例如：

（2）碳原子的编号：

1）从最接近取代基的一端开始，将主链碳原子用1、2、3……编号

2）从碳链任何一端开始，第一个支链的位置都相同时，则从较简单的一端开始编号。

例如：

1234567编号正确

CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH3

7CH3CH2-CH31编号错误

3）若第一个支链的位置相同，则依次比较第二、第三个支链的位置，以取代基的系列编号最小（最低系列原则）为原则。

12345678编号正确

例如：

CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH-CH3

8CH3CH3CH31编号错误

（3）烷烃的名称

1）将支链（取代基）写在主链名称的前面

2）取代基按“次序规则”，位置优先的基团优先放在最后写出。

烷基的大小次序：

甲基<乙基<丙基<丁基<戊基<己基<异戊基<异丁基<异丙基。

3）相同基团合并写出，位置用阿拉伯数字（例：

2，3……等）标出,取代基数目用中文数字（例：

二,三……等）标出。

4）表示位置的数字间要用“，”隔开，位次和取代基名称之间要用“—”隔开。

例如：

CH3CH—CHCH2—CH—CH2CH3

CH3CH3CH2—CH（CH3）2

2,3,7,-三甲基-5-乙基辛烷

2.2.4衍生物命名法（补充）

衍生物命名法是将所有的烷烃看成甲烷的烷基衍生物。

命名时一般选择最多的碳原子（级数最大的）作为母体甲烷的碳原子，烷基由小到大排列。

例：

2.3烷烃的结构

2.3.1碳原子的四面体构型

构型是指具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况，烷烃分之中碳原子为正四面体构型。

甲烷分之中，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，所有建角∠H-C-H都是109.5º，甲烷的正四面体构型如下图所示。

2.3.2碳原子的SP3杂化

碳原子的基态电子排布是（1s2、2s2、2px1、2py1、2pz），按未成键电子的数目，碳原子应是二价的，但在烷烃分子中碳原子确是四价的，且四个价键是完全相同的。

这是因为，在有机物分子中碳原子都是以杂化轨道参与成键的，在烷烃分子中碳原子是以SP3杂化轨道成键的，具体过程如下：

杂化后形成四个能量相等的轨道称为SP3杂化轨道，这种杂化方式称为SP3杂化，每一个SP3杂化轨道都含有1/4S成分和3/4P成分。

四个SP3轨道对称的分布在碳原子的四周，对称轴之间的夹角为109.5º,这样可使价电子尽可能彼此离得最远,相互间的斥力最小,有利于成键。

SP3轨道有方向性，图形为一头大，一头小，示意图如下：

2.3.3烷烃分子的形成

烷烃分子形成时，碳原子的SP3轨道沿着对称轴的方向分别与碳的SP3轨道或氢的1S轨道相互重叠成σ键。

甲烷的形成示意图如下所示：

H

HC

H

H

象甲烷分子中C与H之间的化学键是σ键，象这种成键电子云沿键轴方向呈圆柱形对称重叠而形成的键叫做σ键。

σ键有如下几个的特点：

（1）电子云沿键轴呈圆柱形对称分布。

（2）可自由旋转而不影响电子云重叠的程度。

（3）结合的较牢固。

其中C-H键,键能415.3KJ/mol；C-C键,键能345.6KJ/mol

2．3.4其它烷烃的构型

1）碳原子都是以SP3杂化轨道与其他原子形成σ键，碳原子都为正四面体结构。

2）C-C键长均为0.154nm,C-H键长为0.109nm,,键角都接近于109.5°。

3）碳链一般是曲折地排布在空间，在晶体时碳链排列整齐，呈锯齿状，在气、液态时呈多种曲折排列形式（因σ键能自由旋转所致）。

例如正已烷的碳链在空间的分布为：

2、4烷烃的构象

构象：

分子通过单键的旋转而引起的分之中各原子在空间的不同排列方式称为构象。

2.4.1乙烷的构象

理论上讲，乙烷分之中碳碳单键的自由旋转可以产生无数种构象，但极限构象只有两种，即交叉式和重叠式。

构象通常用透视式或纽曼（Newman）投影式表示如下：

透视式纽曼（Newman）投影式

交叉式重叠式

交叉式构象为乙烷的优势构象交叉式构象中原子间的斥力小，能量最低。

重叠式比交叉式的能垒（扭转能）高12.5KJ/mol。

单键旋转的能垒一般为12~42KL/mol，在室温时，乙烷分之中的C-C键能迅速的旋转，因此不能分离出乙烷的某一构象。

在低温时，交叉式增加。

（如乙烷在-170℃时，基本上是交叉式）。

如下所示

能量交叉式

旋转角度

重叠式

2.4.2正丁烷的构象

以正丁烷的C2—C3键的旋转来讨论丁烷的构象，固定C2，把C3旋转一圈来看丁烷的构象情况。

在转动时，每次转60°，直到360°复原可得到四种典型构象。

四种典型构象与能量的关系见如下图所示：

能量

旋转角度

对位交叉式邻位交叉式全重叠式部分重叠式

其稳定性次序为：

对位交叉式>邻位交叉式>部分重叠式>全重叠式

相对能垒:

03.3KJ/mol14.6KJ/mol18.4~25.5KJ/mol

室温时,对位交叉式约占70%，邻位交叉式占30%，其他两种极少。

2.5烷烃的物理性质

2.5.1状态

C1~C4的烷烃为气态，C5~C16的烷烃为液态，C17以上的烷烃为固态。

2.5.2沸点

1）着碳原子数的递增，沸点依次升高。

2）原子数相同时，支链越多，沸点越低。

沸点的高低与分子间引力--范德华引力（包括静电引力、诱导力和色散力）有关。

烃的碳原子数目越多，分子间的力就越大。

支链增多时，使分子间的距离增大，分子间的力减弱，因而沸点降低。

直链烷烃的沸点变化规律如下：

沸点

碳原子数

2.5.3熔点

1）碳原子数目增加，熔点升高。

2）分子的对称性越大，熔点越高。

直链烷烃的熔点变化规律如下：

熔点

偶数碳原子

奇数碳原子

碳原子数

2.5.4相对密度（比重）

都小于1，随着分子量的增加而增加，最后接近于0.8（20℃）。

2.5.6溶解度

不溶与水，溶于某些有机溶剂，尤其是烃类中。

2、6烷烃的化学性质

烷烃的化学性质稳定（特别是正烷烃）。

在一般条件下（常温、常压），与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及金属钠等都不起反应，或反应速度极慢。

这是因为在烷烃分子中，共价键都为σ键，键能大，分子中的共价键不易极化。

但在一定条件下（如高温、高压、光照、催化剂），烷烃也能起一些化学反应。

2.6.1氧化

燃烧：

烷烃在空气中燃烧，生成二氧化碳和水，并放出大量的热能。

如：

2.6.2异构化反应

例如正丁烷在三溴化铝和溴化氢作用下，在27摄氏度时，可以发生异构化反应生成异丁烷。

2.6.2裂化反应

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裂化反应。

例如：

2.6.3卤代反应

烷烃的氢原子被卤素取代生成卤代烃的反应称为卤代反应。

通常是指氯代或溴代。

1）甲烷的氯代反应

在紫外光漫射或高温下，甲烷易与氯、溴发生反应。

甲烷的卤代反应较难停留在一取代阶段，氯甲烷还会继续发生氯化反应，生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。

若控制一定的反应条件和原料的用量比，可得其中一种氯代烷为主要的产物。

比如甲烷：

氯气=10：

1（400~450℃时），CH3Cl占98%

甲烷：

氯气=1：

4（400℃时），主要为CCl4

2）其他烷烃的氯代反应

反应条件与甲烷的氯代相同，但产物更为复杂，因氯可取代不同碳原子上的氢，得到各种一氯代或多氯代产物。

例如：

2）伯、仲、叔氢的相对反应活性

分子中，有六个等价伯氢，两个等价仲氢，若氢的活性一样，则两种一氯代烃的产率，理论上为6：

2=3：

1，但实际上为43：

57=1：

1.33，这说明在时温氯代时，各类氢的反应活性是不一样的。

如果定义：

氢的相对活性=产物的数量÷被取代的等价氢的个数。

这样可知：

即仲氢与伯氢的相对活性为4：

1。

异丁烷一氯代时的情况时的产物比例如下：

用公式：

氢的相对活性=产物的数量÷被取代的等价氢的个数，可求得叔氢的相对反应活性：

即叔氢的反应活性为伯氢的5倍。

故室温时三种氢的相对活性为：

3°H：

2°H：

1°H=5：

4：

1。

3）与溴的反应

溴代反应时（光照，127℃），三种氢的相对活性为：

3°H：

2°H：

1°H=1600：

82：

1

例如：

由此可见，溴代反应的选择性好，在有机合成中比氯代更大的应用价值。

2.7烷烃的卤代反应历程

反应历程是化学反应所经历的途径或过程，又称为反应机理。

2.7.1甲烷的氯代历程

实验证明，甲烷的氯代反应为自由基历程，其过程分为三个步骤，如下所示：

从上可以看出，一旦有自由基生成，反应就能连续的进行下去，这样周而复始，反复不断的进行反应，故又称为链锁反应或链式反应。

凡是自由基反应，都是经过链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的。

2.7.2卤素的反应活性

卤素的反应活性：

氟>氯>溴>碘。

2.7.3烷烃卤代反应的相对活性

卤素对甲烷的相对反应活性如下所示：

四种不同卤素对甲烷：

F2Cl2Br2I2

的反应热ΔH：

-422.6-104.9-37.7+54.4kJ/mol

反应活性：

氟>氯>溴>碘

但化学反应要通过底物与试剂的有效碰撞才能发生，为了使反应发生而必须提供的最低限度的能量称为活化能（E活）。

2.7.4烷基自由基的稳定性

烷烃对卤代反应的相对活性与烷基自由基的稳定性有关。

氢的活性次序：

叔氢>仲氢>伯氢

自由基的稳定次序为：

3°>2°>1°>甲基自由基，自由基的稳定性次序可以从从超共轭效应去的大小得到解释

2.8甲烷氯代反应过程中的能量变化（过渡态理论、反应热、活化能）

过渡状态理论认为每一个反应的反应进程分为三个阶段：

始态、过渡态和终态。

即一个反应由反应物到产物的转变过程中，需要经过一个过渡状态，如下反应通式所示：

反应物（始态）

过渡态

产物（终态）

用字母表示则为：

A+B-C

[A…B…C]

A-B+C

过渡态

反应进程中体系能量的变化如下图：

过渡态处在反应进程位能曲线上的最高点，也就是反应所需要克服的能垒，是过渡态与反应物分子基态之间的位能差，称为反应的活化能，用（E活）表示。

由图还可以看出ΔH就是反应热。

活化能是发生一个化学反应所需要的最低限度的能量。

决定反应速度的是E活而不是ΔH，即使反应是放热反应，其反应的发生仍需要一定的活化能。

这可从甲烷的氯代反应中两步反应的能量变化看出。

反应进程-位能曲线图如下：

一个反应的活化能愈高，反应愈难进行,如溴与甲烷进行卤代的活化能（E活F=9.8KJ/mol；；E活Cl=16.7KJ/mol；E活Br=75.3KJ/mol；E活I>138KJ/mol）比与氯反应的活化能高得多,故溴代反应要在127℃、光照下才能发生。

2.9一般烷烃的卤代反应历程

一般烷烃的卤代反应历程都是自由自由取代反应，一旦有自由基生成，反应就能连续的进,都是由链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的。

引发：

X22X·

增长：

RH+X·R·+HX

R·+X2RX+　X·

链终止：

X·+X·X2

X·+R·RX

R·+R·R—R

2.10烷烃的来源

烷烃的来源主要来自石油和天然气。

3.烷烃的制备

3.1偶联反应

Wurtz（武尔兹反应）：

2RX+Na→R—R+2NaX（对称烷烃，伯卤代烷）

武尔兹—菲蒂格反应

RX+ArX+Na→Ar—R

类似武尔兹反应：

RLi+RX→R—RRMgX+RX→R—RR—C=CNa+RX→R—C=C—R

RCuLiR+RX→R—R（无消除产物，能同高支链的仲、叔卤代烷偶合）

Kolbe（科尔贝反应）

RCOONa+H2O—（电解）→R—R+CO2+NaOH+H2↑

3.2还原反应：

（烯、炔的还原）