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有机化学 第2章.ppt

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18-1,,第2章 烷烃,2. 烷烃的异构,4. 烷烃的命名,1. 烷烃的定义,,,,3、碳、氢的类型,,18-2,,5. 烷烃的构象,6. 烷烃的物理性质及其规律,7、烷烃的化学性质,,,,,,只含C、H的化合物叫碳氢化合物,简称烃。,C只以σ-键相连的烃叫烷烃(饱和烃),烷烃的通式为:,或 H (CH2)n H,CnH2n+2,1. 烷烃的定义,,18-3,,分子中原子相互连接的方式和次序叫,2.1 同分异构,分子式相同,而结构相异的化合物。如:,CH3CH2-OH CH3-O-CH3,2.2 结构异构(构造异构),在同分异构体中,由于个原子的不同连接次序而引起的异构叫构造异构。,2. 烷烃的异构,构造(Constitution),或结构(Strructure),,18-4,,一般异构有下列内容:,异 构,构造异构 (原子连接次序不同),立体异构 (原子空间延伸方向不同),构型异构,构象异构,对映(旋光)异构,,,,18-5,,3、碳、氢的类型,在烃分子中的碳原子按照与其它碳原子相连的数目分为:,伯碳(白色),仲碳(黄色),叔碳(粉红),季碳(红色),分别记为1o、2o、3o、4o,相应的与这些碳原子相连的氢也分别称为:,,,,CH3,CH3- - H2- H- H2- H2-CH3,C,C,C,C,CH3,CH3,C,,伯氢、仲氢、叔氢。,18-6,,烷烃异构体的数目随C的增加而迅速增加。,C的数目 1 2 3 4 5 10 20,异构体数目 1 1 1 2 3 75 366319,4.1 习惯命名法(俗名或普通命名),因而命名成为重要内容,有下列几种方法:,4.2 衍生命名法,4.3 系统命名法,,4. 烷烃的命名,,,,18-7,,4.1 习惯命名法,以甲、乙、丙…等表示碳原子的数目,后面加一“烷”字。,此方法简洁明快,但只适用于简单的或个别化合物。,,,,,CH3CH2CH2CH3,CH3,正戊烷,新戊烷,异戊烷,正丁烷,异丁烷,CH3CHCH3,CH3CH2CH2CH2CH3,CH3CHCH2CH3,CH3-C-CH3,CH3,CH3,CH3,,18-8,,4.2 衍生命名法,以甲烷为母体,其它为取代基。,此方法适用于结构复杂的化合物。,,,,,,,C-CH2CH3,CH3-C-CH3,CH3,CH3,甲基乙基叔丁基苯基甲烷,,18-9,,4.3 系统命名法,这是我国于1979年在IUPAC的基础上,根据我国文字特点制定的系统命名规则。,4.3.1 直链烷烃的命名,4.3.2 支链烷烃的命名,4.3.3 取代基(侧链)的命名,,,,,18-10,,4.3.1 直链烷烃的命名,1)10个C以下的烷烃用甲、乙、丙…壬、癸等10大天干表示。,如庚烷。,2)10个C以上的烷烃用十一、十二、…等汉字表示。,如十四烷,辛烷,壬烷,,十八烷,18-11,,4.3.2、支链烷烃的命名,1)选最长的碳链为主链,作为母体,命名为“某”烷。,如果最长碳链有不止一种,则选取代基最多的一条为主链。,C-C-C-C-C-C-C,,C-C-C-C-C-C-C,最终命名为癸烷,C-C-C-C-C-C-C-C-C-C,,C-C-C-C-C-C-C,C,,2)将主链从最靠近取代基的一端用1、2、3…编号,,C-C-C-C-C-C-C-C-C-C,,C-C,,C,1,2,3,5,7,8,10,18-12,,如果两端距取代基一样远近时,选取代基位次和最小 的一种方式。,C-C-C-C-C-C-C-C-C-C,,C-C,,1,2,3,4,6,8,10,C,,C,3)命名时将取代基的位次和名称写在主链名称之前,,取代基的位次和名称之间用“-”隔开,取代基之间也要用“,”隔开。,C-C-C-C-C-C-C-C-C-C,,C-C,,C,1,2,3,5,7,8,10,癸烷,2-甲基,-8-乙基,18-13,,4)相同取代基可以合并,位次仍要用阿拉伯数字表示,,相互之间要用“,”隔开,并在名称前用汉字表明取代 基的数目。,C-C-C-C-C-C-C-C-C-C,,C-C,,1,2,4,6,8,10,C,,C,,C,癸烷,3,3,8-三甲基,-4-乙基,5)不同的取代基在命名时,简单的在前、复杂的在后。,C-C-C-C-C-C-C-C-C-C,,C-C,1,2,4,6,8,10,C,,癸烷,-3-乙基,6-甲基,18-14,,,,,,如根据上述规则命名下列化合物:,2,5-二甲基-3-乙基-4-丙基庚烷,CH3-CH2-CH—CH-CH2-CH2-CH3,CH-CH2-CH3,CH3-CH,CH3,CH3,CH-CH2-CH3,CH—CH,CH3,CH,,18-15,,CH3,CH3CH2CH2CH2CH3,CH3CH2CHCH3,,CH3-C-CH3,CH3,,CH3,,结构异构,它们的通式都是:,CnH2n+2,,18-16,,4.3.3 取代基(侧链)的命名,复杂的取代基要用上述规则将其命名。,简单的取代基有专用名称。,CH3CH2CH2CH2,CH3,,,正丁基,仲丁基,异丁基,叔丁基,CH3CH2CHCH3,,CH3CHCH2,,CH3,,CH3-C-CH3,,n-丁基,s-丁基,i-丁基,t-丁基,18-17,,CH3CH2CH2,,正丙基,CH3,,CH3CH,,异丙基,CH3CH=CH,,丙烯基,CH2CH=CH2,,烯丙基,,18-18,,由于σ-键的自由旋转,引起分子中各原子在空间不同的排布方式,,叫构象异构(Conformation),5.1、乙烷的构象,5.2、丁烷的构象,,,,5. 烷烃的构象,16-3,,1、乙烷的构象,,16-4,,说 明:,①纽曼投影式表达比较方便,因而经常使用。,②乙烷的重叠式和交叉式的位垒相差12KJ/mol,,分子在室温下的热运动就可以翻转此位垒,,因而分子不能确定在某种状态下。,,16-6,,2、丁烷的构象,丁烷的构象在室温下主要以反叉式和顺叉式存在。,前者为63%、后者为37%。,一般的直链烷烃以锯齿状存在。,,,,16-7,,在室温和一个大气压下,1-4个C的直链烷烃为气体,,如沼气、液化气。,5-17个C的直链烷烃为液体,,如汽油、柴油、机油。,18个C以上的直链烷烃为固体,,如石蜡。,6. 烷烃的物理性质及其规律,16-10,,1、沸 点,,,,,结构,极性,分子量,范德华力,分子间力,影响沸 点的主要因素,,,因而,1)分子量增大,沸点升高。,2)分子的极性越大,沸点越高。,3)同碳原子数的异构体中,支链越多沸点越低。,16-11,,2、熔 点,,,,,结构,极性,分子量,范德华力,分子间力,影响熔 点的主要因素,,,分子的对称性(规整性),因而,1)分子量增大,分子的极性越大,熔点升高。,2)分子的对称性与越大,熔点越高。,3)偶数c比相邻奇数c的熔点升高幅度大,因而随着c数的增加熔点成锯齿状,且这种差距随着c数的增加而缩小。,,16-12,,例如:,CH3CH2CH2CH2CH3,CH3,,CH3CHCH2CH3,CH3-C-CH3,CH3,,CH3,,7.5℃,沸点,36.1℃,27.9℃,-16.8℃,熔点,-129.8℃,-159.9℃,烷烃的熔、沸点规则具有普遍意义,对其他类型的有机化合物也基本适应,,16-14,,3、烷烃的比重,烷烃的比重都小于1,随着分子量的增加,最后接近于0.8左右。,4、溶解性,烷烃几乎不溶于水,而溶于CCI4、乙醚等有机溶剂。符合相似相溶规则。,16-16,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,4,5,6,7,8,碳原子数,,,,,,,,熔点,,16-13,,,,,,纽曼投影式的正确表达:,H,H,H,,,,H,H,H,重叠式,,,,,H,H,H,,,,H,H,H,交叉式,,16-5,,直链烷烃的稳定结构:,,C,,,C,,C,,C,,C,,C,,,,H,H,H,,,H,H,,,H,H,,,H,H,,,H,H,,,H,H,H,C,,C,C,,C,16-9,,正丁烷各种构象的稳定性比较:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,00,600,1200,1800,2400,3000,3600,,16-8,,试判断下列化合物熔、沸点的高低:,CH3CH2CH2CH2CH2CH3,CH3CH2CHCH2CH3,CH3,,CH3-CH-CH-CH3,CH3,,CH3,,熔 点℃,沸 点℃,CH3-C-CH2-CH3,CH3,,CH3,,68.7,63.3,58.0,49.7,-95,-118,-128,-100,,16-15,,,,,,7.1 烷烃的氧化反应,7.2 烷烃的异构化反应,7.3 烷烃的裂化反应,7.4 烷烃的取代反应(卤代反应),7.5 烷烃的卤代反应的历程,,烷烃全部由C-H、C-C的σ键组成,性质比较稳定,,在通常状态下不与强酸、强碱、强氧化剂反应。,但在高温、高压、光照、催化剂等的作用下,仍能发生反应。,7、烷烃的化学性质:,18-2,,,,,,,,,,,(3n+1),2,,氧化分为:,部分氧化,全部氧化(燃烧),4C+5H2+O2,正丁烷,∆Hf,∆Hc,异丁烷,能量,4CO2 + 5H2O,反应为:,CnH2n+2 + O2 = nCO2 + (n+1)H2O,,,7.1. 烷烃的氧化反应,18-3,,1)直链烷烃每增加一个CH2,燃烧热平均增加659KJ。,2)在同碳原子异构体中,支链越多,生成热越大(燃烧热越小),烷烃就越稳定.,说 明,,18-4,,7.2、异构化反应,CH3,,CH3CHCH3,,,由一个化合物转变为其异构体的反应叫异构化反应,AlBr3,HBr,27℃,异构化反应使烷烃的支化度提高,稳定性增加。此反应经常用于提高汽油的品质(即辛烷值)。,20%,CH3CH2CH2CH3,80%,,18-5,,使烷烃分子发生裂解的过程叫裂化,,可分为:,热 裂 化,5MPa,500-600℃,,产物为轻油,催化裂化,常压,450-500℃,,产物为优质轻油、乙烯、丙烯、丁烯等,视催化剂而定。,裂 解,温度大于700℃,,产物为乙烯、丙烯等。,裂化使重油变为轻油,且提高了油的品质,是石油工业的 重要反应。,7.3. 烷烃的裂化反应,18-6,,裂化反应是一个复杂过程,产物也很复杂。,但不外是烷烃分子中的C-C键,C-H建的断裂。,裂化反应中σ键是均裂,产生自由基中间体,,反应如下:,,,,,,,,H•,CH3CH2CH2CH3,CH3CH2CH2CH2•,………………,CH3CH2CHCH3,,CH3•,CH3CH2CH2•,CH3CH2•,H2,CH4,CH3CH3,CH3CH2CH3,C6H14,C8H18,CH2=CH2,18-7,,尽管键断裂没有确定的地方,但总是较弱的键断裂是主要的。,一般规律是:,1)自由基的稳定性:,叔仲伯甲基,2)C-H键能的大小:,伯仲叔,中间体越稳定,反应越快,C-H键能越小,反应活性越高,,,,18-8,,R•,CH3CH2CH2CH2•,CH3CH2CH•,CH3,,CH3-C •,CH3,,CH3,,∆HΘf (KJ/mol),67.0,37.7,54.4,∆Ea,,,,,,,,,,,,,CH3CH2CH2CH3,CH3CH2CH2CH2•,CH3CH2CH•,CH3,,中间体越稳定,活化能越小,反应就越快,产物越多。,,能量,反应进程,烷基自由基的稳定性,18-9,,C-H的键能,R-H,CH3-H,CH3CH2,CH3CH,CH3,CH2=CHCH2,H,,,,,H,CH3CCH3,CH3,,,H,H,439.6,397.7,389.4,360.1,410.7,键能 (KJ/mol),可见H的活泼性为:,烯丙基氢 叔氢 仲氢 伯氢,键能越小,越不稳定,反应的活泼性越高。,,18-10,,7.4、取代反应(卤代反应),烷烃中的H被其它元素取代的反应叫取代反应。,被卤素取代的反应叫卤代(或卤化)反应,,被Cl取代的反应叫氯代(化)反应。,(1)甲烷的氯代反应,(2)其它烷烃的氯代反应,(3)烷烃的氟代、溴代、碘代,,,,,18-11,,(1)甲烷的氯代反应,反应如下:,强烈光照,C + HCl,此反应迅猛或爆炸,CH4+Cl2,漫反射,CH3Cl + HCl,CH2Cl2 + HCl,CHCl3 +HCl,CCl4 + HCl,,,,,,,,,,,由于甲烷氯化后使C-H活化,因而产物是混合物,但通过控制配比使某种产物为主要产物。,,18-12,,氯代甲烷中的C-H键能,键 型,CH3-H CH2Cl-H CHCl2-H CCl3-H,439.6 422.2 414.2 400.8,键 能 (KJ/mol),可见随着氯代的增加,C-H键能减小,反应活性提高。,,18-13,,(2)其它烷烃的氯代反应,,,其它烷烃由于H的类型不同,使氯化反应更复杂。,hV,CCl4,CH3CH2CH3 + Cl2,Cl,CH3CH2CH2,+ CH3CHCH3,,Cl,43%,57%,CH3CHCH3 + Cl2,,CH3,,hV,CCl4,CH3CHCH2,,CH3,,Cl,,Cl,+ CH3-C-CH3,,CH3,36%,64%,由此反应进一步说明H的活泼性为叔仲伯,,18-14,,影响反应的主要因素:,X-X(卤素)的键能越小,键越易断裂,越易反应。,X-X的键能顺序:,Cl2 Br2 F2 I2,X的共价半径顺序:,I Br Cl F,结果反应活性为:,F2爆炸 Cl2 Br2 I2不反应,(3)烷烃的氟代、溴代、碘代,,X的半径越小(C-X键能越大),越容易上去,越易反应。,,18-15,,烷烃的卤代反应的历程是自由基取代机理,,以甲烷的氯化为例:,(1)链引发,hνor ∆,Cl2 2Cl•,(2)链传递,CH4 + Cl• CH3• + HCl,CH3• + Cl2 CH3Cl + Cl•,总反应,CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl,,,,,,,7.5. 烷烃的卤代反应的历程,18-17,,(3)链终止,CH3• + Cl• CH3-Cl,CH2 Cl • + Cl• CH2Cl 2,Cl• + Cl• Cl2,,,,,,链终止的过程就是自由基熄灭的过程,是一个复杂的过程。,上述终止叫偶合终止,还有歧化终止、转移终止等多种途径。,18-18,,,如: CH4 + X2 CH3X + HX,X: F Cl Br I,∆HΘf : -427 -103.4 -31 54,,,,18-16,,
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