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1、有机化学烷烃有机化学烷烃第1页，本讲稿共70页第一节第一节 烷烃的同系列及同分异构现象烷烃的同系列及同分异构现象n 一、烷烃的同系列一、烷烃的同系列n烷烃的通式：烷烃的通式：CnH2n+2 同系列同系列（Homologousseries）：）：通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质通式相同，结构相似，化学性质相似，物理性质随碳原子数的增加而有规律变化的化合物系列。随碳原子数的增加而有规律变化的化合物系列。同系物同系物（Homologs）同系列中化合物互为同系物同系列中化合物互为同系物系列差系列差 CH2第2页，本讲稿共70页二、同分异构体二、同分异构体 分子式同，结构不同的化合物分子式同，
2、结构不同的化合物 分子式同，碳干构造不同分子式同，碳干构造不同 碳干异构碳干异构(constitutional isomerism)同分异构体的书写方法同分异构体的书写方法第3页，本讲稿共70页三、结构式的书写三、结构式的书写 n构造简式：第4页，本讲稿共70页碳干式：碳干式：氢省略氢省略 键线式（骨架式）：键线式（骨架式）：端点和拐点为碳原子，氢省略端点和拐点为碳原子，氢省略 第5页，本讲稿共70页四、碳原子和氢原子的种类四、碳原子和氢原子的种类n 伯碳伯碳（一级碳）（一级碳）1（primary)：直接与一个碳原子相连n 仲碳仲碳（二级碳）（二级碳）2(secondary)：直接与二个碳原子
3、相连n 叔碳叔碳（三级碳）（三级碳）3(tertiary)：直接与三个碳原子相连n 季碳季碳（四级碳）（四级碳）4(quaternary)：直接与四个碳原子相连n 与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称伯、仲、伯、仲、叔氢（叔氢（1H、2H、3H）n 第6页，本讲稿共70页第二节第二节 烷烃的命名法烷烃的命名法 n 一、普通命名法一、普通命名法n 二、烷基的命名二、烷基的命名n 三、系统命名法三、系统命名法第7页，本讲稿共70页一、普通命名法 n 1、正、正(normal)某烷某烷 C1C10 天干：甲、乙、天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸 n C10 汉文
4、数字汉文数字n n正己烷（正己烷（n-hexane)nn2、异、异(iso)某烷某烷 碳链一末端带两个甲基。碳链一末端带两个甲基。n (i-hexane)第8页，本讲稿共70页特殊：n 第9页，本讲稿共70页3、新某烷n 含五或六个碳的碳链端第二个碳原子为含五或六个碳的碳链端第二个碳原子为季碳原子的称为季碳原子的称为“新某烷新某烷”n n (neohexane)第10页，本讲稿共70页二、烷基的命名 n一价基：一价基：n 二价基：二价基：三价基：三价基：第11页，本讲稿共70页三、系统命名法三、系统命名法 n1、直链烷烃：、直链烷烃：某烷 2、支链烷烃、支链烷烃（1）选择主链（母体）：选择碳原
5、子数最多的碳链为主链第12页，本讲稿共70页例1、2：给下列有机物选择主链第13页，本讲稿共70页 如果两条碳链的碳原子数相同时，选择含支链较多的碳链为主链。第14页，本讲稿共70页（2）主链碳原子的位次编号n a.从靠近取代基一端顺次编号；从靠近取代基一端顺次编号；第15页，本讲稿共70页b.当有几种编号可能时，选择使取代基具有“最低序列”即使取代基的编号顺次逐项为最小的编号；n例例4：取代基编号：（上）取代基编号：（上）2，6，8 （下）（下）2，4，8（正确编号）（正确编号）第16页，本讲稿共70页（3）名称的书写次序取代基的排列顺序：取代基的排列顺序：小小 前、前、大大 后、后、同同
6、合并合并取代基顺序规则取代基顺序规则IUPAC法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。法按取代基英文名称的第一个字母的次序排列。第17页，本讲稿共70页例例1 例例2例例1：2-甲基己烷甲基己烷 2-methylhexane例例2：3-甲基己烷甲基己烷 3-methylhexane第18页，本讲稿共70页例例3：2，5-二甲基二甲基-3-乙基己烷乙基己烷IUPAC 3-ethyl-2,5-dimethylhexane 第19页，本讲稿共70页例4：2，8-二甲基二甲基-4-乙基壬烷乙基壬烷 4-ethyl-2,8-dimethylnonane注意：取代基和母体名称之间不加短线。注意：取代基和
7、母体名称之间不加短线。第20页，本讲稿共70页学习的线索：n结构结构性质性质用途用途结结构构构造构造分子中原子的分子中原子的排列顺序排列顺序构型构型分子中原子在分子中原子在空间的排列空间的排列状况状况构象构象由于由于单键的旋转单键的旋转，形成分子中各，形成分子中各原子或原子团的原子或原子团的空间排布空间排布。第21页，本讲稿共70页第三节 烷烃的构型 n一、碳原子的四面体概念及分子模型一、碳原子的四面体概念及分子模型n 1、四面体概念、四面体概念 n 以以甲烷甲烷为例为例n CH 键长键长：0.109nmn HCH键角键角：10928n 2、分子模型、分子模型n 凯库勒模型、斯陶特模型凯库勒模
8、型、斯陶特模型n 3、构型、构型(Configuration)：具有一定构造的分子：具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况。中原子在空间的排列状况。第22页，本讲稿共70页二、碳原子的二、碳原子的 sp3 杂化杂化 n 1、碳原子的、碳原子的sp3杂化杂化n 2、sp3杂化轨道特点杂化轨道特点 方向性更强方向性更强4个个SP3轨道等同轨道等同最稳定的排列方式：正四面体最稳定的排列方式：正四面体(4个价键尽可个价键尽可能远离）能远离）第23页，本讲稿共70页三、烷烃分子的形成 甲烷：甲烷：CH4CH键：键：SP3S第24页，本讲稿共70页n甲烷分子的形成第25页，本讲稿共70页乙烷：C2H6n
9、C-C键键 SP3SP3n CH 键键 SP3S 第26页，本讲稿共70页n分子的分子的形成形成第27页，本讲稿共70页四、分子立体结构的表示方法n1、楔型（伞型）透视式及书写、楔型（伞型）透视式及书写n 甲烷：甲烷：甲烷凯库勒模型甲烷凯库勒模型楔型透视式楔型透视式 书写：书写：第28页，本讲稿共70页乙烷：书写：书写：第29页，本讲稿共70页2、锯架（sawhorse formula)透视式及书写 第30页，本讲稿共70页3、纽曼投影式(Newman projection)及书写第31页，本讲稿共70页二、乙烷的构象 n 1、两种极限构象的表达、两种极限构象的表达 重叠式（顺叠式）重叠式（顺
10、叠式）Eclipsed conformation交叉式（反叠式）交叉式（反叠式）Staggered conformation重叠式和交叉式构象的楔型式、锯架式和纽曼式。重叠式和交叉式构象的楔型式、锯架式和纽曼式。前后两个碳上的氢前后两个碳上的氢原子处于交叉位置原子处于交叉位置前后两个碳上的氢前后两个碳上的氢原子处于重叠位置原子处于重叠位置第32页，本讲稿共70页模型模型楔型式楔型式锯架式锯架式纽曼式纽曼式模型模型锯架式锯架式纽曼式纽曼式楔型式楔型式第33页，本讲稿共70页2、两种极限构象的位能变化 n稳定性比较：稳定性比较：n交叉式重叠式交叉式重叠式第34页，本讲稿共70页三、正丁烷的构象围绕
11、围绕C2 C3单键旋转形成各种构象单键旋转形成各种构象第35页，本讲稿共70页1、四种极限构象式的表达对位交叉式（反叠式）对位交叉式（反叠式）部分重叠式（反错式）部分重叠式（反错式）邻位交叉式（顺错式）邻位交叉式（顺错式）全重叠式（顺叠式）全重叠式（顺叠式）第36页，本讲稿共70页2、四种极限构象的位能变化 n稳定性比较：稳定性比较：n对位交叉式邻位交叉式对位交叉式邻位交叉式 部分重叠式部分重叠式 全重叠式全重叠式 n注意：注意：构造、构型、构象和极限构象构造、构型、构象和极限构象n思考：思考：n1.写出丁烷的邻位交叉式（锯架式、楔写出丁烷的邻位交叉式（锯架式、楔型式）型式）n2.总结书写纽曼
12、式、锯架式、楔型式的总结书写纽曼式、锯架式、楔型式的规律规律第37页，本讲稿共70页第五节 烷烃的物理性质 n一、物态一、物态 n规律：规律：二、沸点二、沸点 boiling point规律：规律：三、熔点三、熔点 melting point 规律：规律：随分子量的增加，由气态随分子量的增加，由气态 液态液态 固态固态A.C数增加，沸点数增加，沸点b.p.升高；升高；B.正烷烃正烷烃b.p支链烷烃（同碳数）支链烷烃（同碳数）A.C数增加，熔点数增加，熔点m.p.升高；升高；B.偶数烷烃偶数烷烃m.p奇数烷烃奇数烷烃第38页，本讲稿共70页 四、相对密度 densityn 规律规律:n C数增加
13、，相对密度数增加，相对密度D升高升高五、溶解度五、溶解度 solubilityn 规律规律:n难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃难溶于水，易溶于有机溶剂，尤其是烃类。类。n相似相溶相似相溶第39页，本讲稿共70页第六节 烷烃的化学性质 n一、化学性质稳定一、化学性质稳定 n原因：原因：n（1）CC、CH键的键能大，不易键的键能大，不易破裂；破裂；n 化学键化学键CC CH 键能键能KJ/mol 345.6 415.3（2）CC键矩为键矩为0，CH键矩很小，键矩很小，电子云分布均匀，为非极性分子；电子云分布均匀，为非极性分子；（3）键的断裂：均裂）键的断裂：均裂 第40页，本讲稿共70页二、氧化
14、二、氧化 Oxidation（自由基反应）（自由基反应）n1、燃烧、燃烧 用途：用作燃料（重要能源之一）用途：用作燃料（重要能源之一）当当CH4 O2（空气）（空气）=1 2（10）瓦斯爆炸）瓦斯爆炸 第41页，本讲稿共70页2、控制氧化、控制氧化 R：C20C30 代替动植物油脂制造肥皂代替动植物油脂制造肥皂 生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等生产各种含氧衍生物：醇、醛、酸等第42页，本讲稿共70页三、热裂三、热裂 Pyrolysis（自由基反应）（自由基反应）n1、热裂、热裂：在高温及无氧条件下发生键断裂的分解反：在高温及无氧条件下发生键断裂的分解反应。应。生产燃料和化工原料生产燃料和化工原
15、料 2、催化热裂催化热裂：应用催化剂的热裂反应称催化热裂反应用催化剂的热裂反应称催化热裂反应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率应生产高辛烷值汽油，提高汽油利用率.第43页，本讲稿共70页四、卤代 Helogenation（自由基反应）n1、甲烷的氯代、甲烷的氯代 用途：用途：1）生产氯代甲烷混合溶剂；）生产氯代甲烷混合溶剂；2）控制条件，制备一氯甲烷。）控制条件，制备一氯甲烷。第44页，本讲稿共70页2、甲烷的卤代 卤素的活性：卤素的活性：F2 Cl2 Br2 I2 思考：思考：1）为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？为什么卤代反应不加控制则可得到混合产物？2）反应体系中，有一氯甲烷、未反应
16、完的甲烷，如何反应体系中，有一氯甲烷、未反应完的甲烷，如何分离？分离？第45页，本讲稿共70页 3、C3以上烷烃的卤代以上烷烃的卤代 第46页，本讲稿共70页从反应式中可看到：n 同一化合物中，不同的氢原子被卤代同一化合物中，不同的氢原子被卤代的产率不同；的产率不同；n 同一化合物中，同一氢原子，不同的同一化合物中，同一氢原子，不同的卤素，氢被卤代的产率不同。卤素，氢被卤代的产率不同。n说明：说明：n（1）氢原子的卤代反应活性：）氢原子的卤代反应活性：n 每个氢原子的反应几率每个氢原子的反应几率=产率产率/H的的个数个数第47页，本讲稿共70页氯代反应中氢原子的反应活性：n 1H：43/676
17、4/97n2H：57/2=28.5n3H：36/1=36n氯代：氯代：3H2H1Hn=541n溴代：溴代：3H2H1Hn=1600821n（2）根据反应活性，推测异构体的产率根据反应活性，推测异构体的产率n思考：思考：为什么为什么H原子的卤代反应活性顺序原子的卤代反应活性顺序为：为：321？第48页，本讲稿共70页第七节第七节 烷烃卤代反应历程烷烃卤代反应历程 ReactionMechanism n反应历程（或反应机理）：反应历程（或反应机理）：化学反应所经历的途径化学反应所经历的途径或过程。或过程。n研究内容：研究内容：n 反应步骤；反应步骤；n 反应中心；反应中心；n 价键变化；价键变化；
18、n 影响因素；影响因素；n研究思路：研究思路：n 第49页，本讲稿共70页一、甲烷的卤代历程一、甲烷的卤代历程n 1、甲烷和氯气反应的实验事实：、甲烷和氯气反应的实验事实：第50页，本讲稿共70页2、根据实验事实，提出如下机理：n链引发链引发（chaininitiation）：）：链传递链传递（chainpropagation）：）：第51页，本讲稿共70页链终止（chaintermination）：思考：思考：为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？为什么烷烃卤代反应易得到多卤代物？第52页，本讲稿共70页二、卤素对甲烷的相对反应活性二、卤素对甲烷的相对反应活性 n卤素的相对反应活性为：氟卤素的相
19、对反应活性为：氟 氯氯 溴溴 碘碘 n反应活性的解释：反应活性的解释：n1、反应热（、反应热（Reactionenthalpy HR）解释）解释 HR=（435.1+242.5）-（351.4+431）=-104.8 KJ/mol（放热）（放热）反应热：一般来说，放热反应较易进行，反应热：一般来说，放热反应较易进行，而吸热反应较难进行。而吸热反应较难进行。表表：甲烷卤代的反应热：甲烷卤代的反应热 第53页，本讲稿共70页2、活化能（Activationenergy)n 活化能：为使反应发生而必须提供活化能：为使反应发生而必须提供的最低能量。的最低能量。n活化能越低，反应越易发生。活化能越低，反
20、应越易发生。活化能活化能EFEClEBrEIKJ/mol 4.216.775.2137.9卤素对烷烃的相对取代反应活性：卤素对烷烃的相对取代反应活性：F2 Cl2 Br2 I2第54页，本讲稿共70页三、氢原子反应活性与自由基的稳定性 n1、氢原子的反应活性、氢原子的反应活性n 氢原子的反应活性顺序为：氢原子的反应活性顺序为：321n 2、自由基的稳定性、自由基的稳定性n结构：结构：甲烷甲烷CH4 甲基自由基甲基自由基CH3 CSP3杂化杂化CSP2杂化杂化第55页，本讲稿共70页解离能：解离能：n 同一类型的键（如同一类型的键（如CH）发生均裂时，）发生均裂时，键的离解能愈小，则自由基愈容易
21、生成，键的离解能愈小，则自由基愈容易生成，生成的自由基也较稳定。生成的自由基也较稳定。自由自由基基自由自由基类基类型型1 1 1 2 3 CH解离能解离能KJ/mol 435.1410410397.5 380.7 第56页，本讲稿共70页自由基的稳定性顺序为：自由基的稳定性顺序为：3 2 1 CH3 氢原子的反应活性为：氢原子的反应活性为：3 2 1卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基卤代反应的决速步骤：生成烷基自由基第57页，本讲稿共70页第八节 过渡态理论 n一、反应进程的过渡态与能量变化一、反应进程的过渡态与能量变化n1、反应进程与过渡态（、反应进程与过渡态（Transition stat
22、e）第58页，本讲稿共70页2、能量变化曲线图表示反应进程的能量变化 n（1）一步反应）一步反应 a：反应物位能（峰谷）：反应物位能（峰谷）b：过渡态位能（峰顶）：过渡态位能（峰顶）c：产物位能：产物位能（峰谷）（峰谷）E：活化能：活化能E：逆反应的活化能：逆反应的活化能H：反应热反应热思考：思考：1）上图表示的反应是放）上图表示的反应是放热还是吸热？热还是吸热？第59页，本讲稿共70页（2）多步骤反应 第60页，本讲稿共70页二、甲烷氯代反应的能量变化 n链增长：链增长：反应反应EKJ/mol H KJ/mol 16.74.14.2-109第61页，本讲稿共70页第62页，本讲稿共70页链终
23、止：第63页，本讲稿共70页三、过渡态与中间体、反应热与活化能 过渡态过渡态中间体中间体反应的中间状态反应的中间状态反应中产生的活泼质点反应中产生的活泼质点未被测出未被测出可测出（稳定的中间体可测出（稳定的中间体则可分离）则可分离）位能的最高点（峰顶）位能的最高点（峰顶）位能低于过渡态、高于位能低于过渡态、高于产物产物第64页，本讲稿共70页活化能活化能反应热反应热T.S与反应物内能差与反应物内能差反应物与生成物的内能反应物与生成物的内能差差反应发生所需的最低能反应发生所需的最低能量量反应放出或吸收的能量反应放出或吸收的能量E0（实验测定）（实验测定）通过键能计算，也可实通过键能计算，也可实验
24、测定验测定H0 吸热；吸热；H0 放热放热决定反应速度决定反应速度不能决定反应速度不能决定反应速度第65页，本讲稿共70页第九节第九节 甲烷与天然气甲烷与天然气 n天然气和液化天然气天然气和液化天然气n1.天然气天然气n成分：甲烷（主要）、乙烷、丙烷等烃类化合物，成分：甲烷（主要）、乙烷、丙烷等烃类化合物，少量氮气、氧气、二氧化碳少量氮气、氧气、二氧化碳n存量（我国）：存量（我国）：n 常规可采资源量常规可采资源量 16.11012m3n 非常规可采资源量非常规可采资源量 271151012m3n用途：燃料、化工原料用途：燃料、化工原料n为减少污染，提高城市环境质量，日本政府正在制订相关政策和
25、措施，大力推广使用天然气的汽车，力争到为减少污染，提高城市环境质量，日本政府正在制订相关政策和措施，大力推广使用天然气的汽车，力争到2010年将天然气汽车的实际数量从目前的年将天然气汽车的实际数量从目前的4500多辆提高到多辆提高到100万辆。万辆。第66页，本讲稿共70页中国天然气存在的主要问题n1天然气储量不多。天然气年产量仅400多亿M3左右，在中国能源生产中的比例不足5%，与世界相比具有很大的差距。据有关资料显示，中国天然气储量在世界天然气总量中不足3%。n2天然气勘探开发难度较大。现已探明天然气地质储量3.4万亿m3，尽快将这些储量开发利用，对促进国民经济发展有非常重要的作用。但中国
26、的这些储量大多分布中国西部的老、少、边、穷地区，地表条件多为沙漠、黄土塬、山地，地理环境恶劣。多数勘探对象低孔、低渗、埋藏深、储层复杂、高温高压，且远离消费市场，开发利用这些储量还存在许多技术难题。譬如中国的鄂尔多斯盆地的苏里格大气田，探明地质储量近6000亿M3，但在产能建设上存在许多技术难题，它是大面积、低孔、低渗的岩性气田，这是中国开发利用从没遇到过的气田，涉及到钻井工艺、储层改造工艺等技术难题，而类似的气田还有许多。又如四川盆地的气田主要属于碳酸盐岩的裂隙和次生孔隙气田，它们的不均质性很强，开发和稳产难度相当大。n3天然气市场还较为滞后。主要表现在中国天然气市场实际需求量小于天然气管道
27、设计输送能力。从中国目前形成的区域性天然气市场来看，油气田供气能力大于天然气市场的实际需求量。天然气生产单位生产的天然气除了满足本单位和目前仅有的少量天然气用户外，其他大部分天然气几乎被放空烧尽。总体来说，终端用户对天然气的价格承受能力还差，天然气作为一种替代能源与其他能源特别是煤和水电在价格上还缺乏竞争力，价格偏高。如果天然气价格较高，用户就会选择使用煤和水电来替代，这样天然气用户就会减少。其主要原因是：中国绝大多数天然气田产层薄、含气丰度低、埋藏深及其自然环境恶劣，决定了天然气勘探开发投入的成本较高。天然气资源主要分布在中西部地区，远离东部经济发达主要消费市场，天然气输送干线长，管道投资回
28、收期短，致使管输费用较高，占天然气价格比例大。中国现在正在建设“西气东输”管道，干线全长4200多公里，建成通气时，如果东南沿海主要天然气用户市场发展滞后，那么造成的经济测算与实际用量要少几十亿。n4天然气管理体系和法规不健全。目前，中国天然气作为一个产业来发展，存在政府专门管理机构缺位，有关政策、法规缺位，供应主体企业与利用主体企业合作缺位等问题。健全管理体系和法规是天然气产业快速发展的基本保障。第67页，本讲稿共70页2、液化天然气、液化天然气（LiquefiedNaturalGas，缩写缩写：LNG）n当天然气在大气压下，冷却至约当天然气在大气压下，冷却至约-162时，天然气由时，天然气
29、由气态转变成液态，称为液化天然气（气态转变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，缩写为，缩写为LNG）。）。n体积为同量气态天然气的体积为同量气态天然气的1/600，重量为同体积水，重量为同体积水的的45%，便于储存和运输。，便于储存和运输。第68页，本讲稿共70页n压缩天然气压缩天然气(Compressed Natural Gas,简称简称CNG)是天然气加压是天然气加压(超过超过3,600磅磅/平方英寸平方英寸)并以并以气态储存在容器中。它与管道天然气的组分相同。气态储存在容器中。它与管道天然气的组分相同。CNG可作为车辆燃料利用。可作为车辆燃料利用。n液化石
30、油气液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,简称简称LPG)LPG的主要组分是丙烷（超过的主要组分是丙烷（超过95%），还有），还有少量的丁烷。少量的丁烷。LPG在适当的压力下以液态储存在在适当的压力下以液态储存在储罐容器中，常被用作炊事燃料。在国外，储罐容器中，常被用作炊事燃料。在国外，LPG被用作轻型车辆燃料已有许多年。被用作轻型车辆燃料已有许多年。第69页，本讲稿共70页三、天然气水合物三、天然气水合物 n水分子与甲烷和低分子量的轻烃如乙、丙、丁烷在水分子与甲烷和低分子量的轻烃如乙、丙、丁烷在低温、高压环境下形成的低温、高压环境下形成的类似冰状的固态结晶物质。类似冰状的固态结晶物质。n存在：海底和北极永久冻土层内。存在：海底和北极永久冻土层内。n特点：常温、常压下分解为水与甲烷等轻烃，特点：常温、常压下分解为水与甲烷等轻烃，1cm3的水合物可释放出的水合物可释放出164cm3的天然气，极易的天然气，极易燃烧，也称为燃烧，也称为“可燃冰可燃冰”燃烧时几乎不产生任何燃烧时几乎不产生任何残渣或废弃物，是未来重要而清洁的潜在能源。残渣或废弃物，是未来重要而清洁的潜在能源。第70页，本讲稿共70页