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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
1.掌握碳正四面体的概念、SP3杂化和σ键。
2.掌握烷烃和环烷烃的命名法和常见烷基的名称。
3.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)。
4.掌握烷烃卤代的自由基反应历程。
5.掌握烷烃的构象及锯架式、纽曼(Newman)式的写法。
6.理解烷烃的物理性质。
7.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):
1.烷烃碳原子的杂环状态及结构特点。
2.烷烃的构象及其产生原因,乙烷、正丁烷构象分析。
0.5学时
3.烷烃的系统命名法和普通命名法。
0.5学时
4.烷烃的物理性质。
5.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)
1.脂环烃的命名及环烷烃的结构
2.环烷烃的大小与稳定性的关系;环己烷的构象。
0.5学时
3.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:
1.烷烃的系统命名及同分异构现象;
2.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;
3.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;
4.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:
1.烷烃卤化的自由基反应机理。
2.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,chlorination
InternationalUnionofPureandAppliedChemistry(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 饱和烃(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节烷烃(Alkane)
§1烷烃的结构及乙烷的构象
Structuralalkaneandconformationinethane
1.1烷烃的结构(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∠H-C-H都是109.5º。
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σ-键,其特征:
①电子云沿键轴方向头碰头发生轨道重叠形成的键,重叠程度高,键结合牢固;
②两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-C
C-H
键长
0.154nm
0.109nm
键角
109.5°
109.5°
键能
347KJ/mol
413KJ/mol
极性
0
0.4D
1.2乙烷的构象(conformationinethane)(见课件)
1定义:
conformation---即结构的形象。
是由于σ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。
2表示式:
构象通常用透视式或纽曼(Newman)投影式表示:
透视式纽曼(Newman)投影式
交叉式
重叠式
3能量图:
4优势构象:
室温条件下在所有构象中占主要地位的构象,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。
§2烷烃的命名(nomenclatureofalkane)
2.1两个基本概念
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:
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-;
丁基:
正丁基CH3(CH2)2CH2-,异丁基(CH3)2CHCH2-,仲丁基CH3CHCH2CH3,叔丁基(CH3)3C-。
2.2烷烃的习惯命名
适合于简单化合物(五个碳以下)的命名。
甲、乙、丙、丁、戊。
举例:
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:
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,用天干法命名。
(thenameofsomestraightchainalkanes)
表2 简单烷烃的英文名称
Molecular
Formula
Chinese
Name
English
Name
Molecular
Formula
Chinese
Name
English
Name
CH4
甲烷
methane
C9H20
壬烷
nonane
C2H6
乙烷
ethane
C10H22
癸烷
decane
C3H8
丙烷
propane
C11H24
十一烷
undecane
C4H10
丁烷
butane
C12H26
十二烷
clodecane
C5H12
戊烷
pentane
C16H34
十六烷
hexadecane
C6H14
己烷
hexane
C18H38
十八烷
octadecane
C7H16
庚烷
heptane
C20H42
二十烷
icosane
C8H18
辛烷
octane
2.对支链烷烃,有以下三个原则:
(1)选主链:
选含支链(取代基)最多的最长碳链作母体。
(2)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。
(3)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。
烷烃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烷烃的物理性质(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):
①直链C原子数增加,沸点升高。
②C原子数相同,支链越多,沸点越高;
③C原子数相同,支链数目相同,对称性好,沸点越高。
熔点(meltingpoint):
①直链C原子数增加,熔点升高。
②偶数C比相邻两个奇数C熔点高;
③C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烷烃的化学性质(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σ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。
4.1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→R-X+H-X(工业制备卤代烷的方法)
举例:
在紫外光漫射或高温下,甲烷易与氯、溴发生反应。
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。
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。
如甲烷:
氯气=10:
1(450℃时)CH3Cl占98%;为1:
4(400℃时)主要为CCl4。
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:
a.链的引发(chain-initiation)-----生成活泼的自由基
b.链的增长(chain-propagation)-----最重要的一步
c.链的终止(chain-termination)
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。
3.反应活性(reactionactive)------新问题
两个实验事实:
公式:
活性之比=产率之比:
几率之比
即仲氢与伯氢的相对活性为4:
1。
即叔氢的反应活性为伯氢的5倍。
由公式计算出:
3ºH:
2ºH:
1ºH=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:
3ºH>2ºH>1ºH
卤素的反应活性:
F2(爆炸)>Cl2(次之)>Br2(较慢)>I2(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;1。
C-H的键能:
405.8KJ/mol)
4.2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)。
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。
4.3异构化反应
也是自由基历程,受热力学控制,较复杂:
4.4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℃,主要是得到基本化工原料(乙烯,丙烯,丁二烯,乙炔)。
催化裂化是加入一定的催化剂,温度400~500℃,主要是提高汽油的产量和质量(生产高辛烷值的汽油)。
例如:
烷烃总结:
1、基本概念:
σ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节环烷烃(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)、七、八元(中环)、十元以上的大环。
§1环烷烃的命名(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:
§2环烷烃的结构(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π-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°,与开链烃相似。
有两种极限构象:
椅式和船式。
2.2环己烷的构象
表示式:
(见课件)
椅式船式
“优势构象三原则”:
1椅式构象最稳定
原因:
相邻的C原子都处于交叉的位置;空间张力最小,最稳定。
2e键稳定,a键不稳定
e键又叫平伏键(equatorialbond);a键又叫直立键(axialbond),e键距离远,空间障碍小,稳定;a键距离近,空间障碍大,不稳定。
a键和e键之间可以通过“转换作用”互相转变。
③大基团在e键上稳定。
2.3环己烷衍生物的构象
一取代:
甲基环已烷,叔丁基环已烷(见课件)
二取代:
1,2-二甲基己烷,1,3-二甲基己烷,1,4-二甲基己烷(见课件)
§3环烷烃的化学性质(chemicalproperties)
“小环似稀,大环似烷”
1.加成反应(小环特性)
加氢:
加卤素
加卤化烃
问题:
不对称环烷烃加成开环的位置?
(P29作业)
2.取代反应(稳定环特性)
3.氧化反应(不易反应)
环丙烷对氧化剂稳定,不被高猛酸钾、臭氧等氧化剂氧化。
例如:
故可用高猛酸钾溶液来区别烯烃与环丙烷衍生物。
(中学学过)
工业上应用举例:
性质总结:
小环烷烃(3,4元环)易加成,难氧化,性质似烯;普通环(5,6元环)以上难加成,难氧化,性质似烷。
(小环似烯,大环似烷)
课堂练习:
(见课件)
作业:
P60,4、6、9
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- 有机化学 饱和