烷烃环烷烃的物理化学性质省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

烷烃和环烷烃物理性质烷烃和环烷烃物理性质 物理性质：状态（气体？气体？液体液体？固体？固体？）、熔点、沸点、相对密度、折射率和溶解度在一定条件下，化合物物理性质是固定，不改变，通常把这些参数值称作物理常数。物理常数是化合物基本属性，经过测定物理常数能够判定化合物，确定化合物纯度等。第1页一些直链烷烃物理常数C5-16液C17固C1-4气第2页从表中能够看到C1C4烷烃是气体，C5C16烷烃为液体，C17烷烃为固体伴随烃中碳数增加，熔点增加，沸点增加。伴随烃中碳数增加，相对密度d420增加，逐步靠近0.8。伴随烃中碳数增加，折射率nD20增加，但大于1伴随相对分子质量增减，物理常数呈规律改变在有机化合物中是一个普遍现象。在其它类化合物中也有类似规律。掌握了这种规律，知道某类化合物中几个化合物物理常数，就能够推测相关化合物物理常数。第3页沸点与碳原子数关系但伴随相对分子质量增加，每增加一个-CH2-，沸点增加幅度很快降低。CH4C2H6C10H22C11H24C18H38C19H40沸点/-161.6-88.6174195.8303309.7差/73227在正烷烃中，随相对分子质量增加，沸点也随之升高，其原因为：低级烷烃轻易分离，高级烷烃不易分离。1.分子间作用力增大2.分子运动所需能量增加第4页沸点与结构关系沸点36289.5支链存在，使烷烃分子不易相互靠近，分子间距离增加。支链越多，沸点越低。第5页熔点与碳原子数关系直链烷烃熔点伴随相对分子质量增加而增加奇偶偶数碳烷烃两端甲基不在同一边，对称高于奇数碳烷烃。X-射线衍射测得，偶数碳烷烃在晶体中排列比奇数碳排列紧密。第6页m.p.-130m.p.-160m.p.-17对于碳原子相同烷烃异构体，对称性好异构体，分子在晶格中排列紧密，分子间力大，熔点高。熔点与结构关系第7页相对密度烷烃比水轻，相对密度小于1。随分子量增加，分子间作用力增强，分子间距离减小，密度增大。溶解度烷烃溶于有机溶剂中，不溶于水。相同者相溶-普遍适用经验规律。水是极性分子，烷烃是非极性分子，极难溶于水中。第8页折光率nD20折光率，又称折光指数、折射率，是光在空气中速度与在液体中速度之比：nD20=C光空气/C光液体1，它反应了分子中电子对光传输干扰程度，或者电子被光极化程度。化合物相对分子质量增加，其中电子也增多，nD20增加。第9页解答：(3)(2)(5)(1)(4)。烷烃沸点随相对分子质量增加而显著提升。另外，同碳数各种烷烃异构体中，直链异构体沸点最高，支链烷烃沸点比直链低，且支链越多，沸点越低。2不要查表试将以下烃类化合物按沸点降低次序排列。2,3-二甲基戊烷(2)正庚烷(3)2-甲基庚烷(4)正戊烷(5)2-甲基己烷第10页比较沸点高低1.正丁烷和异丁烷2.正辛烷和2,2,3,3，-四甲基丁烷3.庚烷，2-甲基己烷和2,2,3,3-二甲基戊烷当碳原子数相同时，支链越多，分子间作用力越弱，沸点越低第11页比较熔点高低1.A正丁烷和B异丁烷2.A正辛烷和B2,2,3,3-四甲基丁烷1,AB;2,AB碳原子相同，异构体对称性越好，则在晶格中填充得越好，熔点越高第12页烷烃和环烷烃物理性质比较环烷烃有相对较大刚性和很好对称性，分子间作用力较强，结合更紧密。所以熔点、沸点和相对密度高于碳原子数相同烷烃。第13页 烷烃天然起源 烷烃起源烷烃起源石油和天然气石油和天然气天然气主要成份为低级烷烃（天然气主要成份为低级烷烃（7575甲烷，甲烷，1515乙烷，乙烷，5 5丙烷，丙烷，5%5%其它较高级烷烃其它较高级烷烃）混合物。混合物。石油主要成份是各种烃类石油主要成份是各种烃类(烷烃、环烷烃和芳香烃等烷烃、环烷烃和芳香烃等)复杂混合复杂混合物物第14页可燃冰天然气水化合物，化学式为CH48H2O 烷烃天然起源第15页 烷烃天然起源第16页烷烃和环烷烃化学性质烷烃和环烷烃化学性质主要内容主要内容主要内容主要内容uu烷烃氯代和溴代反应，烷烃卤代自由基机理烷烃氯代和溴代反应，烷烃卤代自由基机理烷烃氯代和溴代反应，烷烃卤代自由基机理烷烃氯代和溴代反应，烷烃卤代自由基机理uu自由基链反应步骤（链引发、链传递和链终止）自由基链反应步骤（链引发、链传递和链终止）自由基链反应步骤（链引发、链传递和链终止）自由基链反应步骤（链引发、链传递和链终止）uu反应势能改变，反应过渡态反应势能改变，反应过渡态反应势能改变，反应过渡态反应势能改变，反应过渡态uu卤代反应选择性，自由基稳定性卤代反应选择性，自由基稳定性卤代反应选择性，自由基稳定性卤代反应选择性，自由基稳定性uuHammondHammondHammondHammond相关过渡态结构假说相关过渡态结构假说相关过渡态结构假说相关过渡态结构假说第17页 C C H H电负性电负性电负性电负性 2.5 2.5 2.22.2l l 烷烃结构烷烃结构烷烃结构烷烃结构 1 1烷烃化学性质烷烃化学性质烷烃化学性质烷烃化学性质l l 普通情况下烷烃化学性质普通情况下烷烃化学性质普通情况下烷烃化学性质普通情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱不活泼、耐酸碱不活泼、耐酸碱不活泼、耐酸碱（惯用作低极性溶（惯用作低极性溶（惯用作低极性溶（惯用作低极性溶 剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）spsp3 3 杂化杂化杂化杂化已饱和已饱和已饱和已饱和不能加成不能加成不能加成不能加成低极性低极性低极性低极性 共价键共价键共价键共价键H H 酸性小酸性小酸性小酸性小不易被置换不易被置换不易被置换不易被置换l l 烷烃可与卤素发生烷烃可与卤素发生烷烃可与卤素发生烷烃可与卤素发生自由基取代反应自由基取代反应自由基取代反应自由基取代反应（烷烃主要反应）（烷烃主要反应）（烷烃主要反应）（烷烃主要反应）第18页1.1.甲烷卤代反应甲烷卤代反应甲烷卤代反应甲烷卤代反应 （氯代氯代氯代氯代和和和和溴代溴代溴代溴代反应）反应）反应）反应）l l 甲烷氯代反应甲烷氯代反应甲烷氯代反应甲烷氯代反应反应特点反应特点反应特点反应特点:(1)(1)(1)(1)反应需光照或加热。反应需光照或加热。反应需光照或加热。反应需光照或加热。(2)(2)(2)(2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。(3)(3)(3)(3)有有有有OO2 2存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与OO2 2量相关。量相关。量相关。量相关。第19页l l 甲烷与其它卤素反应甲烷与其它卤素反应甲烷与其它卤素反应甲烷与其它卤素反应反应速率反应速率反应速率反应速率:F F2 2 Cl Cl2 2 Br Br2 2 I I2 2 （不反应）（不反应）（不反应）（不反应）F F2 2 ：反应过分猛烈、较难控制反应过分猛烈、较难控制反应过分猛烈、较难控制反应过分猛烈、较难控制ClCl2 2 ：正常（常温下可发生反应）：正常（常温下可发生反应）：正常（常温下可发生反应）：正常（常温下可发生反应）BrBr2 2 ：稍慢（加热下可发生反应）：稍慢（加热下可发生反应）：稍慢（加热下可发生反应）：稍慢（加热下可发生反应）I I2 2 ：不反应。即使反应不反应。即使反应不反应。即使反应不反应。即使反应,其逆反应易进行其逆反应易进行其逆反应易进行其逆反应易进行主要讨论内容主要讨论内容第20页2.2.甲烷卤代反应机理（反应机制，反应历程）甲烷卤代反应机理（反应机制，反应历程）甲烷卤代反应机理（反应机制，反应历程）甲烷卤代反应机理（反应机制，反应历程）（Reaction MachanismReaction Machanism）什么是反应机理：什么是反应机理：什么是反应机理：什么是反应机理：反应机理是对反应过程详细描述，应解释以下问题：反应机理是对反应过程详细描述，应解释以下问题：反应机理是对反应过程详细描述，应解释以下问题：反应机理是对反应过程详细描述，应解释以下问题：l反应条件起什么作用？反应条件起什么作用？反应条件起什么作用？反应条件起什么作用？l l 决速步骤是哪一步？决速步骤是哪一步？决速步骤是哪一步？决速步骤是哪一步？l l 副产物是怎样生成？副产物是怎样生成？副产物是怎样生成？副产物是怎样生成？l反应是怎样开始？反应是怎样开始？反应是怎样开始？反应是怎样开始？l l 产物生成合理路径？产物生成合理路径？产物生成合理路径？产物生成合理路径？l l 经过了什么中间体？经过了什么中间体？经过了什么中间体？经过了什么中间体？研究反应机理意义：研究反应机理意义：研究反应机理意义：研究反应机理意义：l l 了解影响反应各种原因，最大程度地提升反应产率。了解影响反应各种原因，最大程度地提升反应产率。了解影响反应各种原因，最大程度地提升反应产率。了解影响反应各种原因，最大程度地提升反应产率。l l 发觉反应一些规律，指导研究深入。发觉反应一些规律，指导研究深入。发觉反应一些规律，指导研究深入。发觉反应一些规律，指导研究深入。第21页n n 甲烷卤代机理甲烷卤代机理甲烷卤代机理甲烷卤代机理 自由基取代机理自由基取代机理自由基取代机理自由基取代机理机理需要解释几个主要问题：机理需要解释几个主要问题：机理需要解释几个主要问题：机理需要解释几个主要问题：光或加热作用光或加热作用光或加热作用光或加热作用反应反应反应反应链现象链现象链现象链现象（为何光照时，吸收一个光子可产生几千个（为何光照时，吸收一个光子可产生几千个（为何光照时，吸收一个光子可产生几千个（为何光照时，吸收一个光子可产生几千个 CHCH3 3X X？）？）？）？）有有有有 OO2 2 时反应时反应时反应时反应延迟现象延迟现象延迟现象延迟现象反应速率：反应速率：反应速率：反应速率：氯代氯代氯代氯代 溴代溴代溴代溴代产物产物产物产物CHCH3 3X X和和和和H HX X生成合理路径生成合理路径生成合理路径生成合理路径第22页l l 甲烷甲烷甲烷甲烷氯代氯代氯代氯代反应过程分析反应过程分析反应过程分析反应过程分析氯自由基氯自由基甲基自由基甲基自由基（自由基消失（自由基消失,反应终止）反应终止）有效碰撞有效碰撞（产生新自由基）（产生新自由基）无效碰撞无效碰撞（净结果（净结果=0=0）第23页接上页接上页接上页接上页有效碰撞有效碰撞(产生产生CHCH3 3ClCl和和ClCl.)自由基消失，反应终止自由基消失，反应终止净结果净结果=0=0第24页接上页接上页接上页接上页自由基完全消失，自由基完全消失，自由基完全消失，自由基完全消失，反应终止反应终止反应终止反应终止第25页l l 甲烷甲烷甲烷甲烷氯代氯代氯代氯代反应机理表示反应机理表示反应机理表示反应机理表示自由基型自由基型自由基型自由基型链反应（链反应（链反应（链反应（chain reactionchain reaction）自由基自由基自由基自由基中间体中间体中间体中间体第第(2),(3)(2),(3)步反应重复进行步反应重复进行第26页l l 甲烷甲烷甲烷甲烷溴代溴代溴代溴代反应机理反应机理反应机理反应机理第27页l l 甲烷卤代机理循环表示式甲烷卤代机理循环表示式甲烷卤代机理循环表示式甲烷卤代机理循环表示式循环循环循环循环引发引发引发引发产物产物产物产物产物产物产物产物自由基自由基自由基自由基中间体中间体中间体中间体机理应解释机理应解释试验现象试验现象?O2 存在时有存在时有延迟现象延迟现象?反应速率：反应速率：氯代氯代 溴代溴代 产物生成产物生成产物生成产物生成 光或加热作用光或加热作用光或加热作用光或加热作用 链现象链现象链现象链现象第28页l lOO2 2存在时反应延迟现象存在时反应延迟现象存在时反应延迟现象存在时反应延迟现象OO2 2 ：自由基抑制剂自由基抑制剂自由基抑制剂自由基抑制剂较稳定较稳定,活性低活性低第29页l l 机理决速步骤机理决速步骤机理决速步骤机理决速步骤（以氯代为例）（以氯代为例）（以氯代为例）（以氯代为例）D D D DH H(反应热反应热反应热反应热)+7.5 kJ/mol吸热吸热112.9 kJ/mol放热放热决速步骤决速步骤决速步骤决速步骤第30页l l 甲烷氯代势能改变图甲烷氯代势能改变图甲烷氯代势能改变图甲烷氯代势能改变图过渡态过渡态过渡态过渡态:势能最高势能最高处原子排列，处原子排列，Ea：活化能（：活化能（activation energy）；）；D DH:反应热反应热第31页n n 过渡态过渡态过渡态过渡态(Transition State)理论理论理论理论在化学反应中，反应物相互靠近，总是先到达一势能最高点在化学反应中，反应物相互靠近，总是先到达一势能最高点在化学反应中，反应物相互靠近，总是先到达一势能最高点在化学反应中，反应物相互靠近，总是先到达一势能最高点（活化能活化能活化能活化能，对应结构称为，对应结构称为，对应结构称为，对应结构称为过渡态过渡态过渡态过渡态），然后再转变为产物。），然后再转变为产物。），然后再转变为产物。），然后再转变为产物。例：机理步骤例：机理步骤例：机理步骤例：机理步骤(2)(2)(2)(2)过渡态过渡态过渡态过渡态势能增加势能增加势能降低势能降低过渡态过渡态过渡态过渡态：反应物转变为产物中间状态，反应物转变为产物中间状态，反应物转变为产物中间状态，反应物转变为产物中间状态，（推测）势能最高处推测）势能最高处推测）势能最高处推测）势能最高处 原子排列，原子排列，原子排列，原子排列，寿命寿命寿命寿命=0=0=0=0，无法测得。，无法测得。，无法测得。，无法测得。中间体：中间体：中间体：中间体：反应中生成寿命较短分子、离子或自由基，反应中生成寿命较短分子、离子或自由基，反应中生成寿命较短分子、离子或自由基，反应中生成寿命较短分子、离子或自由基，中间体中间体中间体中间体 普通很活泼，但可经过试验方法观察到。普通很活泼，但可经过试验方法观察到。普通很活泼，但可经过试验方法观察到。普通很活泼，但可经过试验方法观察到。对比对比对比对比势能最高势能最高第32页l l 氯代和溴代反应速率差异氯代和溴代反应速率差异氯代和溴代反应速率差异氯代和溴代反应速率差异 决速步骤速率差异决速步骤速率差异决速步骤速率差异决速步骤速率差异氯代氯代氯代氯代溴代溴代溴代溴代第33页解释以下现象：1.氯气先光照，在黑暗放置一会儿后，再与甲烷混合，不反应2.氯气光照后，马上在黑暗中与甲烷混合，反应3.甲烷光照后，马上在黑暗中与氯气混合，不反应第34页解释等摩尔甲烷和乙烷混合进行一氯代反应，得到CH3Cl和C2H5Cl百分比为1400。解答：CH3CH2稳定性大于CH3，易于生成。第35页多取代甲烷生成第36页3.3.其它烷烃卤代反应（一卤代）其它烷烃卤代反应（一卤代）其它烷烃卤代反应（一卤代）其它烷烃卤代反应（一卤代）l l 反应通式反应通式反应通式反应通式l l 机理通式机理通式机理通式机理通式第37页n 烷烃卤代反应选择性问题烷烃卤代反应选择性问题 反应对不一样类型氢反应对不一样类型氢反应选择性反应选择性怎样怎样?（不一样类型氢（不一样类型氢相对反相对反 应活性应活性怎样？怎样？）不一样卤素不一样卤素反应选择性反应选择性有何差异有何差异?（不一样卤素（不一样卤素相对反应活性相对反应活性 怎样怎样?）3 3o o H,2 H,2o o H,1 H,1o o H H：哪种氢易被取代？哪种氢易被取代？哪种氢易被取代？哪种氢易被取代？Cl Cl 和和和和 BrBr：哪个卤素选择性好？哪个卤素选择性好？哪个卤素选择性好？哪个卤素选择性好？如如如如:第38页l l 氯代氯代氯代氯代反应选择性反应选择性反应选择性反应选择性只考虑氢原子类型只考虑氢原子类型,忽略烷烃结构影响忽略烷烃结构影响氯代选择性氯代选择性（25oC）：3o H:2o H:1o H=5.0:3.7:1选择性：选择性：2o H:1o H选择性：选择性：3o H:1o H=(55/2):(45/6)=3.7:1=(36/1):(64/9)=5:1第39页问题：怎样解释上述反应选择性？问题：怎样解释上述反应选择性？问题：怎样解释上述反应选择性？问题：怎样解释上述反应选择性？烷烃卤代反应选择性烷烃卤代反应选择性烷烃卤代反应选择性烷烃卤代反应选择性b)b)不一样卤素反应选择性不一样卤素反应选择性不一样卤素反应选择性不一样卤素反应选择性:溴代溴代溴代溴代 氯代氯代氯代氯代c)c)合成上应用价值：合成上应用价值：合成上应用价值：合成上应用价值：溴代溴代溴代溴代 氯代氯代氯代氯代（反应选择性（反应选择性（反应选择性（反应选择性好，可得到较高纯度产物）好，可得到较高纯度产物）好，可得到较高纯度产物）好，可得到较高纯度产物）3 3o o H H 2 2o o H H 1 1o o H H CHCH4 4 (温度升高，选择性变差温度升高，选择性变差温度升高，选择性变差温度升高，选择性变差)a)a)卤代反应中不一样类型氢反应活性卤代反应中不一样类型氢反应活性卤代反应中不一样类型氢反应活性卤代反应中不一样类型氢反应活性第40页n n自由基稳定性自由基稳定性自由基稳定性自由基稳定性与不一样类型与不一样类型与不一样类型与不一样类型H H反应活性反应活性反应活性反应活性考虑反应决速步骤考虑反应决速步骤考虑反应决速步骤考虑反应决速步骤自由基生成相自由基生成相对速度决定反对速度决定反应选择性应选择性自由基稳定性：自由基稳定性：自由基相对稳定性决自由基相对稳定性决定反应选择性定反应选择性R-H键离解能（键离解能（DH）第41页2 2o o 自由基自由基自由基自由基较易生成较易生成较易生成较易生成3 3o o 自由基自由基自由基自由基较易生成较易生成较易生成较易生成自由基相对稳定性：自由基相对稳定性：3o 2o 1o1 1o o 自由基自由基自由基自由基较难生成较难生成较难生成较难生成1 1o o 自由基自由基自由基自由基较难生成较难生成较难生成较难生成不一样类型自由基相对稳定性不一样类型自由基相对稳定性不一样类型自由基相对稳定性不一样类型自由基相对稳定性键离解能（键离解能（DH）第42页选择性：选择性：2o H:1o H=82:1选择性：选择性：3o H:1o H=1600:1溴代选择性溴代选择性（127oC）：3o H:2o H:1o H=1600:82:1l l 溴代溴代溴代溴代反应选择性反应选择性反应选择性反应选择性第43页第44页6由以下指定化合物制备对应卤代物，用Cl2还是Br2？为何？解答：(1)用Br2。因氢原子活性有差异，溴原子活性适中，反应选择性强，主要得到(2)用Cl2。只有一个氢，氯原子反应活性高。第45页1.氧化常温下，烷烃普通不与氧化剂（高锰酸钾、臭氧等）反应。烷烃化学性质但在空气中能够燃烧：第46页适当条件下可部分氧化为醇、醛、酮、羧酸等含氧化合物。环十二烷环十二烷环十二醇环十二醇环十二酮环十二酮工业上以石蜡等为原料生产高级脂肪酸工业上生产环己醇工业上环十二酮（尼龙12原料）第47页2.异构化反应化合物从一个异构体转变成另一个异构体反应，烃类分子结构重排主要有烷基转移、双键移动和碳链移动。反应通常在催化剂作用下进行。适当条件下，直链或支链少烷烃能够异构化为支链多烷烃。工业应用在石油炼制工业中正丁烷异构化得到异丁烷，可作为生产高辛烷值航空汽油掺合剂异辛烷主要原料。C5、C6烷烃异构化生成支链化合物，如异戊烷、异己烷等，可直接作为高辛烷值汽油掺合剂。第48页环烷烃异构化包含：侧链异构烷基位置异构环异构第49页3.裂化高温及没有氧气条件下使烷烃分子中C-C键和C-H键发生断裂反应称为裂化反应。第50页v反应条件：隔绝空气加强热。v反应产物：主要由大分子变小分子，由较长链烷烃分解成较短链烷烃，烯烃和氢v反应类型：热裂化(高温)和催化裂化(较低温)。v热裂化反应依据生产目标不一样可采取不一样裂化工艺。v深度裂化（裂解）目标：主要是得到基本化工原料（乙烯，丙烯，丁二烯，乙炔）裂化温度8001100v催化裂化目标：提升汽油产量和质量（生产高辛烷值汽油）裂化温度400500加入一定催化剂（硅酸铝）第51页小环烷烃加成反应环丙烷和环丁烷与烯烃相同，易开环进行加成。1）加氢第52页2）加卤素不能用溴褪色方法来区分环烷烃与烯烃！1,4-二溴丁烷二溴丁烷1,3-二溴丙烷二溴丙烷第53页3）加卤化氢环断裂发生在连接氢原子最多和最少成环碳原子之间H加到含氢较多成环C原子上，而X加到含氢较少成环C原子上第54页烷烃制法(2)CoreyHouse合成(1)烯烃加氢第55页(3)由卤代烷制备二卤代烷在Zn或Na作用下分子内偶联，合成小环烷烃第56页