有机化学教案 第二章
第二章 烷 烃
2 卤代反应
一. 学习目的和要求: 1.掌握烷烃光卤代反应历程。
2.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。 3.掌握一般烷烃的卤代反应历程。
二. 本章节重点、难点
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
2.1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。
CH 4
Cl 2
CH 3Cl
HCl
不发生反应4HCl + C
猛烈反应
CH 4Cl 2
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),CH 3Cl 占98% 甲烷 :氯气 = 1 :4 (400℃时),主要为CCl 4 2)其他烷烃的氯代反应
1 • •
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:
57 / 24=≈
1即仲氢与伯氢的相对活性为4 :1。 43 / 6伯氢的相对活性
仲氢的相对活性
CH 3-CH 2-CH 3
Cl 2
CH 3
CH 3CHCH 2CH 3
Cl
3
33.5%22%28%16.5%
3
CH 3-C-CH 2CH 3
Cl
CH 33
CH 3Cl CH 3CHCH 22
3
22CH 3
CH 3CH 2CH 3
CH 3CH 22
Cl
CH 3CHCH 3
Cl
二氯代物三氯代物
CH 3-CH 22
Cl 43%
CH 33
Cl
57%
异丁烷一氯代时的情况时的产物比例如下:
• •
3
CH 3-CH-CH 3
Cl 2
25℃
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
Cl 叔丁基氯36%2
CH 3
CH CH 2Cl 异丁基氯64%
有机化学教案 第二章
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:
5.1
==
64 / 91 即叔氢的反应活性为伯氢的5倍。 伯氢的相对活性
叔氢的相对活性
36 / 1
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 3
3
例如: CH 3
3-CH-CH 3
Br 2
CH 33
CH 32
Br Br
>99%
2.2 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。
2.2.1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: Cl Cl··2 Cl·链引发
CH 4Cl ·CH 3·HCl CH 3·Cl 2CH 3-Cl Cl · CH 3-Cl
Cl ·
·CH 2-Cl
HCl
链增长阶段 ·CH 2-Cl Cl 2CH 2-Cl 2Cl ·
Cl ·Cl ·Cl 2
CH 3··CH 3CH 3-CH 3链终止阶段
·CH 3
Cl ·
CH 3-Cl
3 •
•
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。
2.2.2 卤素的反应活性
卤素的反应活性: 氟 > 氯 > 溴 > 碘。
2.2.3 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: F2 Cl2 Br2 I2
的反应热ΔH : -422.6 -104.9 -37.7 +54.4 kJ/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. 2. 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
2.3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)用字母表示则为: A + B-C
过渡态[A…B …C]
产物(终态) A-B + C
过渡态 反应进程中体系能量的变化如下图:
• •
位
有机化学教案 第二章
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: CH 3·
Cl-Cl
242.5
Cl ·H-CH 3
435.1
δδ
CH 3[ Cl…H … ]过渡态Ⅰ
HCl
431
·CH 3
ΔH 1= 4.1KJ / mol
E 1= 16.7KJ / mol
δδ
CH 3[ Cl…Cl … ]过渡态Ⅱ
CH 3Cl 351.4
Cl ·
ΔH 2= -108.9 KJ / molE 2= 4.2 KJ / mol
位
能
• •
反应进程
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=9.8
KJ/mol;;E 活Cl=16.7 KJ/mol;E 活Br=75.3 KJ/mol;E 活I>138 KJ/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。
6
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第二章 烷 烃
2 卤代反应
一. 学习目的和要求: 1.掌握烷烃光卤代反应历程。
2.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。 3.掌握一般烷烃的卤代反应历程。
二. 本章节重点、难点
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
2.1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。
CH 4
Cl 2
CH 3Cl
HCl
不发生反应4HCl + C
猛烈反应
CH 4Cl 2
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),CH 3Cl 占98% 甲烷 :氯气 = 1 :4 (400℃时),主要为CCl 4 2)其他烷烃的氯代反应
1 • •
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:
57 / 24=≈
1即仲氢与伯氢的相对活性为4 :1。 43 / 6伯氢的相对活性
仲氢的相对活性
CH 3-CH 2-CH 3
Cl 2
CH 3
CH 3CHCH 2CH 3
Cl
3
33.5%22%28%16.5%
3
CH 3-C-CH 2CH 3
Cl
CH 33
CH 3Cl CH 3CHCH 22
3
22CH 3
CH 3CH 2CH 3
CH 3CH 22
Cl
CH 3CHCH 3
Cl
二氯代物三氯代物
CH 3-CH 22
Cl 43%
CH 33
Cl
57%
异丁烷一氯代时的情况时的产物比例如下:
• •
3
CH 3-CH-CH 3
Cl 2
25℃
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
Cl 叔丁基氯36%2
CH 3
CH CH 2Cl 异丁基氯64%
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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:
5.1
==
64 / 91 即叔氢的反应活性为伯氢的5倍。 伯氢的相对活性
叔氢的相对活性
36 / 1
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 3
3
例如: CH 3
3-CH-CH 3
Br 2
CH 33
CH 32
Br Br
>99%
2.2 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。
2.2.1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: Cl Cl··2 Cl·链引发
CH 4Cl ·CH 3·HCl CH 3·Cl 2CH 3-Cl Cl · CH 3-Cl
Cl ·
·CH 2-Cl
HCl
链增长阶段 ·CH 2-Cl Cl 2CH 2-Cl 2Cl ·
Cl ·Cl ·Cl 2
CH 3··CH 3CH 3-CH 3链终止阶段
·CH 3
Cl ·
CH 3-Cl
3 •
•
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。
2.2.2 卤素的反应活性
卤素的反应活性: 氟 > 氯 > 溴 > 碘。
2.2.3 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: F2 Cl2 Br2 I2
的反应热ΔH : -422.6 -104.9 -37.7 +54.4 kJ/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. 2. 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
2.3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)用字母表示则为: A + B-C
过渡态[A…B …C]
产物(终态) A-B + C
过渡态 反应进程中体系能量的变化如下图:
• •
位
有机化学教案 第二章
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: CH 3·
Cl-Cl
242.5
Cl ·H-CH 3
435.1
δδ
CH 3[ Cl…H … ]过渡态Ⅰ
HCl
431
·CH 3
ΔH 1= 4.1KJ / mol
E 1= 16.7KJ / mol
δδ
CH 3[ Cl…Cl … ]过渡态Ⅱ
CH 3Cl 351.4
Cl ·
ΔH 2= -108.9 KJ / molE 2= 4.2 KJ / mol
位
能
• •
反应进程
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=9.8
KJ/mol;;E 活Cl=16.7 KJ/mol;E 活Br=75.3 KJ/mol;E 活I>138 KJ/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。
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