当前课程知识点:有机化学 > 第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃 > 2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应 > 2.2.2.2 烷烃的氧化、热解和异构化
烷烃的氧化是非常常见的一个反应
它主要分成两种情况
一种是自动氧化
也就是说它的特点是自动发生
而且反应发生得比较慢 叫做自氧化
而另外一种氧化是剧烈的氧化
我们称之为燃烧
在自氧化过程中间通常是氧分子
插入到比较活泼的碳氢键之间
那么插入到比较活泼碳氢键之间
就形成了一个过氧键
这种过氧键是一个很弱的键
很容易发生其他反应
最常见的是氧氧键发生均裂
引发一系列的自由基反应
那么前面我们以前所见到的
能够治疗疟疾的青蒿素
它是一个很少见的分子中间
含有这种氧氧键
而又比较稳定的化合物
那么对于烷烃的氧化反应的
第二种情况就是燃烧
燃烧是一种剧烈的氧化反应
它通常会生成二氧化碳 水
或者乃至不完全燃烧的时候
会形成一氧化碳以及碳
这里给大家介绍一个概念
就是完全燃烧
所谓完全燃烧就是烷烃在充分的
空气的作用下完全生成二氧化碳和水
那么这个过程 我们就叫做完全燃烧
在完全燃烧过程中间会放出热
这个热我们称它为燃烧热
用ΔH来表示
在放热反应中ΔH是小于零的
在吸热反应中ΔH是大于零的
这里要提醒一句是ΔH
是一个标准的数字
它要求反应的过程或者反应物
是在标准的状态下
例如是0.1兆帕时候的理想气体
或者如果是液体应该是纯粹液体
如果是固体它应该是结晶固体
好 那么利用燃烧热
我们可以判断一类化合物
尤其是含碳原子数相同的异构体
它的稳定性
比如说我们看一个反应
含有八个碳的烷烃
在充足的氧气作用下发生反应
生成八个二氧化碳分子和九个水分子
那么这个过程中它会放出热来
为了让数字简便
我们在ΔH前面加一个负号
那么也就是说这些所有的数字
都是它放热的值
我们看一下 对于八个碳的烷烃
它有可能是不同的异构体
它的不同异构体所对应的
反应的燃烧热是不同的
根据这个燃烧热值我们可以分析出
到底那个异构体它的稳定性是比较高的
我们还是利用这张表格
我们来画一下来分析一下这个过程
这个过程是一个从能量比较高的
八个碳原子的这么一个烷烃
经过燃烧放出热 能量降低
得到八个二氧化碳和九个水的过程
是从能量高的分子
降低能量 得到能量比较低的分子
所以最后它统一的都得到了
八个二氧化碳以及九个水分子
达到一个共同的一个状态
那么不同的起点它达到状态
所需要放出的热量或者能量是不一样的
对于含有没有任何支链
这么一个直链结构
那么它最后放出的能量
是5474.2千焦每摩尔
它所放的能量是最高的
而有一个支链 它所放的能量
是稍微低一些
大约放出来的是5469.2千焦每摩尔
当有两个支链的时候所放出的热量更少
是5462.1
如果支链数更多
有四个支链的话
它所放出的热量更少
大概是5455.4千焦每摩尔
那么也就是说根据这张图
我们可以很明显地发现
在这个燃烧放热过程中间
它们达到是同样的一个最终状态
那么它在反应过程中间放出来的能量越多
说明它原来的结构能量越高
而放出来的能量越少
说明它原来的结构能量越低
那么通过最后生成的这一张它的势能
它的一个放热的图我们可以得出结论
利用这个图
我们可以分析到底哪个结构比较不稳定
哪个结构稳定
而第二点我们可以分析出来
对于烷烃来说取代基多
或者支链数比较多
它的稳定性是比较大的
这是我们利用燃烧热来分析烷烃的结构
并且得出了取代基比较多的烷烃
它的稳定性是比较高
下面再看一个新的概念
叫做生成热
生成热对化合物来说也是一个重要的参数
它指的是从标准状态下
由元素来生成某一个化合物
这个过程中焓的变化
那么这个元素是有要求的
在标准状态下碳元素要求是石墨
氧是气体的纯粹的氧气
氢是气体的纯粹的氢气
也就是说它在模拟一个过程
利用石墨的碳和气体的氢在一起发生反应
生成某一个烷烃
这个过程中间放出的热叫做生成热
利用生成热我们也可以
判断一个化合物的稳定性
同样的 如果这个生成热的值
是小于零的 说明这个过程是一个放热
起点能量高 终点能量低
所以是一个放热过程
而如果ΔH大于零
说明元素比产物稳定
这个过程是一个吸热的过程
我们看一个例子
如果用4当量的石墨碳
和5当量的氢气在一起反应
那么就可以得到一个烷烃
如果得到正丁烷的话
它需要放出125.66千焦每摩尔能量
说明元素的稳定性
不如最后得到的产物烷烃的稳定性
所以烷烃是更稳定的
利用这个我们能知道
最后烷烃是比较稳定的
而且利用生成热这个值
我们还可以比较不同烷烃
它的稳定性差别
比如说我们看 同样还是这个情况
利用4个当量的石墨碳
和5个当量的气体氢
最后生成四个碳十个氢的这么一个烷烃
它有可能是直链形的烷烃
也有可能是一个支链的烷烃
它放出的热量是不同的
我们可以同样地利用一个图
来表示这个过程
生成热反应的一个过程
和燃烧热是不一样的
生成热它的这个过程起点是一样的
也就是起点都是四个碳和五个氢
这四个碳和五个氢
生成直链的烷烃的时候
它放出的热量是125.66千焦每摩尔
而如果它生成的是一个支链的烷烃
它放出的热量更多
是134.19每摩尔
那么也就是说通过这样的起点
生成直链烷烃放出的热量比较少
生成这种含支链的烷烃
它放出的热量是比较多的
那么从这个能级的关系来看
或者从能量关系来讲
含有这个支链的结构是比较稳定的
含有支链结构它的能量是比较低
它是比较稳定的
所以根据生成热的这个数字
我们也可以得到两个结论
一个通过比较生成热的数据
我们能知道其中一个异构体是不太稳定的
而另外一个异构体是比较稳定的
而且我们也得出结论
含量支链的结构是比这种直链结构来说
是更稳定的
所以这两点得出的结论
和我们前面用燃烧热得出的结论
是完全一致的
而事实上从生成热反映它过程的
这一个能量图
以及从燃烧热反映这个过程的能量图来讲
我们可以看出来两者是互相互补的
你无论用生成热也好
或者用燃烧热也好
都可以来分析它不同异构体的稳定性
只不过利用生成热很直观
但是生成热的数据不太容易获得
而燃烧热的数据比较容易获得
但是在分析的时候不太直观
但是我们通常更愿意用燃烧热的数据
这种比较容易得到的燃烧热的数据
来分析不同异构体的稳定性
那么烷烃的第二个反应是热裂反应
所谓热裂反应 这个反应的一个重要条件
是要求在高温下反应
而且是在无氧条件下来发生反应
那么它的机制实际上是一个
在热作用下的一个自由基型的反应
这个反应通常在链的中间断裂
然后进行一系列的β断裂
利如这是一个烷烃
它很容易在链的中间
发生一系列的β断裂
就是发生均裂
这一对电子发生均裂
一对电子给了其中一个碳原子
另外一个电子给了其中的另外一个碳原子
所以在结构中间
也就是在整个分子链的任意一个位置
都有可能发生均裂
那么均裂的结果就生成了这一个
还有两个碳原子自由基
以及还有四个碳原子自由基
也就是说它各种的断裂可能性
在这儿断裂的可能性
形成甲基自由基和另外一个自由基
以及在这儿断裂生成乙基自由基
和四个碳的自由基
再有可能在这儿断裂
生成两个三个碳的自由基
那么也就是说第一步
发生碳碳键的均裂
生成自由基这个过程
它是一个很随机的过程
会生成各种各样的自由基
那么第二步是得到自由基
会进一步发生一个β断裂
生成的自由基的β断裂
实际上也就是在β位上
发生了一个断裂
我可以以其中的一个例子为例
分析一下它发生β断裂的情况
在发生β断裂的时候
自由基进入到α碳和β碳之间
而其中β碳的相邻这根键的一个电子
也过来配对成键
那么这个时候就在相邻位之间
又发生了另外一次的自由基的均裂
生成自由基
那么新生成自由基就是左边这个碳
变成了一个甲基自由基
而这一位的碳和原来有自由基的碳
分别各给出一个电子
那么这时候在这两个碳之间
形成了一个双键
也就是说发生β断裂
最后的结果是生成了一个新的自由基
以及一个乙烯分子
那么其他结构也会发生类似的β断裂
那当然了 最后生成的自由基
也可以互相结合
结合以后生成烷烃
那么就让反应终止了
这些烷烃也可能在其他地方
再发生一个自由基的断裂
那么导致新的一轮的热裂反应
好 这就是我们所讲的热裂反应
想给大家提醒一点的是
有时候我们可以用催化剂来进行热裂反应
那么这时候有可能反应机制
不是自由基型的 而是离子型的
烷烃的第三个反应是异构化反应
所谓异构化反应也就是说它这个反应
从其中的一个异构体
转变成另外一个异构体
这个反应就叫异构化反应
比如说有四个碳原子的直链化合物
在一定的催化剂和一定的压力温度下
它可以转化成含量一个支链的
一个四个碳的化合物
那么这个我们叫它异构化反应
它在异构化反应的时候
通常都需要一定的催化剂
来帮助反应进行
而这个反应通常是一个平衡
有时候我们可以利用这个反应
来改变这些烷烃的性质
得到性质更好的一个烷烃
这里想给大家提一个思考题
也就是对于这么一个异构化反应来说
它是从直链烷烃和支链烷烃之间
达到一个平衡
请大家思考
这个平衡是更容易偏向哪边
在达到平衡以后
是直链烃的结构比较多
还是支链烃的结构比较多
请大家思考一下这个问题
好 那么这就是我所介绍的
关于烷烃的氧化热解和异构化反应
谢谢大家
-1.1 概论
--1.1.1 引言
-1.2 有机化学基本知识
-第一章 绪论--1.2 有机化学基本知识
-1.3 有机化合物命名的基本原则
-第一章 绪论--1.3 有机化合物命名的基本原则
-1.4 酸碱理论
-第一章 绪论--第一章章节测试题
-2.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.1 引言
-2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--HW-第二章章节测试题
-3.1 不饱和烃的概述
-3.2. 烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.2. 烯烃的化学反应
-3.3 炔烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.3 炔烃的化学反应
-3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--HW-第三章章节测试题
-4.1 芳烃概论
--4.1 芳烃概论
-4.2 芳烃的分类和命名
-4.3 苯的物理性质
-4.4 苯的结构
-4.5 单环芳烃的化学性质
--4.5.5.6 Friedel-Crafts 烷基化反应
--4.5.5.7 Friedel-Crafts 酰基化反应
-4.6 芳环上亲电取代反应的定位效应
-4.7 稠环芳烃
-4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--HW-第四章章节测试题
-5.1 手性和对称性
-第五章 对映异构--5.1 手性和对称性
-5.2 含一个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.2 含一个不对称碳的化合物
-5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-5.4 环状手性化合物
-第五章 对映异构--5.4 环状手性化合物
-5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--HW-第五章章节测试题
-6.1 卤代烃的概述
--题目要求
-6.2 亲核取代反应
-第六章 卤代烃--6.2 亲核取代反应
-6.3 消除反应
-第六章 卤代烃--6.3 消除反应
-6.4 与金属的反应
-6.5 不饱和卤代烃
-第六章 卤代烃--HW-第六章章节测试题
-7.1 本章引言
-7.2 核磁共振谱
--7.2.2 核磁共振氢谱——7.2.2.4 氢谱的基本解析
-7.3 质谱
-7.4 红外光谱
--7.4.2 红外光谱与分子结构——7.4.2.1 特征官能团的红外吸收
-7.5 有机波谱综合解析
-第七章 波谱分析在有机化学中的应用--HW-第七章章节测试题
-8.1 引言
--8.1引言
-8.2 醇
-第八章 醇酚醚--8.2 醇
-8.3 酚
-第八章 醇酚醚--8.3 酚
-8.4 醚
-第八章 醇酚醚--8.4 醚
-第八章 醇酚醚--HW-第八章章节测试题
-9.1 引言
--9.1 引言
-第九章 醛和酮--9.1 引言
-9.2 醛、酮的物理性质
-第九章 醛和酮--9.2 醛、酮的物理性质
-9.3.1 醛、酮的反应概述
-9.3.2 醛、酮的亲核加成
-第九章 醛和酮--9.3.2 醛、酮的亲核加成
-9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-第九章 醛和酮--9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-第九章 醛和酮--9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-第九章 醛和酮--9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-9.5 醛、酮的制备
-第九章 醛和酮--HW-第九章章节测试
-10.1 概论
--10.1 概论
-10.2 羧酸的结构、分类和命名
-10.3 羧酸的物理性质和波谱特征
-10.4 羧酸的化学性质
-10.5 羧酸衍生物的结构与命名
-10.6 羧酸衍生物的物理性质和波谱特征
-10.7 羧酸衍生物的化学性质
-10.8 羟基酸的分类和命名
-10.9 羟基酸的化学性质
-10.10 β-二羰基化合物
-10.11 α-卤代酸及其衍生物
-10.12 羧酸的制备
-10.13 专题:油脂 蜡 磷脂
-11.1 绪论
--本章引言
-11.2 胺
--11.2.1
--11.2.2
--11.2.3.1
--11.2.3.2
--11.2.3.3
--11.2.3.4
-11.3 硝基化合物
-11.4 腈
-11.5 异腈
-11.6 重氮化合物
-11.7 偶氮化合物
-11.8 本章小结
-12.1 杂环化合物概述
--12.1概述
-12.2 吡咯、呋喃、噻吩
-12.3 吲哚 (苯并吡咯)
-12.4 吡啶
-12.5 喹啉、异喹啉 (苯并吡啶)
-12.6 含氧六元杂环
-12.7 多杂原子五元环、六元环介绍
-第十二章 杂环化合物--HW-第十二章章节测试题
-13.1 有机合成基础-part 1
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 1
-13.1 有机合成基础-part 2
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 2
-13.2 重排反应在实际有机合成中的应用
-13.3 碳水化合物-part 1
-13.3. 碳水化合物-part 2
--13.3.3.4 单糖的反应——醛糖的递升与递降反应及酮糖的特殊反应
-13.3. 碳水化合物-part 3
-13.3 碳水化合物-part 4
-13.4 氨基酸与多肽
-期中考试--二、 选择题
-期中考试--一、判断题
-期末考试--期末考试试题