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本课件分烯烃与炔烃两部分:先说明烯烃的sp2杂化与π键结构、顺反异构与系统命名,再讲解亲电加成、马氏规则与正碳离子稳定性;随后介绍共轭烯烃的共轭效应与加成方式,最后讲述炔烃的结构、命名与化学性质。
第三章 烯烃和炔烃:本章目录页。
(Alkenes and Alkynes)•链状单烯烃的通式:CnH2n•链状单炔烃的通式:CnH2n-2分子中含C=C双键的叫烯烃;而含C≡C叁键的叫炔烃。
烯烃和炔烃都是不饱和烃(Unsaturated hydrocarbons).
sp2杂化轨道之间的夹角为120o.1s22(sp2)12(sp2)12(sp2)12pz1轨道杂化后电子排布
旋转90°268kJ/mol
任何一个双键碳上若连接两个相同的原子或基团,则只有一种结构。
当分子中双键数目增加时,顺反异构体的数目也相应增加。
如:2,5-庚二烯有3个顺反异构体。
顺,顺-2,5-庚二烯顺,反-2,5-庚二烯反,反-2,5-庚二烯
问题:下列化合物是否存在顺反异构?
(二)烯烃的命名1.简单的烯烃常用普通命名法乙烯丙烯异丁烯异戊二烯ethylene propylene isobutylene isoprene
3-butyl-6-methyl-2-heptene庚烯6-甲基-3-丁基-123672-2.烯烃的系统命名与烷烃相似,只是在选母体和编号时要以C=C为准。
烯烃英文名称的词尾为“-ene”。
例1
1-十八烯二十烯碳碳二1,11-(1,11-eicosadiene)例2例3(octadecene)(3-Ethyl-2,4-hexadiene)例43-乙基-2,4-已二烯
烯基──是烯烃分子中去掉一个H后所剩余的基团。
异丙烯基2-丙烯基(烯丙基)2-propenyl(allyl)乙烯基ethenyl(vinyl)1-丙烯基(丙烯基) 1-propenyl
2-甲基-4-丙烯基-1,6-辛二烯例5课堂练习:命名
反,顺-2,5-庚二烯(错)1257
如果双键的两个碳原子所连接的原子(或基团)没有相同的,就无法简单地用顺反(cis-trans)来命名。
这种情况下就要采用Z-E构型命名法。
此命名法是用Z-和E-来表示两种不同的构型。
-I→-Br→Cl→-SH→-OH→-NH2→-CH3→-D→-H→ :•次序规则(sequence rule)的主要原则A.先大后小,先重后轻原子序数大者优先;同位素重者优先(顺序规则的核心)(E)-1-溴丙烯(Z)-1-溴丙烯(E)-1-Bromopropene (Z)-1-Bromopropene
B.当直接相连的原子相同时,就延伸下去,逐个比较次接原子,若还是相同,则继续顺着原子链找下去,直到找到优先基团为止。
(顺藤摸瓜)-CH2CH2CH3-CH2CH3-CH3←→→
C.遇到双键或叁键时,则当作两个或三个单键看待。(重键化单)看作看作看作
常见的不饱和基团的优先次序可排列如下:Z-型双键→E-型双键;R构型→S构型
Z-E构型命名法适用于所有具有顺反异构体的烯烃的命名。
目前Z-E构型命名法与顺反构型命名法同时并用,但这两套命名法之间没有必然的对应关系。
顺反异构体的性质差别•物理性质:顺反异构体的物理性质如熔点、沸点和偶极矩等均有显著的不同。
可以根据顺反异构体不同的物理、化学和生物活性差异来区分不同的异构体。
烯键是反映烯烃化学性质特征的官能团。
烯烃能起加成、氧化、聚合等反应,其中以加成反应为烯烃的典型反应。
加成反应就是将双键中的π键打开,双键的两个碳原子上各加一个原子或基团,形成两个新的σ键,使不饱和的烯烃变成饱和的化合物。
碳原子sp2杂化平面型结构碳原子sp3杂化四面体型结构
暴露的π电子云使C=C双键类似Lewis碱,作为电子对供体与Lewis酸(亲电试剂,如HX, X2, …)反应,形成加成产物,称为亲电加成反应。
E+-Nu-Nu-
本页以图示为主,文字内容详见原课件页面。
与碘则难发生加成反应。
烯烃与溴或氯的加成具有立体选择性,通常生成反式加成的产物。
反-1,2-二溴环己烷
由于决定加成反应的第一步是极化了的溴分子中带正电荷部分进攻π电子云,因此称此加成反应为亲电加成反应(electrophilic addition reaction)。
烯烃与卤化氢、硫酸、次卤酸等也能发生亲电加成反应。
反应通常在烃类及中等极性的无水溶剂中进行。
HF也能发生加成反应,但同时使烯烃聚合。
极性催化剂可以加速反应。
马尔可夫尼可夫规则(Markovnikov’s Rule):不对称烯烃与不对称试剂的加成,氢主要加到含氢较多的双键碳原子上.
正碳离子中间体亲电性加成的中间体是环状鎓离子还是链状正碳离子,取决于这两种中间体的相对稳定性。
由于质子的半径较小,不易形成稳定的环状鎓离子,因此中间体主要以链状的正碳离子形式存在。
通常烯烃不易与水直接反应,但在硫酸等强酸存在下,烯烃可与水加成生成醇。
加成时遵循Markovnikov规则。
烷烃与硫酸一般不作用,可用此法除去烷烯混合物中的烯烃.4.加水
不对称烯烃与不对称试剂按Markovnikov规则加成的区域选择性取决于正碳离子中间体的稳定性。
正碳离子的稳定性大小则与其结构有关,即与正碳上所连接的原子和基团的性质有关。
(1)诱导效应(Inductive effect, I )分子中原子相互影响的实质,一般可用电子效应(electriceffect)和立体效应(stereoeffect)来描述。
电子效应——指分子中电子密度分布的改变对性质产生的影响。
它又可分为诱导效应(Inductiveeffect,I)和共轭效应(Conjugativeeffect,C)两类。
立体效应——指分子的空间结构对性质所产生的影响。
诱导效应——由于分子中电负性不同的原子或基团的影响使整个分子中成键的电子云沿碳链(共价键)向一个方向偏移,使分子发生极化的现象。
•Cl诱导效应吸电子诱导效应(-I )斥电子诱导效应(+I )
诱导效应中电子偏移的方向以C—H键中H作为比较标准.+I-I如果取代基X的电负性大于H,X具有吸电子性,故称为吸电子基或亲电基。
由它引起的诱导效应叫做吸电子诱导效应或亲电诱导效应,一般用-I表示。
如果取代基Y的电负性小于H,Y具有供电子性,称为斥电子基或供电基。
由它引起的诱导效应叫做斥电子诱导效应或供电诱导效应,一般用+I表示。
根据实验结果,得出一些取代基的电负性次序如下:N+R3→-NO2→ C=O →-F→-Cl →-Br →-I→-OCH3→-NHCOCH3→-C≡C →-C6H5→-CH=CH2→-H→-CH3→-C2H5→-CH(CH3)2→-C(CH3)3→-COO-→-O-在H前面的为吸电子基,在H后面的为斥电子基。
(2)诱导效应的传递诱导效应是永久存在的电子效应,这种效应沿着分子链由近及远传递下去并逐渐减弱,一般经过2~3个碳原子后即可忽略不计(单向极化,短程作用)。
pKa2.844.064.524.82
(3)正碳离子的稳定性烷基正碳离子为sp2杂化,其构型与烷基自由基的构型相似,也为平面结构:sp2杂化的碳具有比sp3杂化碳稍微大些的吸电子作用,与正碳离子相连的烃基具有斥电子诱导效应,可以使正碳离子上的正电荷得到分散。
正电荷的分散程度与正碳离子上所连接的供电子基多少有关。
叔正碳离子的正电荷可以分散到三个烃基上去;
仲正碳离子的正电荷只能分散到两个烃基上去;
而伯正碳离子的正电荷仅能分散到一个烃基上;
甲基正碳离子上没有烃基,正电荷不能得到分散。
因此,正碳离子的稳定性次序为:→
以丙烯和卤化氢的加成为例。
因为仲正碳离子比伯正碳离子稳定,所以反应的主产物是氢加到含氢多的双键碳原子上,卤素负离子加到含氢较少的双键碳原子上。
(主产物)
马尔可夫尼可夫规则应用到带有其它官能团的烯烃衍生物时,需要从原理上进行分析。
因此马尔可夫尼可夫规则更确切的说法是:当一种不对称试剂与双键发生离子型加成时,试剂中的正电性部分与双键碳原子中的哪一个结合,要看能否形成较稳定的正碳离子。
CH2=CH-CF3HBrAlBr3(A)主要产物
不饱和油脂的加氢;
用于烯烃的化学分析.
通过测定氢化热,可以比较烯烃的稳定性大小。
△H=-126.8 kJ·mol-1△H=-119.8 kJ·mol-1△H=-115.5 kJ·mol-1一般有:C=C双键上连接的取代基越多越稳定,反式烯烃比顺式稳定。
一般认为烯烃催化加氢反应的机制是氢首先被吸附在催化剂的表面上,并发生键的断裂,生成活泼的氢原子,同时烯烃的π键与催化剂的表面配合也被活化,然后一个活泼氢将烯烃的π键打开,与之结合生成一个中间产物,接着再加上第二个氢,生成烷烃后离开催化剂表面。
催化剂催化剂催化剂
烯烃催化加氢主要生成顺式加成产物。
当不对称烯烃与HBr加成时,如存在少量过氧化物(R-O-O-R),将主要得到反马尔可夫尼可夫规则产物。
反应属于游离基加成机制(Free-radical addition)。
这种现象叫做过氧化物效应(preoxide-effect)。
(仲游离基比伯游离基稳定)(2) RO· +HBr——→ ROH +Br ·△H≈-54.5kj/mol在HX中,只有HBr有过氧化物效应!
烯烃的双键极易被许多氧化剂所氧化。
常见的氧化剂有高锰酸钾、过氧化物及臭氧等,空气中的氧也可使烯烃氧化。
烯烃与中性(或碱性)高锰酸钾的冷溶液反应,双键处被氧化,生成邻二醇,KMnO4的紫红色褪去,生成褐色的MnO2沉淀。
cis-1,2-Cyclohexanediol(37%)环状中间体Cyclohexene5℃
较强的氧化条件,如酸性KMnO4溶液或加热,烯烃的C=C双键断裂,最终生成酮、羧酸、CO2或它们的混合物,而紫红色的高锰酸钾溶液褪为无色溶液。
臭氧化物臭氧化物易爆炸,一般不把它分离出来,而是将其直接加水水解,水解产物为醛或酮以及H2O2。
酮醛Zn/H+H2O
臭氧化物还原分解的产物为醛和酮,相当于在烯烃碳-碳双键断裂处各加上一个氧原子。
用于从烯烃制备某些醛或酮。
环氧化反应是立体专一性的顺式加成反应,生成的环氧化物仍保持原来烯烃的构型。
环氧化合物在酸性或碱性条件下水解可以得到羟基处于反位的邻二醇:在活性银的催化下,空气中的氧气也可将烯烃氧化为环氧化合物:
四、共轭烯烃聚集二烯(Cumulenes):CH2=C=CH2 (allene)隔离二烯(Isolated dienes): CH2=CH-(CH2)n-CH=CH2n≥1共轭二烯(Conjugated dienes):CH2=CH-CH=CH2(一)分类
CH2=CH—CH=CH2(二)共轭二烯的结构C2-C3间的p轨道的重叠使4个p电子的运动范围不再局限在C1-C2及C3-C4之间,而是扩展到4个碳原子的范围,这样形成的π键称为大π键或共轭π键。
键长平均化,C2-C3有部分双键的性质1.键长平均化
3.共轭效应当共轭体系受到外电场的影响(如试剂进攻等)时,电子效应可以通过π电子的运动、沿着整个共轭链传递,这种通过共轭体系传递的电子效应称为共轭效应。
分斥电子共轭效应(+C)和吸电子共轭效应(-C)两类。
共轭效应沿整个共轭体系传递的特点是:交替极化,远程作用。
2.p-π共轭起因于π键与邻近p轨道的重叠
相关键长比较Π34
起因于π键与相邻C-Hσ键的重叠3.σ-π超共轭δ-δ+非共轭超共轭
起因于p轨道与相邻C-Hσ键的重叠4.σ-p超共轭3 (σ-p)超共轭
6 (σ-p)9 (σ-p)+正碳离子稳定性←←
•诱导效应与共轭效应的比较
1,4-加成产物属二取代烯烃,较1,2-加成产物(属单取代烯烃)稳定,高温有利于热力学上稳定的产物生成,且1,2-加成产物也可以转化为较稳定的1,4-加成产物(平衡控制产物)。
但1,2-加成产物比1,4-加成产物的活化能低,因此,低温时1,2-加成比1,4-加成的反应速率快,主要生成1,2-加成产物(速率控制产物)。
-15℃55% 45%60℃10% 90%
*2.Diels-Alder反应共轭二烯与含双键和叁键的化合物反应,生成具有六元环状结构的化合物,这种环加成反应称为Diels-Alder反应,也称双烯合成(diene synthesis)。
环己烯
与共轭二烯烃发生环加成的含双键或叁键的化合物称为亲二烯体(dienophile),当亲二烯体的不饱和键上连接-CHO、-COR、-COOR、-CN、-NO2等吸电子基团,而共轭烯烃的双键上连接供电子基时,将有利于Diels-Alder反应的发生。
顺-丁烯二酸酐四氢化邻-苯二甲酸酐
Diels-Alder反应具有很强的立体专一性,在反应产物中,共轭二烯烃和亲二烯体都保持原来的构型关系。
≡CH CH3-C≡CH CH3-C≡C-CH3乙炔丙炔2-丁炔含有碳碳叁键(C≡C)的碳氢化合物称为炔烃。
链状单炔烃的通式为CnH2n-2,与二烯烃互为同分异构体。
sp杂化轨道之间的夹角为180o.1s22(sp)12(sp)12py12pz1轨道杂化后电子排布
与同数碳原子的烯烃相比,炔烃的异构体数目相对较少。
例如,丁炔只有下面两个位置异构体:1-丁炔2-丁炔
炔烃系统命名的方法与烯烃相似。
炔烃的英文名称词尾为-yne。
4,4-二甲基-2-己炔(4,4-Dimethyl-2-hexyne)3-甲基-1,4-己二炔(3-Methyl-1,4-hexadiyne)
当化合物同时含有双键和叁键时,若双键和叁键距离碳链末端的位置不同,应该从靠近不饱和键的一侧编号。
3-戊烯-1-炔(3-Penten-1-yne)H2C=CHCH2C≡CCH31-己烯-4-炔(1-Hexen-4-yne)若双键和叁键距离碳链末端的位置相同,则按先烯后炔的顺序编号。
炔烃去掉一个氢称为炔基。
较复杂的炔烃也可将炔基作为取代基来命名。
5-乙炔基-1,3,6-庚三烯5-ethynyl-1,3,6-heptatriene乙炔基丙炔基炔丙基Ethynyl Propynyl2-Propynyl
简单炔烃的沸点、熔点及密度等比相应烯烃要高。
炔烃难溶于水,易溶于丙酮、石油醚及苯等有机溶剂中。
但C≡C中碳原子是sp杂化,使其化学性质与烯烃也有一些区别,炔烃能发生一些烯烃不能发生的反应。
因此,炔氢显示较弱程度的酸性,可以被一些金属离子取代。
乙炔、乙烯和乙烷的酸性强弱次序如下:pKa~25~44~50
乙炔及RC≡CH类型的炔烃在液氨溶液中与氨基钠反应,生成相应的炔化钠:乙炔及端炔烃与硝酸银或氯化亚铜的氨溶液反应,可生成白色的炔化银沉淀及红棕色的炔化亚铜沉淀:动画模拟:HC≡CH + Ag(NH3)2NO3
RC≡CH + Cu(NH3)2+—→RC≡CCu↓ + NH3+ NH4+动画模拟:HC≡CH+ Cu(NH3)2Cl炔化银等金属炔化物称为“炔凎”,故上述反应也称为“炔凎反应”,其灵敏度很高,常用来鉴别具有RC≡CH结构的端炔烃。
干燥的炔凎受热或受震动时易发生爆炸,试验结束后应及时加入稀HNO3将其分解。
若用特殊方法制备的催化剂,如Lindlar Pd(将金属钯的细粉末沉淀在碳酸钙上,再用醋酸铅溶液处理以降低其活性),反应也可以停留在生成烯烃的一步,产物为顺式烯烃。
这个方法的立体专一性很强,可以制备顺式烯烃。
顺-4-十三碳烯
反-1,2-二氯乙烷(主产物)
当分子内同时存在碳-碳叁键和碳-碳双键时,控制卤素用量可使碳-碳双键优先加成:炔烃可使溴的四氯化碳溶液褪色,此反应也可作为炔烃的鉴定试验,但褪色速率比烯烃慢。
课堂练习:试用简单的化学方法鉴别丙烷,丙烯和丙炔
炔烃加卤化氢的反应速率也比烯烃慢。
反应分两步进行,首先加一分子HX生成卤代烯烃,继续加HX生成二卤代烷。
加成反应也遵守Markovnikov规则。
反-3-氯-3-庚烯(95%)
炔烃与HBr加成也存在过氧化物效应,反应机制也是自由基加成,生成反Markovnikov规则的产物。
在汞盐催化下,炔烃在稀硫酸溶液中,能与水发生加成反应,首先生成烯醇,然后异构化为更稳定的羰基化合物,此反应也称为炔烃的水合反应。
不对称炔烃加水也遵守Markovnikov规则。
根据生成产物的种类和结构推断炔烃的结构。
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