化学的竞赛辅导7--炔烃和二烯烃
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第四章炔烃和二烯烃(I )炔烃一、定义、通式和同分异构体定义:分子中含有碳碳叁键的不饱和烃。
通式:C n H 2n-2同分异构体:与烯烃相同。
二、结构在乙炔分子中,两个碳原子采用SP 杂化方式,即一个 2S 轨道与一个2P 轨道杂化, 组成两个等同的 SP 杂化轨道,SP 杂化轨道的形状与 SP 2、SP 3杂化轨道相似,两个SP 杂化 轨道的对称轴在一条直线上。
两个以SP 杂化的碳原子,各以一个杂化轨道相互结合形成碳碳6键,另一个杂化轨道各与一个氢原子结合,形成碳氢 6键,三个6键的键轴在一条直线上,即乙炔分子为直线型分子。
每个碳原子还有两个末参加杂化的P 轨道,它们的轴互相垂直。
当两个碳原子的两P轨道分别平行时,两两侧面重叠,形成两个相互垂直的 n 键。
三、命名炔烃的命名原则与烯烃相同,即选择包含叁键的最长碳链作主链,碳原子的编号从 距叁键最近的一端开始。
若分子中即含有双键又含有叁键时,则应选择含有双键和叁键的最长碳链为主链, 并将其命名为烯炔(烯在前、炔在后)。
编号时,应使烯、炔所在位次的和为最小。
例如:CfCfCHCHDHC 三 CH3-甲基-4-庚烯-1-炔CH 3但是,当双键和叁键处在相同的位次时,即烯、炔两碳原子编号之和相等时,则从 靠近双键一端开始编号。
如:Cf 二C 比三CH1-丁烯-3-炔四、 物理性质与烯烃相似,乙炔、丙炔和丁炔为气体,戊炔以上的低级炔烃为液体,高级炔烃为 固体。
简单炔烃的沸点、熔点和相对密度比相应的烯烃要高。
炔烃难溶于水而易溶于有机溶剂。
五、 化学性质 (一)加成反应1、催化加氢炔烃的催化加氢分两步进行,第一步加一个氢分子,生成烯烃;第二步再与一个氢分加成,生成烷烃。
催化剂HC 三 CH + H 2 —CH2、加卤素炔烃与卤素的加成也是分两步进行的。
先加一分子氯或溴,生成二卤代烯,在过量 的氯或溴的存在下,再进一步与一分子卤素加成,生成四卤代烷。
HC 三CH + Br2 -------- Br=CHBrCHB 广2CHB 2虽然炔烃比烯烃更不饱和,但炔烃进行亲电加成却比烯烃难。
第七章炔烃和二烯烃Chapter 7 alkynes and alkdienes炔烃是分子中含有碳碳叁键的烃,炔烃比相应的烯烃少两个氢原子,通式为C n H2n-2。
第一节炔烃的结构和命名乙炔是最简单的炔烃,分子式为C2H2,构造式为HC ≡ CH。
根据杂化轨道理论,乙炔分子中的碳原子以sp杂化方式参与成键,两个碳原子各以一条sp杂化轨道互相重叠形成一个碳碳σ键,每个碳原子又各以一个sp轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠,各形成一个碳氢σ键。
此外,两个碳原子还各有两个相互垂直的未杂化的2p轨道,其对称轴彼此平行,相互“肩并肩”重叠形成两个相互垂直的π键,从而构成了碳碳叁键。
两个π键电子云对称地分布在碳碳σ键周围,呈圆筒形。
乙炔分子中π键的形成及电子云分布其它炔烃中的叁键,也都是由一个σ键和两个π键组成的。
现代物理方法证明,乙炔分子中所有原子都在一条直线上,碳碳叁键的键长为0.12 nm,比碳碳双键的键长短,这是由于两个碳原子之间的电子云密度较大,使两个碳原子较之乙烯更为靠近。
但叁键的键能只有836.8 kJ·mol -1,比三个σ键的键能和(345.6 kJ·mol -1 × 3)要小,这主要是因为p轨道是侧面重叠,重叠程度较小所致。
乙炔分子的立体模型。
由于叁键的几何形状为直线形,叁键碳上只可能连有一个取代基,因此炔烃不存在顺反异构现象,炔烃异构体的数目比含相同碳原子数目的烯烃少。
Kekule 模型 Stuart模型乙炔的立体模型示意图炔烃的系统命名法与烯烃相同,只是将“烯”字改为“炔”字。
例如:CH3C≡CH CH3C≡CCH3(CH3)2CHC≡CH丙炔 2-丁炔 3-甲基-1-丁炔分子中同时含有双键和叁键的化合物,称为烯炔类化合物。
命名时,选择包括双键和叁键均在内的碳链为主链,编号时应遵循最低系列原则,书写时先烯后炔。
CH3-CH=CH-C≡CH CH2=CH-CH=CH-C≡CH 3-戊烯-1-炔 1,3-己二烯-5-炔双键和叁键处在相同的位次时,应使双键的编号最小。
炔烃与二烯烃44第四章炔烃和二烯烃第一节炔烃炔烃是含有(triple bond)。
二烯烃是含有两个C=C的不饱烃。
两者都比碳原子数目相同的单烯烃少两个氢原子,通式CnH2n-2.一、炔烃的结构乙炔的分子式是C2H4,构造式碳原子为sp杂化。
两个sp杂化轨道向碳原子核的两边伸展,它们的对称轴在一条直线上,互成180°。
在乙炔分子中,两个碳原子各以一个sp轨道互相重叠,形成一个C-Cσ键,每个碳原子又各以一个sp轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成C-Hσ键。
此外,每个碳原子还有两个互相垂直的未杂化的p轨道(px,py),它们与另一碳的两个p轨道两两相互侧面重叠形成两个互相垂直的π键。
两个正交p轨道的总,其电子云呈环形的面包圈。
故乙炔的叁键是由一个σ键和两个相互垂直的π键组成。
两个π键的电子云分布好像是围绕两个碳原子核心的圆柱45状的π电子云。
乙炔分子中两个碳原子的sp轨道,有性质,s轨道中的电子较接近了核。
因此被约束得较牢,sp轨道比sp2轨道要小,因此sp杂化的碳所形成的键比sp2杂化的碳要短,它的p 电子云有较多的重叠。
现代物理方法证明:乙炔中所有的原子都在一条直线上,键的键长为0.12nm,比C=C键的键长短。
就是说乙炔分子中两个碳原子较乙烯的距离短,原子核对于电子的吸引力增强了。
键能为835KJ/mol. (第一个π键能225 835-610=225)(C=C 610 KJ/mol, π键能264.4 610-345.6=264.4;C-C 345.6KJ/mol)二、炔烃的命名炔烃的命名法和烯烃相似,只将\烯\字改为\炔\。
如:若同时含有叁键和双键,这类化合物称为烯炔。
它的命名首先选取含双键和叁键最长的碳链为主链。
位次的编号通常使双键具有最小的位次。
三、炔烃的物理性质炔烃的沸点比对应的烯烃高10-20°C,比重比对应的烯烃稍大,在水里的溶解度也比烷、烯烃大些。
四、炔烃的化学性质反应都发生在叁键上,叁键是炔烃的官能团。
炔烃和二烯烃(Alkynes and Dienes)炔烃:分子中含有碳碳叁键的烃。
二烯烃:分子中含有两个碳碳双键的烃。
炔烃与二烯烃的通式都为:C n H2n-2不饱和度为:2一炔烃的结构、异构和命名(Structure, isomerism, nomenclature and physical properties of alkynes )结构:碳为sp杂化,线型分子。
两个π轨道互相垂直,π电子云是以C—C键为轴对称分布。
相对比较稳定。
炔烃中的叁键中的碳为sp杂化,sp杂化轨道含较多的s成分,电子离核比较近,不易给出电子,因此不象烯烃那样,易受亲电试剂的进攻。
所以炔烃进行亲电加成的反应速度不如烯烃进行亲电加成的反应速度快。
杂化轨道的电负性问题:电负性大小sp >sp2>sp3,sp杂化轨道的原子电负性大,虽然炔烃中有两个π键,也不易给出电子,因此炔烃的亲电加成速度比烯烃的亲电加成速度慢。
从加成的中间体,乙烯基碳正离子的不稳定性也可以说明炔烃是不活泼的。
CH2CH CH2C C HBr2-20℃C H2CHC H2C C HBr Br1-戊烯- 4-炔4,5-二溴-1-戊炔异构:只有构造异构(碳链不同和叁键位置不同)无顺反异构。
命名:系统命名(IUPAC)C H3C H CC H3C H C H3C H2C C C H C H3C H2C H33-甲基-1-丁炔5-甲基-3-庚炔CH3CH CHC CH CH2CH CH2C CH3-戊烯-1-炔1-戊烯- 4-炔(从烯一端编号)C C (CH3)2CHCHH CH2C CH二(1-环己烯基)乙炔(E)-6-甲基-4-庚烯-1-炔H3CHCl C CBrHCH3(2S, 5S)-2-氯-5-溴-3-己炔普通命名:乙炔为母体 CH 3C CCH 3 CF 3C CH CH 2CH C CH二甲基乙炔 三氟甲基乙炔 乙烯基乙炔二 炔烃的反应 (Chemical reactions of alkynes)炔烃分子中含有C ≡C 叁键,和烯烃一样可发生加成反应和氧化反应。
第七章炔烃和二烯烃学习要求1 掌握炔烃的结构和命名。
2 掌握炔烃的的化学性质,比较烯烃和炔烃化学性质的异同。
3 掌握共轭二烯烃的结构特点及其重要性质。
4 掌握共轭体系的分类、共轭效应及其应用。
炔烃和二烯烃都是通式为C n H2n-2的不饱和烃,炔烃是分子中含有-C≡C-的不饱和烃,二烯烃是含有两个碳碳双键的不饱和烃,它们是同分异构体,但结构不同,性质各异。
§7.1 炔烃7.1.1 炔烃的结构最简单的炔烃是乙炔,我们以乙炔来讨论三键的结构。
现代物理方法证明,乙炔分子是一个线型分子,分之中四个原子排在一条直线上C C H0.106nm0.12nm180°杂化轨道理论认为三键碳原子既满足8电子结构结构和碳的四价,又形成直线型分子,故三键碳原子成键时采用了SP杂化方式 .1 sp杂化轨道2s2p2s2pspp激发杂化杂化后形成两个sp杂化轨道(含1/2 S和1/2 P成分),剩下两个未杂化的P轨道。
两个sp 杂化轨道成180分布,两个未杂化的P 轨道互相垂直,且都垂直于sp 杂 化轨道轴所在的直线。
180°spz 两个 的空间分布sp 三键碳原子的轨道分布图2 三键的形成σ乙烯分子的成键情况H 乙炔的电子云7.1.2 炔烃的命名1 炔烃的系统命名法和烯烃相似,只是将“烯”字改为“炔”字。
2 烯炔(同时含有三键和双键的分子)的命名: (1)选择含有三键和双键的最长碳链为主链。
(2)主链的编号遵循链中双、三键位次最低系列原则。
(3)通常使双键具有最小的位次。
7.1.3 炔烃的化学性质1 亲电加成Br 2C=C R BrBrR'R CC R BrBrBrBr ≡R-C C-R'≡R-C C-R'HX R-CH=C-R'XHXR C C R'X H H(1) R-C ≡C-H 与HX 等加成时,遵循马氏规则。
(2) 炔烃的亲电加成比烯烃困难。
7--炔烃和二烯烃炔烃是含有(triple bond)。
二烯烃是含有两个C=C的不饱烃。
两者都比碳原子数目相同的单烯烃少两个氢原子,通式Cn H2n-2。
§1 炔烃的结构、异构和物理性质一、炔烃的结构乙炔的分子式是C2H4,构造式碳原子为sp杂化。
两个sp杂化轨道向碳原子核的两边伸展,它们的对称轴在一条直线上,互成180o。
在乙炔分子中,两个碳原子各以一个sp轨道互相重叠,形成一个C-Cσ键,每个碳原子又各以一个sp轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成C-Hσ键。
此外,每个碳原子还有两个互相垂直的未杂化的p轨道(px ,py),它们与另一碳的两个p轨道两两相互侧面重叠形成两个互相垂直的π键。
两个正交p轨道的总和,其电子云呈环形的面包圈。
故乙炔的叁键是由一个σ键和两个相互垂直的π键组成。
两个π键的电子云分布好象是围绕两个碳原子核心的圆柱状的π电子云。
乙炔分子中两个碳原子的sp轨道,有s性质,s轨道中的电子较接近了核。
因此被约束得较牢,sp轨道比sp2轨道要小,因此sp杂化的碳所形成的键比sp2杂化的碳要短,它的p电子云有较多的重叠。
现代物理方法证明:乙炔中所有的原子都在一条直线上,键的键长为0.12nm,比C=C键的键长短。
就是说乙炔分子中两个碳原子较乙烯的距离短,原子核对于电子的吸引力增强了。
键能为835KJ/mol.(第一个π键能225 835-610=225)(C=C 610KJ/mol, π键能264.4 610-345.6=264.4;C-C 345.6KJ/mol)二、炔烃的异构和命名1. 炔烃的异构炔烃的异构是由于碳架不同或散件位置不同而引起的。
在碳链分支的地方不可能有三键,炔烃也没有顺反异构体,因此,炔烃的异构比烯烃简单。
2.炔烃的命名炔烃的命名法和烯烃相似,只将“烯”字改为“炔”。
如:若同时含有叁键和双键,这类化合物称为烯炔。
它的命名首先选取含双键和叁键最长的碳链为主链。
位次的编号通常使双键具有最小的位次。
三、炔烃的物理性质炔烃的沸点比对应的烯烃高10-20°C,比重比对应的烯烃稍大,在水里的溶解度也比烷和烯烃大些。
§2.炔烃的反应炔烃的反应都发生在叁键上,叁键是炔烃的官能团。
1.炔烃的酸性①含炭酸和烃类的酸性有机化合物中C-H键的电离可以看作是酸性电离:R3C H R3C- + H+ pKa= -logKa通常称这种酸为含炭酸,含炭酸的共轭碱为碳负离子。
由于碳的电负性较小,烃类作为含炭酸,其酸性极弱,一般情况下Ka不能直接测定。
乙烷、乙烯、乙炔作为含碳酸,其共轭碱分别为:H2C H3C2sp sp2sp3带负电荷的碳原子,其轨道s成分越大,稀淡紫的能力越强,相应的碱碱性越弱,而共轭酸的酸性越强。
因此,共轭碱的碱性强弱次序为:H2C CH<<HC C H3C CH2而酸性强弱次序为:>>H2C CH2HC CH H3C CH3②炔化物的生成RC CH + Na+NH2-3RC CNa+ NH3这可以看作是酸碱反应。
RC CH + n -C4H9RC CLi+ n-CH104RC CH + C2H5RC CMgBr + C2H6可以看作是强酸(炔烃)与弱酸(烷烃)的盐(烷基锂或格氏试剂)之间的反应,生成的炔化物的性质与一般的有机金属化合物相同。
③过度金属炔化物将乙炔或RC CH型炔烃加入硝酸银或氯化亚铜的氨溶液中,立即生成炔化银的白色沉淀或炔化亚铜的红色沉淀。
这个反应很灵敏,现象较显著,可以用于乙炔或RC CH型炔烃的定型鉴定。
HC CH+ 2Ag(NH3)2NO3AgC CAg+ 2NH4NO3 + 2NH3HC CH+ 2Cu(NH3)2Cl CuC CCu+ 2NH4Cl + 2NH32.亲电加成:亲电加成,炔需首先给出电子对与正离子结合,与烯相比,炔烃的键的碳为sp杂化,吸电子能力比较强,故不易给出电子对,所以较烯烃不易进行亲电加成反应。
再者,叁键的键长(0.12nm)比双键(0.134nm)短,它的p电子云有较多的重叠,所以π键较难被打开。
①与卤素:(双烯优先与Br反应)②与HX③水化先生成烯醇(不稳定),立即转变成稳定的羰基化合物。
RC CH+H OHH RC CH 2H2O RC CH2OH2H2OC CH2ROH+ H3O+CCH2RO HRCCH3O炔烃在含硫酸汞的稀硫酸水溶液中易与水反应,汞盐是做催化剂。
这一反应相当于水加到叁键上,先生成一个很不稳定的乙烯醇,羟基直接与碳碳双键相连,故称为烯醇。
它进行分子内部重排成为羰基化合物。
这里的炔与H-OH的加成遵循马氏规则,其他炔烃水化时,则变成酮。
这类反应的一个缺点是,汞盐毒性大,影响健康,污染水域,所以目前世界各国都在寻找它的低毒或无毒催化剂。
(但工业上主要改用以乙烯为原料的Waeker法)PdCl2催化乙烯水合为乙醛(1938)CuCl2为辅助催化剂。
3.硼氢化反应炔烃的硼氢化可以停留在含烯键产物的一步:C2H5C CC2H5BH3 -THF C2H5HC2H53B硼氢化物用酸处理生成顺式烯烃,氧化则生成酮或醛:C2H5HC2H53B HOAc C2H5HC2H5HH2O2,OH-C2H5HC2H5OHC2H5CH2COC2H5采用位阻大的而取代鹏烷作试剂,可以使散件在链短的炔烃置于一摩尔鹏烷加成,产物经氧化水解后得到醛(由炔烃地直接水解只能得到酮)CH3(CH2)5C CH R2BH H3C(H2C)5HHBR2H O ,OH-CH3(CH2)5CH2CH O4.氧化① KMnO4:反应后高锰酸钾溶液颜色褪去,这个反应可用作定性鉴定。
② O3炔烃和臭氧作用生成臭氧化合物,遇水很快为水分解生成酸。
可由产物推测炔的结构。
③叁键比双键难于氧化,双键和叁键同时存在时,双键首先被氧化。
可以这样理解,炔是还原剂,CrO3是氧化剂,还原剂是失去电子的,炔与烯相比,炔不易失去电子,故不易被氧化。
5.催化氢化炔烃能与两分子H2加成,断开一个π键,加入一分子H2,成为烯烃;然后再断开第二个π键加入另一分子H2成为烷烃。
①π键(均裂)第一个π键键能225KJ/mol C=Cπ键键能264.4KJ/mol常常是第一步反应的速率比第二步快,因此在适当的条件下,炔烃的加成可以终止在第一步,生成烯烃衍生物。
如在弱的氢化催化剂(Pd或Ni)和适量的氢气中,炔烃可以被氢化到烯烃。
若在强的氢化催化剂(Pt)和过量的氢气中,则炔烃被氢化成烷烃。
②选择一定的催化剂,能使炔烃氢化停留在烯烃阶段,并还可控制产物的构型。
(ⅰ) Lindlar 催化剂和P-Z催化剂催化氢化,主要生成顺式烯烃。
Lindlar 催化剂:用醋酸铅钝化后的沉积在碳酸钙上的钯:[ Pd/CaCO3]P-Z催化剂:Ni2B,它是有醋酸镍和钠硼氢制成。
催化剂加氢顺式加成产物。
机理:(1)(2)(3)(4)(机理:introduction organic chemistry p345-6)(以上徐积功 p129-130)(ⅱ)用钠或锂在液氨中还原,生成反式烯烃。
③炔烃部分氢化时,叁键首先氢化成烯烃。
σ键断裂,形成C-H 根据催化氢化机理,第一步是吸附,然后π键打开,H2σ键,最后解吸。
打开第一个π键需225KJ/mol打开C=C键需264.4KJ/mol 故优先氢化。
还原剂H.“给出电子”或C=C是氧化剂C“得到电子”因氢化是H2中C为sp杂化。
s成分较sp2多,吸电子能力sp杂化的C比sp2杂化的C强故易被还原首先氢化(得氢)。
(有机化学中,得到氢叫还原,在这个反应中,氢是还原剂,烯、炔是氧化剂,容易得到电子的优先被还原,炔中的C为sp杂化,吸电子能力较强,所以优先比烯被还原,得到氢)6.与HCN、EtOH、CHCOOH等的反应:37. 聚合:炔烃能起聚合反应,它一般不聚合成高聚物,在不同的催化剂作用下,发生不同的低聚反应,二聚、三聚、四聚。
①②③§3.炔烃的制备1.由二元卤代烷脱卤化氢①邻二卤代烷的脱卤二卤代烷脱去第一分子卤化氢是比较容易的,是制备不饱和卤代烃的一个有用的方法。
脱去第二分子卤化氢较困难,需使用较激烈的条件用热的KOH才能形成炔烃。
或NaOH(醇)溶液,或使较强的碱用NaNH2②偕二卤代烷脱卤化氢加热,即可制得炔烃。
实际上酮在有吡啶的干燥苯中与PCl52. 由炔化物制备(RX,2°,3°,主要起消除反应,使RX变为烯)3.四卤代烷的脱卤四卤代烷的脱卤反应很少应用,这是因为这种卤代物本身常常是从炔烃制得的。
可用来保护叁键,将叁键转变为四卤代烷,之后再用锌粉处理的使叁键再生。
§4.乙炔1.制法:工业制法主要有两种(1)电石法CaC2 + 2H2Ca(OH)2 + HC CH(2)由烃类裂解2.性质:易溶于丙酮。
为了运输和使用的安全,通常把乙炔在1.2MPa下压入盛满丙酮浸润饱和的多孔性物质(如硅藻土、软木屑、或石棉)的刚筒中。
乙炔是易爆炸的物质,高压的乙炔,液态或固态的乙炔受到敲打或碰击时容易爆炸,乙炔的丙酮溶液是安全的,故把它溶于丙酮中可避免爆炸的危险。
3.用途有多种用途,如:合成氯丁橡胶§7.共轭效应和共振式简论一、共轭效应从1,3-丁二烯的分子轨道的讨论指出,在其共轭体系中,四个π电子是在四个碳原子的分子轨道中运动,这种离域的结果,使其电子云密度的分布有所改变,从而使其内能更小,分子更稳定,键长趋于平均化,这样由于共轭产生的效应叫做共轭效应(Conjugative effect)共轭效应产生的必要条件:①共平面性:共轭体系中各个σ键都在同一平面内。
②参加共轭的p轨道互相平行。
如果共平面性受到破坏,使p轨道的相互平行就发生偏离,减少了它们之间的重叠,共轭效应就随之减弱,或者消失。
(一)共轭效应的表现:1.键长趋于平均化:由于电子云密度分布的改变,在链状共轭体系中,共轭链愈长,则双键及单键的键长愈接近。
趋于相等。
如:2.折射率较高光线穿过真空的速度与穿过透明物质的速度之比称为该物质的折光率。
实际测定时以空气为相对标准,即光线在空气中的速度与在透明物质中的速度之比称为该物质的折光率。
光在物质中减速是因受分子中电子,特别是结合得不太紧的价电子的干扰而引起的。
而这种干扰是与分子的极化直接相联的。
分子越极化,折光率越高。
说明该分子易极化,由于共轭体系π电子云易极化,因此它的折光率也比相应的孤立二烯烃高。
3.共轭二烯烃体系的能量低决定内能大小方法之一就是测量氢化热,氢化热越低,分子内能越低。
这是因为它们分子中4个π电子处于离域的π轨道中,共轭的结果,使共轭体系具有较低的内能,分子稳定。
(二)共轭体系的类型:(三)共轭效应的传递共轭效应沿共轭π键传递,不受距离的限制。