2022年高中化学奥赛有机第三讲烯烃 .pdf
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1、优秀学习资料欢迎下载专题三烯烃1. 烯烃的结构、异构及命名一、烯烃的结构乙烯是最简单的烯烃, 分子式为 C2H4 , 构造式 H2C=CH2 , 含有一个双键C=C,是由一个 键和一个 键构成。 杂化轨道理论设想碳原子成键时, 由一个 s 轨道和两个p 轨道进行杂化, 组成三个等同的sp2杂化轨道 ,sp2轨道对称轴在同一平面上 , 彼此成 1200角. 此外 ,还剩下一个2p 轨道 , 它的对称轴垂直于sp2轨道所在的平面 . C-C 键在乙烯分子中,两个碳原子各以一个sp2轨道重叠形成一个C-C键,又各以两个sp2轨道和四个氢原子的1s轨道重叠,形成四个C-H键,五个 键都在同一平面上。每
2、个碳原子剩下的一个p 轨道,它们平行地侧面重叠,便组成新的分子轨道,称为轨道。1. 键的特点: 键重叠程度比 键小,不如 键稳定,比较容易破裂。碳碳 键的键能等于264.4kJ/mol。610 ( C=C键能)-345.6(C-C键能 ) 小于 C-C单键的键能345.6kJ/mol. 键具有较大的流动性,容易受外界电场的影响,电子云比较容易极化,容易给出电子,发生反应。这是由于 键的电子云不象 键电子云那样集中在两原子核连线上,而是分散成上下两方,故原子核对电子的束缚力就较小。2.C=C 和 C-C的区别: C=C 的键长比C-C键短。 两个碳原子之间增加了一个键,也就增加了原子核对电子的吸
3、引力,使碳原子间靠得很近。 C=C键长 0.134 nm ,C-C键长 0.154nm 。 C=C 两原子之间不能自由旋转。由于旋转时,两个p 轨道不能重叠,键便被破坏。2. 烯烃的制备1. 卤代烷脱卤化氢由一卤代烷制备烯烃,要用强碱作试剂。伯卤代烷永叔丁基醇钾在二甲亚砜(DMSO ,即二甲硫氧)溶液中进行反应,效果最好。CH3(CH2)15CH2CH2Cl(CH3)3COKDMSOH3C(H2C)15HCCH21-chlorooctadecaneoctadec-1-ene仲、叔卤代烷形成烯烃时,其双键位置主要趋向于在含氢较少的相邻碳原子上。例如:H3CH2CCCH3BrCH3KOH/EtOH
4、H3CHCC(CH3)2+CCH2H3CH2CCH371 29 以生成取代较多的烯烃为主要产物,这就是札依切夫(Saytzeff)规律。( 1875 年由 A.M.扎伊采夫提出。在醇脱水或卤代烷脱卤化氢中,如分子中含有不同的 H时,则在生成的产物中双键主要位于烷基取代基较多的位置,即含 H较少 碳提供氢原子,生成取代较多的稳定烯烃。)2. 醇脱水醇在无机酸催化剂存在下加热时,失去一分子水而得到相应的烯烃。常用的酸是硫酸和磷酸 。CH3CH2OHH2SO4,170OCH2CCH2etheneethanolOHH2SO4,140OC(Z)cyclohexanolcyclohexeneH3CCCH3
5、OHCH320H2SO4,85OC(H3C)2CCH22-methylpropan-2-ol2-methylprop-1-ene3. 脱卤素CXCX+ ZnCC+ ZnX2H3CHCBrHCBrCH3+ ZnH3CHCCHCH3but-2-ene2,3-dibromobutane这个反应可用来保护双键。当要使烯烃的某一部位发生反应时,可先将双键加卤素,随后用锌或镁处理使双键再生。3. 消除反应卤代烃的脱卤化氢和醇脱水反应都是消除反应。可分为:1.2-消除反应:1,1消除反应1,3消除反应一、 消除反应精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第
6、1 页,共 9 页优秀学习资料欢迎下载1. 消除反应的历程E2、E1和 E1cb (1)单分子消除反应(E1) =kRX 反应速率只与反应物浓度有关,而与碱性试剂浓度无关。特点: E1历程是一个一级反应,由于它通过正碳离子所以会有重排现象产生。碳正离子能重排成更稳定的碳正离子。、双分子消除(E2) bimolecular elimination 由碱性 EtO-进攻 -H, 形成过渡态 , -H 被夺去。 分子中的离去基团Br 带着一对电子离去。与 碳原子形成双键,协同进行。=kCH3CH2CH2BrCH3CH2O- 二级反应特点:二级反应,没有重排现象。E2有显著的同位素效应。动力学同位素效
7、应: 所谓动力学同位素效应,即反应物分子中的某元素被其同位素取代后反应速度发生变化。最常用的体系是重氢(D)取代氢( H),这种同位素效应用KH/KD表示。使 C-H键破裂所需的活化能要比使C-D键破裂所需的活化能小, 因此 , 在反应中 C-H键破裂的速度比C-D键快。这种动态同位素效应可以用两种反应的速度常数来衡量。动态同位素效应=kH/kD说明了在决定速率步骤的过渡态中有C-H或 C-D 键的断裂。一级动力学同位素效应粗略计算在室温(298K)kH/kD=6.5 升高反应温度同位素效应(kH/kD)将会降低。由于H比 D轻一倍,因而断裂 C-H 键比断裂C-D键快得多。 E1 动态同位素
8、效应为1 左右。(3) 、共轭碱历程(Conjugate base)Elcb 在碱进攻下, H 首先离去,然后L 再以负离子形式离去。因为碳负离子中间体是反应物的共轭碱故称共轭碱历程。当 碳原子上连有吸电子基团时有利于E1cb历程进行。因为吸电子基有利于质子转移给碱,又使形成的碳负离子稳定。另外这个吸电子基团应不具有离去集团的性质。同时C-L 键必须不容易离解。简单的卤代烷和磺酸酯中现测不到这种机理。E1cb历程不常见。只有当离去基邻位有等能稳定碳负离子的官能团时, E1cb 才能发生。2. 消除反应的取向在脱卤化氢及醇脱水反应中,所生成的烯烃都遵守扎依采夫规则,即优先形成具有较多烷基取代的烯
9、烃。E2: 如:现在一般用过渡态理论来解释:由于过渡态已具有部分烯烃的性质,因此在产物中可使烯烃稳定的因素也应使其相应的过渡态稳定。比有较大的超共轭效应,因此较稳定,形成时所需的活化能小,所以,消除主要产物是2- 戊烯E1: E1 反应中决定取向的是在第二步,可以预料在碳正离子形成过程中,不论离去基团是什么,取向基本上是一样的,占优势的产物是取代基较多的烯烃。如:几个特殊例子:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页优秀学习资料欢迎下载由于 C-F 键较牢,不易断裂,因而在它的过渡态中只有少许烯烃的特征而有大量的负碳离子的
10、特征。所以,在这里伯氢将优先为碱所夺取,因为(a). 伯碳位阻小,容易被碱进攻;(b). 碳负离子的稳定性和正碳离子时相反,即 102030, 所以氟代物的消除取向和其他的卤代物相反。碱的体积大小对取向也有影响,(CH3)3C-O-比 CH3O-体积大,所以它夺取末端的伯氢较夺取中间的仲氢为易(空间位阻小)。3. 消除反应的立体化学许多实验事实证明,大部分E2反应是反式消除。反应时分子中是H和 L 彼此处于反式共平面。如:这是因为, 根据 E2历程, d2d1,碱与离去基团排斥力较小。这样有利用B :接近 H 将它拉下来根据形成 键的要求,最好过渡态中氢和离去基团是在相同的平面中。这样能使部分
11、形成的双键中的p 轨道有较多的重迭。为了达到同平面的要求,H 与 X 处于反式的构象比处于顺式的构象容易形成一些。因为两个相邻基团间的van der waals斥力较小,所以一般消除反应都是反式消除形式进行。如:例:化合物(1)、( 3)在发生消除反应时,为什么(1)比( 3)反应速度慢的多?化合物( 1)最稳定的构象为(5),其中三个体积大的取代基-Cl 、-CH3、-CH(CH3)2都以 e 键与环相连,起消去反应时要变成(1)才能使C-Cl 为 a 键,这时仲碳原子上的C-H 在 a 键的位置。因此,产物(2)即 Hofmann烯烃在 ( 3) 的最稳定的构象中C-Cl 已为 a 键,
12、它的两边都有a 氢原子,因此,可生成两种烯烃。 因此例符合Saytzeff规律。化合物 (1) 起反应要先从稳定的构象变成不稳定的构象(1), 这需要能量,因此,反应速度比(3) 慢,。因此, (1) 比 (3) 的反应速度慢的多。这里我们要指出:虽然大部分E2反应是反式消除的,可是也会有顺式消除,特别是在一些环状体系中。如:关于 E1反应的立体化学,没有一定的规律。顺式、反式消除都有,两者的比例随作用物而不同。4. 消除反应与亲核取代反应的竞争消除反应与亲核取代反应都是由同一亲核试剂的进攻引起的。进攻碳就是取代,进攻- 氢原子就引起消除,这两种反应常常是同时发生和互相竞争的。那么我们能否控制
13、这两个并存而且相互竞争的反应呢?看来完全控制还不能,但是已有一些规律的东西可供我们工作时参考。反应物的结构制烯时最好用30卤代物,制醇时最好用10卤代物。因为卤代物的结构对消除和取代反应有如下的影响。试剂的碱性碱性强,浓度大,越有利于消除反应,碱性弱,亲核强,浓度较小,则有利于取代反应。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页优秀学习资料欢迎下载如:NH3有亲核能力,但碱性不大。因而, 它只能进行亲核取代反应,而不能进行消除反应,若要发生消除反应则采用强碱-NH2。溶剂的极性一般来说,增加溶剂的极性有利于取代反应,不利于消
14、除反应。所以常用 KOH 的水溶液从卤代烷制醇,而用它的醇溶液制烯烃。这是由于取代反应中过渡态的负电荷分散比消除反应中过渡态的负电荷分散为小,所以高极性溶剂对取代反应中过渡态的稳定作用比较大些,因较有利于取代反应。(电荷集中溶剂化作用好,电荷分散溶剂化作用差,溶剂化强的就稳定)。醇溶液(极性较小)有利于制备烯烃,水溶液(极性大)有利于制备醇。反应温度升高温度将提高消除反应的比例。这是由于在消除过程中涉及C-H 键的断裂,活化能较高,升高温度对它有利。如虽然提高温度使取代反应加快,可是对它的影响没有消除反应那么大,所以提高反应温度将增加消除产物。二、 消除反应1. 卡宾( carbenes )的
15、产生如:2. 卡宾的结构状态数 =2S 1 ,S:自旋量子数之和单线态较不稳定,常常是在分解初期首先产生的形式,在液相中最初形成的卡宾。在气相中,尤其在惰性气体(N2或 Ar)存在下单线态经碰撞而失去能量后转变为三线态,三线态能量比单线态低 42KJ/mol 。3. 卡宾的反应与 C=C双键的加成:在液态顺 2丁烯中,卡宾的加成只生成顺1, 2二甲基环丙烷,对反2丁烯加成只生成反1,2二甲基环丙烷,这种立体专一的顺式加成,一般认为是单线态卡宾对双键电子对的协同反应。单线态的空轨道是缺电子的, 因此是亲电的, 他能从烯烃 键获得电子, 立体化学结果表明它是同时连接到双键的两个碳原子上去的。在气态
16、,卡宾与2丁烯(顺式或反式)的加成产物是等量 的顺和反 1,2二甲基环丙烷的混合物。参加反应的卡宾是三线态,非立体选择性。从上述反应可以看出,单线态卡宾和烯烃的加成是协同反应(顺式加成),而三线态卡宾和烯烃的加成都是按分步的双游离基理发生反应。插入反应(insertion)卡宾能把自身插入到大多数分子的C-H键中去。如:在饱和和不饱和的C-H键中发生插入反应,在希望进行加成时,插入反应将是一个副反应。4. 烯烃的反应一、亲电加成由于烯烃的电子云流动性强,易极化,容易给出电子,所以容易被缺电子的试剂进攻。这种 缺电子的试剂叫亲电试剂,它容易与能给出电子的烯烃双键起加成反应,这种反应就叫亲电加成反
17、应。1. 与酸的加成精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页优秀学习资料欢迎下载H2CCH2+HXH2CCH2HXX=Cl,Br,IH-OSO3HH2CCH2HOSO3Hethyl hydrogen sulfateH2CCH2+HOHH3PO3H2CCH2HOHH2CCH2+H3CCOOHH2SO4H2CCH2HOCOCH3 (1) 与卤化氢的加成H2CCH2+ HXCH3CH2X HX 的活泼次序: HI HBr HCl,浓 HI,浓 HBr 能和烯烃起反应,浓盐酸要用AlCl3催化剂才行。马氏规则( Markovnik
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