芳香烃--亲电取代反应教学文案.ppt
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1、芳香烃-亲电取代反应5-1 5-1 单环芳烃单环芳烃一、苯的结构一、苯的结构1 1苯的凯库勒(苯的凯库勒(KekuleKekule)式)式(1)(1)苯的特性苯的特性:高度高度的不饱和性的不饱和性:分子式分子式C6H6,其,其C/H与乙炔类似与乙炔类似 为为 1 1芳香性芳香性:难进行加成和氧化难进行加成和氧化,易进行取代反应且碳环易进行取代反应且碳环 异常稳定的化学特性,称为异常稳定的化学特性,称为芳香性芳香性一元取代物只有一种一元取代物只有一种:六个氢原子是等同的六个氢原子是等同的.(2)凯库勒(凯库勒(Kekule)式)式简写为简写为:(3)(3)苯的结构苯的结构现代物理方法证明现代物理
2、方法证明:苯分子是一个平面正六边形,键角都是苯分子是一个平面正六边形,键角都是120o,碳碳键的键长都是碳碳键的键长都是0.1397nm,比单键短比双键过长比单键短比双键过长.碳氢键的键长都是碳氢键的键长都是0.108nm.2 2苯分子结构的近代观点苯分子结构的近代观点(1 1)杂化轨道理论)杂化轨道理论:六个碳原子六个碳原子都以都以sp2sp2杂化轨道杂化轨道互相沿对称轴的方向重叠形成六个互相沿对称轴的方向重叠形成六个C-CC-C键,组成一键,组成一个个正六边形正六边形。每个碳原子各以一个。每个碳原子各以一个sp2sp2杂化轨道分别杂化轨道分别与氢原子与氢原子1s1s轨道沿对称轴方向重叠形成
3、六个轨道沿对称轴方向重叠形成六个C-H C-H 键。所有碳原子和氢原子键。所有碳原子和氢原子都在同一平面都在同一平面上。每个碳上。每个碳原子还有一个垂直于原子还有一个垂直于 键平面的键平面的p p轨道,每个轨道,每个p p轨道轨道上有一个上有一个p p电子,六个电子,六个p p轨道组成了轨道组成了大大键。键。.共轭效应的结果:共轭效应的结果:键长完全平均化键长完全平均化 六个六个 CC CC 键等长键等长(0.140nm)(0.140nm),比正常,比正常CCCC单键单键(0.154nm)(0.154nm)短,比正常短,比正常C=CC=C双键双键(0.134nm)(0.134nm)长长体系能量
4、降低体系能量降低 其氢化热其氢化热(208.5 kjmol(208.5 kjmol-1-1)比环己烯氢比环己烯氢化热的三倍化热的三倍(2(2)分子轨道理论)分子轨道理论 分子轨道理论认为:分子轨道理论认为:苯分子在形成苯分子在形成键后,每个碳原子都还有一个未键后,每个碳原子都还有一个未参加杂化的参加杂化的 p p 轨道,它们可经形组合成六个分轨道,它们可经形组合成六个分子轨道,即子轨道,即1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6。它们。它们除都有一个共同的界面除都有一个共同的界面 碳原子所在平面外,碳原子所在平面外,低得多低得多(3119.3208.5=149.4 kjmol-1)这这1
5、49.4 kjmol-1即为即为苯的共轭能苯的共轭能1 1没有界面,能量最低;没有界面,能量最低;2 2、3 3各有一个界面,它们是简并的,各有一个界面,它们是简并的,能量相等,但能量比能量相等,但能量比1 1高。高。1 1、2 2、3 3都是成键轨道。其余的都是都是成键轨道。其余的都是 反键轨道。反键轨道。.1 1使六个碳原子之间的电子密度都加大使六个碳原子之间的电子密度都加大22使使C(2)-C(3)C(2)-C(3),C(5)-C(6)C(5)-C(6)的电子密度加大,而在的电子密度加大,而在 C(1)-C(2),C(1)-C(6),C(3)-C(4),C(4)-C(5)C(1)-C(2
6、),C(1)-C(6),C(3)-C(4),C(4)-C(5)是削是削 弱的弱的33使使C(1)-C(2),C(1)-C(6)C(1)-C(2),C(1)-C(6)和和C(3)-C(4),C(4)-C(5)C(3)-C(4),C(4)-C(5)之间的电子云密度加大,而在之间的电子云密度加大,而在C(2)-C(3),C(5)-C(2)-C(3),C(5)-苯分子的大苯分子的大键可以看作是三个成键轨道键可以看作是三个成键轨道123叠加的结果叠加的结果:C(6)C(6)之间是削弱的即之间是削弱的即22削弱之处,正好是削弱之处,正好是33加强之处而加强之处而33削弱之处,正是削弱之处,正是22加强加强
7、之处之处123123叠加之后,六个碳原子中每相邻叠加之后,六个碳原子中每相邻两个碳原子之间的电子云密度都相等了,两个碳原子之间的电子云密度都相等了,所以,苯的所以,苯的C-CC-C键长完平均化了键长完平均化了(3 3)苯的共振式)苯的共振式-共振论简介共振论简介1.1.基本要点如下:基本要点如下:当一个分子当一个分子(离子或自由基离子或自由基)按照价键理论按照价键理论可以写出现两个以上的经典结构式时,这些可以写出现两个以上的经典结构式时,这些结构式叠加构成一个结构式叠加构成一个共振杂化体共振杂化体,它更接近它更接近反映分子的真实结构反映分子的真实结构。这些可能的经典结构这些可能的经典结构式称为
8、式称为极限式极限式,任何一个极限式都不足以反任何一个极限式都不足以反映该分子的真实结构映该分子的真实结构。极限构造式的叠加叫极限构造式的叠加叫共振共振.共振结构式对分子的贡献大小与它们的共振结构式对分子的贡献大小与它们的稳定性大小成正比。稳定性大小成正比。二、单环芳烃的构造异构和命名二、单环芳烃的构造异构和命名单环芳烃通式为单环芳烃通式为C Cn nH H2n-62n-61.1.一烃基苯一烃基苯 (只有一种,没有异构体只有一种,没有异构体)简单烃基苯命名是以苯环作为母体,称为某烃简单烃基苯命名是以苯环作为母体,称为某烃基苯(基苯(“基基”字可略去)字可略去)甲(基)苯甲(基)苯异丙(基)苯异丙
9、(基)苯乙烯基苯乙烯基苯如烃基较复杂或有不饱和键时,以把链如烃基较复杂或有不饱和键时,以把链烃当作母体,苯环当作取代基。如烃当作母体,苯环当作取代基。如 二烃基苯和三烃基苯二烃基苯和三烃基苯(均有三种异构体)以苯基为母体,并遵循以苯基为母体,并遵循“最低序列最低序列”和和“优先基团后列出优先基团后列出”的原则命名。的原则命名。1,2-二苯二苯邻二甲苯邻二甲苯1,2,3-三甲苯三甲苯 连三甲苯连三甲苯1,3-二甲苯二甲苯间二甲苯间二甲苯1,4-二甲苯二甲苯对二甲苯对二甲苯1,3,5-三甲苯三甲苯 均三甲苯均三甲苯1,2,4-三甲苯三甲苯 偏三甲苯偏三甲苯.3.3.芳基芳基:芳烃分子取一个氢原子剩
10、下的原子团叫芳烃分子取一个氢原子剩下的原子团叫芳芳基用基用-Ar表示表示 C6H5-叫苯基用叫苯基用Ph-表示表示 C6H5CH2-叫苄基(苯甲基)叫苄基(苯甲基)三、苯及其同系物的性质三、苯及其同系物的性质1.1.物理性质物理性质 一般为无色有芳香味的液体,不溶于水,相对密度一般为无色有芳香味的液体,不溶于水,相对密度 在在0.86-0.93g.ml0.86-0.93g.ml-3-3,是良好的溶剂,有毒性。,是良好的溶剂,有毒性。2.2.光谱性质光谱性质(1)(1)红外光谱红外光谱 C-HC-H:在:在308030803030cm-13030cm-1与烯氢的与烯氢的C-HC-H相近相近 C=
11、C C=C:苯环的骨架振动有四条谱带约为:苯环的骨架振动有四条谱带约为 1600 1600,15851585,15001500,1450cm-11450cm-1。例如例如:甲苯甲苯(例例如如:对二甲苯:对二甲苯.(2)核磁共振核磁共振四四.单环芳香的化学性质单环芳香的化学性质 1 1、取代反应、取代反应 卤代反应卤代反应 苯环上的取代苯环上的取代 氯或溴在氯或溴在LewisLewis酸酸FeXFeX3 3催化下苯环上取代催化下苯环上取代例如例如:.烷基苯在光照下发生侧链卤代烷基苯在光照下发生侧链卤代硝化反应硝化反应 苯环上的氢被硝基取代的反应叫硝化反应,通常苯环上的氢被硝基取代的反应叫硝化反应
12、,通常用用混酸(浓硝酸与浓硫酸的混酸(浓硝酸与浓硫酸的1 1:1 1混合物)混合物).烷基苯比较容易烷基苯比较容易硫酸作用硫酸作用:吸水作用吸水作用,浓硫酸与硝酸,浓硫酸与硝酸生成硝基正离生成硝基正离子子NONO2 2+邻硝基甲苯邻硝基甲苯 对硝基甲苯对硝基甲苯磺化反应磺化反应该反应应用如下该反应应用如下:.a.a.苯和甲苯不溶于水而反应生成的磺酸易溶于硫苯和甲苯不溶于水而反应生成的磺酸易溶于硫 酸酸,可用该反应于区别芳烃和烷烃可用该反应于区别芳烃和烷烃.b.b.磺化反应是一可逆反应磺化反应是一可逆反应,它在过热水蒸汽作用下或它在过热水蒸汽作用下或与稀硫酸共热时可水解脱下磺酸基。可作占位基与稀
13、硫酸共热时可水解脱下磺酸基。可作占位基团团傅克傅克(Friedel-Crafts)(Friedel-Crafts)反应反应烷基化反应烷基化反应:在芳环上引入烷基的反应,叫做烷在芳环上引入烷基的反应,叫做烷基化反应基化反应催化剂:催化剂:AlClAlCl3 3、FeClFeCl3 3、ZnClZnCl2 2、SnClSnCl4 4、BFBF3 3、无、无水水HFHF、H H2 2SOSO4 4(9595)、)、P P2 2O O5 5、H H3 3POPO4 4等等烷基化剂:烷基化剂:RX、ROH、ROR、RCH=CH2等等 烷基超过两个烷基超过两个C原子时原子时,发生重排发生重排.AlCl3芳
14、环上如有吸电子基团(芳环上如有吸电子基团(-NO-NO2,2,-SO,-SO3 3H,-COOH,-H,-COOH,-CHOCHO等),烷基化反应不易进行,以至不反应等),烷基化反应不易进行,以至不反应含有含有-NH-NH2 2,-NHR,-NHR,或或-NR-NR2 2基团的芳香环不起基团的芳香环不起F-CF-C烷基化反应烷基化反应酰基化反应酰基化反应芳芳烃和酰氯或酸酐发生傅氏反应生成酮烃和酰氯或酸酐发生傅氏反应生成酮与烷基化反应的异同与烷基化反应的异同:相同点相同点:苯环上有致钝基团或碱性基团时不发生反应苯环上有致钝基团或碱性基团时不发生反应 不同点不同点:产物一般是一取代物,催化剂用量大
15、产物一般是一取代物,催化剂用量大 2.2.加成反应加成反应 催化氢化催化氢化(与烯烃相似与烯烃相似)光照加氯光照加氯3 3、氧化反应、氧化反应苯环侧链的氧化苯环侧链的氧化 烃基苯侧链可被高锰酸钾、重铬酸钾或稀硝酸烃基苯侧链可被高锰酸钾、重铬酸钾或稀硝酸所氧化,如果与苯环直接相连的碳上没有氢时,所氧化,如果与苯环直接相连的碳上没有氢时,一般不被氧化一般不被氧化。产物:不论烷基的长短,均生成羧基产物:不论烷基的长短,均生成羧基苯环的氧化苯环的氧化.可作为鉴别烷基苯和苯的反应可作为鉴别烷基苯和苯的反应五五.苯环上亲电取代反应历程苯环上亲电取代反应历程 亲电取代反应亲电取代反应的特点的特点:苯环上一个
16、苯环上一个氢原子被试剂氢原子被试剂中带正电荷的中带正电荷的部分所取代部分所取代亲电取代反应亲电取代反应:由亲电试剂的进攻而引起的取代反应由亲电试剂的进攻而引起的取代反应,亲电取代亲电取代反应反应,用用SESE表示表示.其过程为其过程为:的共振式的共振式:反应过程的能量图反应过程的能量图:.反应进程EE1E21.1.卤代:卤代:在三氯化铁在三氯化铁(铁铁)或者三氯化铝催化下其反应或者三氯化铝催化下其反应:3X2+2Fe 2FeX32.2.硝化:硝化:(用混酸用混酸)反应过程反应过程:3.3.磺化:磺化:用浓用浓H H2 2SOSO4 4或发烟或发烟H H2 2SOSO4 4(含含10%10%的的
17、SOSO3 3)SOSO3 3 或或+SOSO3 3H H是亲是亲电试剂反应过电试剂反应过程为程为:.Friedel-Crafts.Friedel-Crafts反应反应 催化剂为催化剂为AlClAlCl3 3 等等,试剂为卤代烃、烯、醇、酰试剂为卤代烃、烯、醇、酰卤等卤等.其反应过程其反应过程:.六六.苯环上取代反应的定位规则苯环上取代反应的定位规则1.定位规则定位规则 定位效应:取代苯定位效应:取代苯(C(C6 6H H5 5Z)Z)再进行亲电取代反应引再进行亲电取代反应引入一个取代基时,这个取代基进入的位置入一个取代基时,这个取代基进入的位置受前一受前一个个取代基取代基Z Z的影响,的影响
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