(1) 苯环上的亲电取代反应.ppt
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1、1第五章 芳烃定位规则、芳香性的判断多官能团化合物的命名2本章重点:本章重点:单环芳烃的结构、命名;单环芳烃的亲电取代反应及其机理;单环芳烃亲电取代反应的定位规则;芳香性的判断;多官能团化合物的命名;自学内容:自学内容:氧化反应、聚合反应、稠环芳烃、富勒烯3芳烃是芳香族碳氢化合物的简称,也称芳香烃。芳烃是芳香族碳氢化合物的简称,也称芳香烃。特点:特点:1.成环原子之间的键长趋于平均化成环原子之间的键长趋于平均化2.比较稳定。容易进行取代反应,不易进行加成比较稳定。容易进行取代反应,不易进行加成反应和氧化反应。反应和氧化反应。一般:一般:芳烃芳烃指分子中含有苯环结构的芳烃指分子中含有苯环结构的芳
2、烃非苯芳烃非苯芳烃不含苯环结构的芳烃不含苯环结构的芳烃41.1.1.1.单环芳香烃(苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃,即单环芳香烃(苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃,即单环芳香烃(苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃,即单环芳香烃(苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃,即含有一个苯环)含有一个苯环)含有一个苯环)含有一个苯环)通式通式通式通式C C C Cn n n nH H H H2n-62n-62n-62n-62.2.2.2.多环芳香烃(分子中含有两个或两个以上独立苯环)多环芳香烃(分子中含有两个或两个以上独立苯环)多环芳香烃(分子中含有两个或两个以上独立苯环)多环芳香烃(分子中含有两个或
3、两个以上独立苯环)(1 1 1 1)联苯类)联苯类)联苯类)联苯类(2 2 2 2)多苯代脂肪烃)多苯代脂肪烃)多苯代脂肪烃)多苯代脂肪烃(3 3 3 3)稠环芳烃(分子中含有由两个或多个苯环彼此间通过)稠环芳烃(分子中含有由两个或多个苯环彼此间通过)稠环芳烃(分子中含有由两个或多个苯环彼此间通过)稠环芳烃(分子中含有由两个或多个苯环彼此间通过共用两个相邻碳原子稠合而成的芳烃)共用两个相邻碳原子稠合而成的芳烃)共用两个相邻碳原子稠合而成的芳烃)共用两个相邻碳原子稠合而成的芳烃)芳烃的分类(按结构)芳烃的分类(按结构)萘萘萘萘 蒽蒽蒽蒽 菲菲菲菲55.1.1.构造异构构造异构苯及其同系物的通式为
4、苯及其同系物的通式为CnH2n-6 苯中的六个碳原子和六个氢原子分别是等同的。因此,苯和一取代苯各只有一种;但是当苯环上的取代基含有多个碳原子时,与脂肪烃相似,因碳链构造不同,也可以产生构造异构。因取代基在环上的相对位次不同,异构现象较为复杂。5.1 芳烃的构造异构和命名芳烃的构造异构和命名6侧链侧链R R简单:一般以苯环为母体,简单:一般以苯环为母体,R R作取代基,作取代基,“某烃基苯某烃基苯”侧链侧链R R较复杂或含有不饱和键,一般以苯环作取代基较复杂或含有不饱和键,一般以苯环作取代基当苯环上连有两个以上取代基时,需标明取代基位次或取当苯环上连有两个以上取代基时,需标明取代基位次或取代基
5、间的相对位置代基间的相对位置二元相同取代:邻二元相同取代:邻(o)(o)、间间(m)(m)、对对(p)(p)环上有三个相同的取代基时,可用连、偏、均等词头表示环上有三个相同的取代基时,可用连、偏、均等词头表示侧链不为烃类时,要选母体侧链不为烃类时,要选母体 多官能团化合物的命名多官能团化合物的命名多官能团化合物的命名多官能团化合物的命名5.1.2 命名命名7 1,2二甲苯二甲苯邻二甲苯邻二甲苯 o二甲苯二甲苯o:ortho-;m:meta-;p:para-1,3二甲苯二甲苯间二甲苯间二甲苯m二甲苯二甲苯1,4二甲苯二甲苯对二甲苯对二甲苯p二甲苯二甲苯 二取代苯的二取代苯的3个异构体个异构体:8
6、1,3,5三甲苯三甲苯均三甲苯均三甲苯1乙基乙基2丙基丙基5丁基苯丁基苯u选取最简单的取代基为选取最简单的取代基为1位,将其它取代基位号按尽可能位,将其它取代基位号按尽可能小的方向绕苯环编号小的方向绕苯环编号u当苯环与较长、较复杂烃基相连或烃基连有多个苯环,当苯环与较长、较复杂烃基相连或烃基连有多个苯环,或是与不饱和基相连时,苯环作取代基,但是也有例外,或是与不饱和基相连时,苯环作取代基,但是也有例外,如:对二乙烯苯如:对二乙烯苯2甲基甲基3苯基苯基戊烷戊烷多取代苯:多取代苯:9简写:简写:苯基苯基或或C6H5-(ph或或)一价芳基:一价芳基:Aryl(Ar)苄基或苄基或苯甲基苯甲基(Bz)芳
7、基:芳烃从形式上去掉一个氢原子后所剩下的原子团芳基:芳烃从形式上去掉一个氢原子后所剩下的原子团亚基:芳烃从形式上去掉两个氢原子后所剩下的原子团亚基:芳烃从形式上去掉两个氢原子后所剩下的原子团亚苄基或苯亚甲基亚苄基或苯亚甲基 C6H5CH101.价键理论价键理论 a.分子式分子式 C6H6 六个六个H等同,等同,=4 b.难亲电加成,难氢化,难氧化难亲电加成,难氢化,难氧化 c.苯分子为平面正六边形,苯分子为平面正六边形,C-C键长均相等键长均相等(139.7pm),介于单、介于单、双键之间,键角双键之间,键角120o d.异常的热力学稳定性异常的热力学稳定性 e.一取代物只有一种,二取代物三种
8、,三取代物三种一取代物只有一种,二取代物三种,三取代物三种5.2 苯的结构苯的结构 11 6 个相互交盖的个相互交盖的 2p轨道轨道 组合成组合成6个分子轨道个分子轨道 苯的苯的分子轨道和能级分子轨道和能级简并轨道简并轨道2 分子轨道理论分子轨道理论12环状的共轭体系导致苯分子具有相当高的稳定性。环状的共轭体系导致苯分子具有相当高的稳定性。Kekul 结构式结构式:两个或多个经典结构的共振杂化体:两个或多个经典结构的共振杂化体:其共振能为:其共振能为:149.4 kJmol3 共振论对苯分子结构的解释共振论对苯分子结构的解释13 苯及其同系物一般为无色液体,相对密度小于苯及其同系物一般为无色液
9、体,相对密度小于苯及其同系物一般为无色液体,相对密度小于苯及其同系物一般为无色液体,相对密度小于1 1 1 1,但比,但比,但比,但比相对分子质量相近的烷烃和烯烃的相对密度大,不溶于水,相对分子质量相近的烷烃和烯烃的相对密度大,不溶于水,相对分子质量相近的烷烃和烯烃的相对密度大,不溶于水,相对分子质量相近的烷烃和烯烃的相对密度大,不溶于水,可溶于有机溶剂,有些有机化合物常被用来萃取芳烃。可溶于有机溶剂,有些有机化合物常被用来萃取芳烃。可溶于有机溶剂,有些有机化合物常被用来萃取芳烃。可溶于有机溶剂,有些有机化合物常被用来萃取芳烃。单环单环单环单环芳烃具有特殊气味,有毒。芳烃具有特殊气味,有毒。芳
10、烃具有特殊气味,有毒。芳烃具有特殊气味,有毒。在二取代苯的三种异构体中,对位异构体的对称性最大,在二取代苯的三种异构体中,对位异构体的对称性最大,在二取代苯的三种异构体中,对位异构体的对称性最大,在二取代苯的三种异构体中,对位异构体的对称性最大,所以其熔点比其它两个异构体高。所以可以通过重结晶来分所以其熔点比其它两个异构体高。所以可以通过重结晶来分所以其熔点比其它两个异构体高。所以可以通过重结晶来分所以其熔点比其它两个异构体高。所以可以通过重结晶来分离。离。离。离。烷基取代基越多,稳定性越大。稳定性的大小可从生成烷基取代基越多,稳定性越大。稳定性的大小可从生成烷基取代基越多,稳定性越大。稳定性
11、的大小可从生成烷基取代基越多,稳定性越大。稳定性的大小可从生成热上看出,生成热越小,越稳定。热上看出,生成热越小,越稳定。热上看出,生成热越小,越稳定。热上看出,生成热越小,越稳定。5.3 单环芳烃的物理性质单环芳烃的物理性质:14 试剂中的亲电部分从芳环上取代一个试剂中的亲电部分从芳环上取代一个H原子:原子:芳环上亲电取代反应的类型芳环上亲电取代反应的类型硝化硝化磺化磺化烷基化烷基化酰基化酰基化卤化卤化5.4芳环上的亲电取代反应芳环上的亲电取代反应:15(1)溴代:溴代:+Br2Fe+HBr注意:注意:Br2 为液溴为液溴催化剂实际上是催化剂实际上是FeBr3,使使Br2异裂成异裂成Br+1
12、.卤代反应卤代反应(在三卤化铁等催化剂的作用下,苯与卤素作用生成卤代苯)(在三卤化铁等催化剂的作用下,苯与卤素作用生成卤代苯)(2)氯代)氯代+Cl2AlCl3+HCl催化剂:路易斯酸,催化剂:路易斯酸,FeCl3、AlCl3均可,使均可,使Cl2异裂为异裂为Cl+。16(3)碘代)碘代+I2HNO3+HI催化剂:氧化剂如催化剂:氧化剂如HNO3,使使I2产生产生I+对于不同的卤素,与苯环发生取代反应的活性对于不同的卤素,与苯环发生取代反应的活性顺序是:氟顺序是:氟氯氯溴溴碘。其中氟反应很猛烈;碘化碘。其中氟反应很猛烈;碘化反应不但慢,且生成的碘化氢是还原剂,从而使该反应不但慢,且生成的碘化氢
13、是还原剂,从而使该反应成为可逆反应,且以逆反应为主。反应成为可逆反应,且以逆反应为主。17(4)氟代)氟代+XeF2HFCCl4+Xe+HF注意:当在具有供电子基团的苯环上(烷基苯)继续卤代时,注意:当在具有供电子基团的苯环上(烷基苯)继续卤代时,主要得到邻对位取代产物。例如:主要得到邻对位取代产物。例如:18E+:+NO22.硝化反应硝化反应(苯与浓硝酸和浓硫酸的混合物于(苯与浓硝酸和浓硫酸的混合物于5060反应,反应,环上的氢原子被硝基取代,生成硝基苯)环上的氢原子被硝基取代,生成硝基苯)19条件:发烟硫酸,室温;条件:发烟硫酸,室温;浓硫酸,水浴加热浓硫酸,水浴加热 E+为为+SO3H或
14、或SO3+H2SO4+H2O 磺化反应是可逆的,与稀硫酸一起加热,可脱去磺化反应是可逆的,与稀硫酸一起加热,可脱去-SO3H,所以当一元取代苯继续磺化时,所以当一元取代苯继续磺化时,邻对位产物的比例低温邻对位产物的比例低温时由有效碰撞的决定;高温时由空间位阻决定。(邻位效时由有效碰撞的决定;高温时由空间位阻决定。(邻位效应)应)Ar SO3H+H2OArH+H2SO43.磺化反应磺化反应二者联合使用,可用于分离和提纯二者联合使用,可用于分离和提纯20(1)酰化反应酰化反应(反应不可逆反应不可逆)酰化试剂:酰卤或酸酐,酸酰化试剂:酰卤或酸酐,酸 催化剂:无水催化剂:无水AlCl3 AlCl3作用
15、:与酰卤或酸酐络合,产生作用:与酰卤或酸酐络合,产生E+的酰基正离子的酰基正离子4.弗瑞德弗瑞德克来福特反应克来福特反应酰化能力的强弱次序:酰卤酸酐酸酰化能力的强弱次序:酰卤酸酐酸21产物芳基酮与产物芳基酮与AlCl3络合使络合使AlCl3失活,故酰卤作酰化试剂时,失活,故酰卤作酰化试剂时,AlCl3的用量应略超过酰卤的物质的量的用量应略超过酰卤的物质的量若用酸酐作酰化试剂,由于产物酮、羧酸均能与若用酸酐作酰化试剂,由于产物酮、羧酸均能与AlCl3络合,络合,故故AlCl3的用量应略超过酸酐的物质的量的两倍。的用量应略超过酸酐的物质的量的两倍。苯环上有强吸电子基(如硝基、磺基、酰基和氰基),难
16、发生苯环上有强吸电子基(如硝基、磺基、酰基和氰基),难发生酰基化反应。酰基化反应。注意:注意:22 催化剂:催化剂:FeCl3、AlCl3等路易斯酸等路易斯酸 烃化试剂:卤代烃、烯烃、醇、环醚等烃化试剂:卤代烃、烯烃、醇、环醚等+(CH3)3CClFeCl3+HCl催化剂作用:使卤代烃催化剂作用:使卤代烃、烯烃、醇产生烯烃、醇产生R+。反应特点:常伴随重排反应反应特点:常伴随重排反应(2)烃化反应)烃化反应(反应可逆反应可逆)23(2)烃化反应)烃化反应(反应可逆反应可逆)如:如:所以,所以,卤代烃反应活性:卤代烃反应活性:烷基相同时:烷基相同时:RF RCl RBr RI 卤原子相同时:卤原
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