有机化学课件(徐寿昌全).ppt

《有机化学课件(徐寿昌全).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有机化学课件(徐寿昌全).ppt（84页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章 炔烃、二烯烃及红外光谱分子中含有碳碳叁键的烃叫做炔烃。其通式为:CnH2n-2 官能团为-C C-（一）炔 烃(1)异构现象从丁炔开始有异构体.由碳链不同和叁键位置不同所引起。由于在碳链分支的地方不可能有叁键的存在,所以炔烃的异构体比同碳原子数的烯烃要少。同时，由于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.4.1 炔烃的异构和命名系统命名法:以包含叁键在内的最长碳链为主链,按主链的碳原子数命名为某炔,代表叁键位置的阿拉伯数字以取最小的为原则而置于名词之前,侧链基团则作为主链上的取代基来命名.(2)炔烃的命名 炔烃分子中同时含有碳碳双键时，命名时选择含有双键和三键的最长碳

2、链为主链，先命名烯再命名炔。编号要使两者位次数值和最小，若有选择时应使双键的位次最小。例如：2-戊炔5-甲基-2-己炔3-戊烯-1-炔5-乙基-1-庚烯-6-炔3-乙基-6-庚烯-1-炔not乙炔分子是一个线形分子,四个原子都排布在同一条直线上.乙炔的两个碳原子共用了三对电子.二、炔烃的结构乙炔分子：炔烃的结构特征是分子中具有碳碳叁键。由炔烃叁键同一个碳原子上的两个sp杂化轨道所组成的键是在同一直线上方向相反的两个键.在乙炔中,每个碳原子各形成了两个具有圆柱形轴对称的 键.它们是Csp-Csp和Csp-Hs.乙炔分子中的 键乙炔的每个碳原子还各有两个相互 垂直的未参加杂化的p轨道,不同碳原子的

3、p轨道又是相互平行的.一个碳原子的两个p轨道和另一个碳原子对应的两 个p轨道,在侧面交盖形成两个碳碳键.乙炔分子中的键两个互相垂直的 键中电子云的分布位于 键轴的上下和前后部位，当 轨道重叠后，其电子云形成以C-C 键为对称轴的圆筒形状。乙炔分子的 电子云(1)炔烃的物理性质和烷烃,烯烃基本相似;(2)低级的炔烃在常温下是气体,但沸点比相 同碳原子的烯烃略高;(3)随着碳原子数的增加,沸点升高.三、炔烃的物理性质(4)叁键位于碳链末端的炔烃(又称末端炔烃)的沸点低于叁键位于碳链中间的异构体.(5)炔烃不溶于水,但易溶于极性小的有机溶剂,如石油醚,苯,乙醚,四氯化碳等.四、炔烃的化学性质炔烃的主

4、要性质是叁键的加成反应和叁键碳上氢原子的活泼性(弱酸性).1.叁键碳上氢原子的活泼性(弱酸性)叁键的碳氢键由sp杂化的碳原子与氢原子组成的 键,由于sp杂化碳的电负性比较强,使C-H 键的电子云更靠近碳原子，从而使氢原子带有部分正电荷，所以它容易离解出质子。因此，炔烃H原子活泼,具有弱酸性且可被某些金属原子取代。炔烃具有酸性,是与烷烃和烯烃比较而言,其酸性比水还弱.（见书中pKa比较）补充：炔烃的制备由相应的碳原子数的烯烃为原料合成：（i）CH3CCCH2CH3解：与金属钠作用 CHCH CHCNa NaC CNa与氨基钠作用 RC CH+NaNH2 RC CNa+NH3 Na Na液氨注：1

5、.常用此方法制备碳链增长的炔烃2.炔化合物是重要的有机合成中间体.(1)生成炔化钠和烷基化反应烷基化反应CHCNa+C2H5Br CHC-C2H5+NaBr液氨 与硝酸银的液氨溶液作用(白色沉淀)CHCH+2Ag(NH3)2NO3 AgC CAg+2NH4NO3+2NH3RC CH+Ag(NH3)2NO3 RC CAg+NH4NO3+NH3 与氯化亚铜的液氨溶液作用（红色沉淀）CHCH+2Cu(NH3)2Cl CuCCCu+2NH4Cl+2NH3 RC CH+Cu(NH3)2Cl RC CCu+NH4NO3+NH3(2)生成炔化银和炔化亚铜-炔烃的定性检验注：1.炔化物和无机酸作用可分解为原来

6、的炔烃。可利用这些反应在混合炔烃中分离末端炔烃。2.重金属炔化物在干燥状态下受热或撞击易爆炸,对不再利用的重金属炔化物应加酸处理。思考如何将丁烷、1-丁烯、1-丁炔鉴别开来?R-C C-R R-CH=CH-R R-CH2-CH2-R在 H2 过量的情况下,反应不易停止在烯烃阶段.从以下乙炔和乙烯的氢化热数据可看出：HC CH+H2 H2C=CH2 氢化热=175kJ/mol H2C=CH2+H2 H3C-CH3 氢化热=137kJ/mol炔 烃 比 烯 烃 更 容 易 加 氢。如果同一分子中同时含有叁键和双键，首先在三键上发生加氢反应。Pt,Pd或NiH2Pt,Pd或NiH22.加成反应(1)

7、催化加氢如希望炔烃选择加氢生成烯烃，则使用活性较低的催化剂，如Lindlar催化剂。顺式加成Lindlar催化剂附在碳酸钙（或BaSO4）上的钯并用醋酸铅处理。铅盐起降低钯的催化活性,使烯烃不再加氢，而对炔烃的加氢仍然有效，因此反应可停留在烯烃阶段。由于乙炔比乙烯容易发生加氢反应,工业上可利用此性质控制 H2 用量,使乙烯中的微量乙炔加氢转化为乙烯。炔烃与氯,溴加成:HC CH+Cl2 ClCH=CHCl+Cl2 HCCl2-CHCl2 R-C C-R+X2 RXC=CXR+X2 R-CX2-CX2-R(2)亲电加成(A)和卤素的加成炔烃与氯,溴加成,控制条件也可停止在一分子加成产物上.CH2

8、=CH-CH2-C CH+Br2 低温 CH2BrCHBrCH2C CH 在低温下,缓慢地加入溴,叁键不参加反应选择性加成：*为什么炔烃的亲电加成不如烯烃活泼?烷基碳正离子(中间体)正碳原子是sp2杂化状态,它的正电荷易分散到烷基上.烯基碳正离子(中间体)sp杂化状态,正电荷不易分散.所以能量高,不稳定.形成时需要更高的活化能,不易生成.乙烯和乙炔的电离势能(1015和1088kJ/mol)也说明了这点.烯基碳正离子的结构sp2杂化sp杂化+2个p轨道Cu2Cl2或HgSO4(B)和氢卤酸的加成不对称炔烃的加成反应符合马尔科夫尼科夫规律.HCCH+HCl H2C=CH-Cl 氯乙烯亚铜盐或高汞

9、盐作催化剂,可加速反应的进行.分子重排分子重排区分烯烃水合反应的条件！烯醇式化合物 酮(C)和水的加成一个分子或离子在反应过程中发生了基团的转移和电子云密度重新分布而最后生成较稳定的分子的反应，称为分子重排反应（或称重排反应）。乙 醛 的 总 键 能 2741kJ/mol比 乙 烯 醇 的 总 键 能2678kJ/mol大,即乙醛比乙烯醇稳定.由于两者能量差别不大(63kJ/mol),在酸存在下,它们中间相互变化的活化能很小，两者容易很快的相互转变。互变异构现象、互变异构体、酮-烯醇互变异构现象 注：只有乙炔和水的加成生成乙醛，其他炔烃都生成酮 如：R-C CH 得：甲基酮 R-C C-R 得

10、：混合酮（若：R为一级取代基，R为二、三级取代基，则C=O与R相邻）烯醇式 酮式和烯烃情况相似,在光或过氧化物存在下,炔烃和HBr的加成也是自由基加成反应,得到是反马尔科夫尼科夫规律的产物。炔烃仅与HBr 有过氧化物效应！（3）自由基加成(4)亲核加成与醇的加成反应历程:甲基乙烯基醚乙酸乙烯酯丙烯腈以上反应首先是由CH3O-、CH3COO-、CN-等亲核试剂进攻乙炔开始，反应的结果也可以看作是这些试剂的氢原子被乙烯基（CH2=CH）所取代，因此这些反应又叫作乙烯基化反应。3.氧化反应(2)缓慢氧化可停止在二酮阶段(1)与氧化剂（KMnO4或O3）反应，产物均为羧酸或CO2利用炔烃的氧化反应,检

11、验叁键的存在及位置这些反应产率较低,不宜制备羧酸或二酮.CHCH+CH CH CH2=CH-C CH 乙烯基乙炔 CH2=CH-C CH CH2=CH-C C-CH=CH2 二乙烯基乙炔 3 CHCH 4 CHCH Cu2Cl2+NH4ClH2O CHCH催化剂Ni(CN)2,(C6H6)3P醚苯Ni(CN)2醚环辛四烯4.聚合反应在不同的催化剂作用下，可选择性的聚合成链形或环状化合物乙炔的二聚物和HCl加成 CH2=CH-C CH+HCl CH2=C-CH=CH2 Cl 氯丁橡胶的单体 Cu2Cl2+NH4Cl此例中在叁键上发生亲电加成能生成较稳定的共轭二烯。4.5 重要的炔烃 乙炔(1)碳

12、化钙法生产乙炔(2)由天然气或石油生产乙炔 甲烷的部分氧化法一、乙炔的制备(A)乙炔不稳定,易分解:CHCH 2 C+H2=-227 kJ/mol(B)乙炔的爆炸极限:3%80%.为避免爆炸,一般用浸有丙酮的多孔物质(如石棉,活性炭)吸收乙炔后储存钢瓶中,以便于运输和使用.(C)乙炔燃烧:2 CHCH+5 O2 4CO2+2H2O=-270 kJ/mol-乙炔在氧中燃烧所形成的氧炔焰最高可达3000,因此广泛用来熔接或切割金属.二、乙炔的性质 H2C=CH-Cl 氯乙烯 H2C=CH-OH CH3CHO 乙醛CHCH H2C=CH-OCH3 甲基乙烯基醚 H2C=CH-CN 丙烯腈 H2C=C

13、H-OCOCH3 乙酸乙烯酯这些反应的结果可看成是这些试剂的氢原子被乙烯基(H2C=CH-)取代,因此这些反应又叫做乙烯基化反应.它们的聚合物大多数是合成树脂,塑料,合成纤维及合成橡胶原料.HClHOHCH3OHHCNCH3COOH(D)乙炔作为原料和单体通式为:CnH2n-2二烯烃的分类:(1)累积二烯烃-两个双键连接在同一C上.不稳定。H2C=C=CH2 丙二烯(2)共轭二烯烃-两个双键之间有一单键相隔。H2C=CH-CH=CH2 1,3-丁二烯(3)隔离二烯烃-两个双键间有两个或以上单键相隔。H2C=CH-CH2-CH=CH2 1,4-戊二烯(二)二烯烃(2Z,4E)-2,4-己二烯共轭

14、二烯烃的命名H2C=CH-CH2-CH=CH2 1,4-戊二烯1,3,5-己三烯1,3-丁二烯:4.6 共轭二烯烃的结构和共轭效应一、共轭二烯烃的结构(1)每个碳原子均为sp2杂化的.(2)四个碳原子与六个氢原子处于同一平面.(3)每个碳原子均有一个未参加杂化的p轨道,垂直于丁二烯分子所在的平面。键所在平面与纸面垂直 键所在平面在纸面上(4)四个p轨道 都相互平行,不仅在 C(1)-C(2),C(3)-C(4)之间发生了 p轨道的侧面交盖,而且在C(2)-C(3)之间也发生一定程度的 p轨道侧面交盖,但比前者要弱。形成包括四个碳原子在内的大键（或称离域键）。(5)C(2)-C(3)之间的电子云

15、密度比一般键增大.键长(0.148nm)缩短.(乙烷碳碳单键键长0.154nm)(6)C(2)-C(3)之间的共价键也有部分双键的性质.(7)(7)乙烯双键的键长为 0.133nm,而 C(1)-C(2),C(3)-C(4)的键长却增长为0.134nm.丁二烯分子中双键的电子云不是“定域”在 C(1)-C(2)和 C(3)-C(4)中间,而是扩展到整个共轭双键的所有碳原子周围,即发生了键的“离域”.说明:根据分子轨道理论和量子化学计算,四个p轨道组成两个离域的成键分子轨道所放出的能量,大于组成两个定域的成键轨道所放出的能量.键的离域(即 电子扩大了它的运动范围),可使体系的能量降低更多,增加了

16、共轭体系的稳定性.分子中每个双键的平均氢化热越小，分子越稳定。表4-2，4-3中氢化热数据表明：共轭二烯烃比孤立二烯烃稳定，共轭体系越大，稳定性越好离域能（共轭能或共振能）共轭分子体系中键的离域而导致分子更稳定的能量。离域能越大,表示该共轭体系越稳定.（P78）1,3-戊二烯的离域能(共轭能)反键轨道成键轨道1,3-丁二烯的分子轨道图形分子轨道理论-四个碳原子的四个p轨道组合四分子轨道 两个是成键轨道，用1和 2表示；两个是反键轨道,用3*和4*表示。这些分子轨道的图形如图所示。反键轨道成键轨道1,3-丁二烯的成键反键轨道图形3*4*12=0.37171+0.60152+0.60153+0.3

17、7174=0.60151+0.37172-0.37173-0.60154=0.60151-0.37172-0.37173+0.60154=0.37171-0.60152+0.60153-0.37174原子轨道线形组合成分子轨道:在不饱和化合物中，如果有三个或三个以上具有互相平行的p轨道形成大键，这种体系称为共轭体系 在共轭体系中，电子云扩展到整个体系的现象称做电子离域或键离域。由于电子离域，使能量降低、键长趋于平均化等现象称做共轭效应（conjugative effect,简称C效应）。共轭体系的结构特征是各个键都在同一平面内，参加共轭体系的p轨道轴互相平行且垂直于这个平面，相邻p轨道之间从侧

18、面重叠，发生键的离域。二、共轭体系：共轭体系大体上分为三类：（1）-共轭体系 双键、单键相间的共轭体系称为-共轭体系。形成-共轭体系的双键可以多个，形成双键的原子也不限于碳原子。如：C=CC=CCC C=CC=O（2）p-共轭体系 与双键碳原子相连的原子上有p轨道，这个p轨道与键形成p-共轭体系。如：CH3OCH=CH2 CH2=CHCH2+.（3）超共轭体系-超共轭体系 丙烯分子中的甲基绕碳碳键自由旋转，转到一个角度后，甲基上一个CH键的键轨道与C=C的p轨道接近平行时，键与 CH 键相互重叠，使原来基本上定域于两个原子周围的电子云和电子云发生离域而扩展到更多原子的周围,因而降低了分子的能量

19、,增加了分子的稳定性。形成-共轭体系。共轭作用比-或p-共轭作用弱得多，故称作超共轭体系。共轭体系中C=C键的-H数目越多，形成共轭的概率越大，超共轭效应越强，因此有取代基的烯烃更稳定。如 2-丁烯比1-丁烯稳定。超共轭效应表示:由于 电子的离域,上式中C-C单键之间的电子云密度增加,所以丙烯的C-C单键的键长(0.150nm)缩短.(一般烷烃的 C-C 单键键长为0.154nm)p超共轭体系 与超共轭体系相似，CH 键轨道也可以与p轨道形成共轭体系，称做p共轭体系，也属超共轭体系。如烷基自由基R.和烷基碳正离子R+的稳定性顺序为 3 2 1 CH3.（或CH3+），其原因是与烷基自由基R.（

20、或烷基碳正离子R+）共轭的CH 键越多，其稳定性越大。共轭二烯烃和卤素,氢卤酸发生亲电加成生成两种产物三、共轭二烯烃的性质1.1,2-加成和1,4-加成例1:1,2-加成产物 1,4-加成产物例2:1,2-加成产物 1,4-加成产物第一步:亲电试剂H+的进攻 CH2=CH-CH-CH3+Br-CH2=CH-CH=CH2+HBr(1)C-1加成 CH2=CH-CH2-CH2+Br-(2)C-2加成+反应历程(以HBr加成为例):碳正离子(1)看成烯丙基 碳正离子的 取代物,存在p,共轭效应，碳正离子(2)不存在这种离域效应,因此(1)稳定第二步:溴离子(Br-)加成C-2加成C-4加成1,2-加

21、成产物1,4-加成产物共轭二烯烃的亲电加成产物1,2-加成和1,4-加成产物之比与结构,试剂和反应条件有关.例如:1,3-丁二烯与 HBr加成产物(1)0 下反应:1,2-加成产物占71%,1,4-加成产物占29%(2)在40 下反应:1,2-加成产物占15%,1,4-加成产物占85%低温下1,2加成为主是由于反应需要的活化能较低.高温下1,4加成为主是由于1,4加成产物更稳定.1,4-加成1,2-加成丁二烯与HBr亲电加成的反应机理共轭二烯烃可以和某些具有碳碳双键的不饱和化合物进行1,4-加成反应,生成环状化合物。这个反应叫做双烯合成，又叫狄尔斯-阿尔德(Diels-Alder)反应。2.双

22、烯合成狄尔斯-阿尔德(Diels-Alder)反应 在D-A反应中，能和共轭二烯烃反应的重键化合物叫亲双烯体。当亲双烯体的双键碳原子上连有吸电子基团（COR、CHO、COOR、CN、NO2时，反应比较容易进行。双烯合成在有机合成中有广泛应用。它不是离子型反应，也不是自由基型反应，而是不生成活性中间体且一步完成的协同反应。如：7、完成下列反应8、指出下列化合物可由哪些原料通过双烯合成而得？（1）先合成之10、以四个碳原子及以下烃为原料合成 以四个碳原子及以下的烃为原料合成：“水”不能少！解：要正确使用HBr的过氧化物效应；不用烷烃卤代反应制备1-卤代烃；要学会使用硼氢化-氧化水解反应（P58-5

23、9）制备伯醇；要学会用炔化物的烷基化反应来增加碳链。注意点3.聚合反应 在催化剂存在下，共轭二烯烃可以聚合为高分子化合物。如1,3-丁二烯在金属钠催化下，聚合成聚丁二烯，又称为丁钠橡胶。工业上使用齐格勒纳塔催化剂，1,3-丁二烯按1,4-加成方式聚合为顺-1,4-聚丁二烯，简称顺丁橡胶。共轭二烯烃还可以和其他双键化合物共同聚合（共聚）成高分子聚合物，如丁二烯-苯乙烯共聚物丁苯橡胶，异戊二烯-异丁烯共聚物丁基橡胶。(1)天然橡胶可看成:由异戊二烯单体1,4-加成聚合而成的顺-1,4-聚异戊二烯.结构如下:(双键上较小的取代基都位于双键同侧)4.天然橡胶和合成橡胶天然橡胶与硫或某些复杂的有机硫化物

24、一起加热,发生反应,使天然橡胶的线状高分子链被硫原子所连结(交联).硫桥-可发生在线状高分子链的双键处,也可发生在双键旁的 碳原子上.目的-克服天然橡胶的粘软的缺点,产物的硬度增加,且保持弹性.(2)“硫化”丁二烯是制备丁钠,顺丁和丁苯橡胶的重要原料主要由石油裂解而得的C4馏分(丁烯,丁烷等)进一步脱氢而得:(3)丁二烯的制备丁腈橡胶-丁二烯+丙烯腈聚合ABS树脂丁二烯+丙烯腈+苯乙烯聚合(4)异戊二烯的制备:以石油裂解产物中相应的馏分(异戊烷,异戊烯)部分脱氢而得.由更低级得烯烃(如丙烯)通过一系列反应而得.(三)红外光谱有机化学四大谱：1.红外光谱（IR）（Infrared Spectro

25、scopy）研究官能团种类.2.紫外光谱（UV）（Ultraviolet Spectroscopy）3.核磁共振谱（NMR）（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）4.质谱（MS）（Mass Spectroscopy）UV：判断分子结构中是否存在共轭体系 IR：确定分子结构中的官能团 MS：可确定分子量，计算分子式，解析分子结构 NMR 1H-NMR：可以得知共振原子的相对 数目及化学环境 13C-NMR：推导化合物的基本骨架(1)当辐射光的能量正好等于电子的较高和较低两个能级之差时辐射才能被吸收,即分子吸收辐射能是量子化.(2)对某一分子来说,它只吸

26、收某些特定频率的辐射.4.10 电磁波谱的概念紫外 可见光 红外 微波 无线电波能量频率波长一个分子在吸收不同波长的辐射后发生的变化(3)把某一有机化合物对不同波长的辐射的吸收情况(以透 射率%或吸光度表示)记录下来,就是这一化合物的吸收光谱(如红外光谱,紫外光谱等).(4)吸收光谱与分子结构的关系密切.(一)它的频率和能量只能使分子发生振动及转动能级的 变化.(1)近红外(=0.783 m,=128203333cm-1)(2)中红外(=3.030 m,=3333333cm-1)(3)远红外(=30300 m,=33333cm-1)注-一般的红外吸收光谱主要指中红外范围而言,波数一般在4004

27、000cm-1(相当于442kJ/mol能量).以波长(m)及波数(cm-1)为横坐标,表示吸收带位置.以透射率(T%)为纵坐标,表示光的强度.光吸收的越多,透射率越低.4.11 红外光谱(二)谱图的表示对称伸缩振动 不对称伸缩振动直线表示处于平面上的键;虚线表示指向纸面后的键;锲形线则表示指向纸面之上的键.键的伸缩振动只改变瞬间的键长,但不改变键角.一、分子振动,分子结构和红外光谱(1)伸缩振动由吸收红外光而引起的分子振动包括:(1)键的伸缩振动;(2)键的弯曲振动.平面箭式弯曲振动 平面摇摆弯曲振动(2)键的弯曲振动平面外摇摆弯曲振动 平面外扭曲弯曲振动键的弯曲振动不改变键长,但发生了键角

28、的变化.(1)只有使分子的偶极矩发生变化的分子振动才具有红外活性.(3)分子中的极性基团的振动特别容易发生比较显著 的红外吸收.(4)多原子分子可能存在多种分子振动方式,所以它 的红外光谱总是复杂的.(5)相同的官能团或相同的键型往往具有相同的红外 吸收特征频率.总结:表4-4 红外光谱中各种键吸收谱带的区域(P89)；表 4-5 红外光谱的特征伸缩频率(P90).特征吸收谱带较多地集中在4000 1250 cm-1区域之内,这个区域常称为化学键或官能团的特征频率区.相邻重键的共轭,氢键或其他分子内或分子间引力的影响,一般都会使吸收谱带稍微向波数较低的方向移动.分子结构细微变化常引起12506

29、75 cm-1 区域谱带的变化,这个区域叫“指纹区”.结构相似的不同化合物在非指纹区由相似的红外光谱,但在指纹区表现出它们的不同.特征频率区分子中的结构影响 指纹区28503000cm-1 C-H伸缩振动720725cm-1的平面摇摆弯曲振动(-CH2-)14501470cm-1的箭式弯曲振动(-CH2-,-CH3);13701380cm-1平面摇摆弯曲振动(-CH3)正辛烷的红外光谱二、脂肪族烃的红外光谱(1)烷烃的红外光谱若同一碳上有两个甲基时,往往在13701380cm-1处出现分裂的两个谱带.烯烃的Csp2-H键比Csp3-H烷烃的键强,需要更多的能量才能激发伸缩振动,所以烯烃的=C-

30、H键的吸收峰比烷烃的-C-H键吸收峰出现在更高的波数区(30003100 cm-1)C=C键的伸缩振动在16001680 cm-1 左右,双键上有取代基时,吸收强度减弱.=C-H 键的平面外弯曲振动位于7001000 cm-1 之间(取代基的影响,变化较大,表4-6)(2)烯烃的红外光谱:3080 cm-1 为=C-H伸缩振动1820,995,915 cm-1 为:-CH=CH-H的平面外摇摆弯曲振动.末端乙烯基的特征频率.例:1-辛烯的红外光谱 末端炔烃在3300 cm-1 明显的C-H键伸缩振动吸收谱带;600700 cm-1 C-H键弯曲振动;21002140 cm-1 C C伸缩振动.见书P93，图4-18例:1-辛炔的红外光谱:非末端炔烃:C C伸缩振动则在22002260cm-1,为一弱吸收带,往往很难觉察.例:2-辛炔的红外光谱