芳香烃的化学性质
有机化学第六章芳香烃
Y
可见,凯库勒式并不能确切地反映苯的真实情况
现代物理方法(射线法、光谱法、偶极距的测定)表明,苯分子是 一个平面正六边形构型,键角都是120°,碳碳键长都是0.1397nm。图 示如下:
杂化轨道理论解释
苯分子中的碳原子都是以sp2杂化轨道互相沿对称轴方向重叠形成6个C-Cσ键组成一个 正六边形,每个C各以一个sp2杂化轨道分别与H的1s轨道沿对称的方向重叠,形成六 个C-Hσ键,由于是sp2杂化,所以键角都是120。所有原子均在同一平面上。 每个C还有一个未参与杂化的垂直于与碳环平面σ键的P轨道,彼此侧面重叠,形成一 个封闭的共轭体系,每个P轨道上有一个P电子,组成了π66大π键。由于共轭效应使π 电子高度离域,电子云完全平均化,故无单双键之分。 因此,苯的电子云是一个整体,分布在环的上、下方,并且是完全平均的,所以苯分 子中每个C-C键都有π键的性质,并且是完全相同的,故邻位二元取代物也应当只有一 种。 应当注意且要牢记,苯环中并没有一般的C-C单键和C=C双键。
( 2 )体系能量降低,氢化热(208.5 kJ·mol-1)比环己烯氢 化热的三倍低得多( 3×119.3-208.5 = 149.4 kj·mol-1 ),这 149.4 kj·mol-1即为苯的共轭能。
苯现在的表达方式
价键式
分子轨道离域式
共振式
自旋偶合价键理论 (1986年Copper等提出)
+ Cl2 + Br2
Fe 或 FeCl3 55~60℃
Fe 或 FeBr3 55~60℃
+ 2Cl2 Fe 或 FeCl3
反应历程:
Cl
+ HCl
Br
+ HBr
Cl
+
有机化学第四篇芳香烃
第四章芳香烃芳烃,也叫芳香烃,一般是指分子中含苯环结构的碳氢化合物。
现代芳烃的概念是指具有芳香性的一类环状化合物,它们不必然具有香味,也不必然含有苯环结构。
分类:芳香烃按照分子中是不是含有苯环,可分为苯系芳烃和非苯系芳烃。
苯系芳烃按所含苯环的数量和结合方式分为单环芳烃、稠环芳烃和多环芳烃。
1.单环芳烃:指分子中仅含一个苯环的芳烃,包括苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃。
例如:CH3CH2CH3CH=CH2苯甲苯乙苯苯乙烯2.多环芳烃:指分子中含两个或两个以上苯环的芳烃,多环芳烃按照分子中苯环的连接方式不同分为多苯代脂肪烃,联苯烃和稠环芳烃(1)多苯代脂肪烃:能够看做脂肪烃分子中两个或两个以上氢原子被苯基取代的化合物。
CH2HC CH二苯甲烷1,2-二苯乙烯(1)联苯烃:指两个或两个以上苯环别离以单键相连而成的多环芳烃例如:联苯1,4-三联苯(2)稠环芳烃:两个或两个以上苯环彼此共用两个碳原子而成的多环芳烃,例如:萘蒽菲3.非苯芳烃:指分子中不含苯环的芳香烃,例如:环戊二烯负离子环庚三烯正离子第一节单环芳烃一,单环芳烃的异构现象和命名苯是最简单的单环芳烃。
单环芳烃包括苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃。
1.异构现象(1)烃基苯有烃基的异构例如:CH2CH2CH3CHCH3CH3(2)二烃基苯有三种位置异构例如:RR'RRR'R'(3)三取代苯有三种位置异构例如: R R'RRR''R''R''R'R'2. 命名(1)苯基的概念芳烃分子去掉一个氢原子所剩下的基团称为芳基(Aryl)用Ar 表示。
重要的芳基有:CH 2(C 6H 5CH 2-)苄基(苯甲基),用Bz 表示苯基, 用Ph 或 表示ф(2)一元取代苯的命名a 当苯环上连的是烷基(R-),-NO 2,-X 等基团时,则以苯环为母体,叫做某基苯。
例如:CH CH 33NO 2Cl异丙基苯叔丁基苯硝基苯氯苯b 当苯环上连有-COOH ,-SO 3H ,-NH 2,-OH ,-CHO ,-CH=CH 2或R 较复杂时,则把苯环作为取代基。
”芳香烃”在化学中具有什么特性?
”芳香烃”在化学中具有什么特性?芳香烃是一类具有芳香性质的有机化合物,其分子结构富含苯环(六个碳原子构成的六角形结构)。
由于其独特的结构和性质,芳香烃在化学中具有许多独特的特性。
下面将逐一介绍它们的特性。
一、具有特殊的化学稳定性芳香烃的分子结构稳定,由于碳原子间的共用电子轨道重叠,使得分子具有高度的稳定性。
这使得芳香烃在许多化学反应中能够保持其结构的稳定性,并且更难被氧化或还原。
因此,芳香烃在化学工业中广泛应用于制备溶剂、涂料和香精。
二、有较低的燃烧活性由于其分子结构的稳定性,芳香烃的燃烧活性较低。
相比于脂肪烃类物质,在同样条件下,芳香烃燃烧所需的能量要高得多。
这也使得芳香烃广泛应用于制备燃料,提高燃烧效率。
三、具有较强的溶解性芳香烃分子中含有苯环结构,其中带有高度共轭的π电子体系,使得这类化合物具有较强的溶解性。
由于其分子结构和共振效应,芳香烃在无极性溶剂中的溶解度较高,特别是在有机溶剂中表现得更为明显。
这一特性使得芳香烃在化学合成、药物制备以及有机溶剂的选择中具有独特的优势。
四、易于发生取代反应由于苯环中的碳原子具有相对稳定的电子结构,因此芳香烃容易发生取代反应。
在取代反应中,苯环上的氢原子可以被其他基团取代,从而产生不同的芳香烃衍生物。
这一特性使得芳香烃成为有机化学中重要的反应物和中间体,广泛应用于药物合成、染料生产和化学工业等领域。
总结起来,芳香烃作为具有芳香特性的化合物,具有化学稳定性高、燃烧活性低、溶解性强以及易于发生取代反应等特性。
这些特性使得芳香烃在化学领域中有着广泛的应用价值,也对人类的生活和工业产生了积极的影响。
大学有机化学芳香烃教案
课时:2课时教学目标:1. 了解芳香烃的定义、结构特点和分类。
2. 掌握芳香烃的命名规则和同分异构体。
3. 理解芳香烃的物理性质、化学性质及反应类型。
4. 培养学生分析问题和解决问题的能力。
教学重点:1. 芳香烃的结构特点和分类。
2. 芳香烃的命名规则和同分异构体。
3. 芳香烃的化学性质和反应类型。
教学难点:1. 芳香烃的结构特点和分类。
2. 芳香烃的化学性质和反应类型。
教学过程:一、导入1. 引入芳香烃的概念,让学生了解芳香烃在生活中的应用。
2. 提问:什么是芳香烃?芳香烃有哪些特点?二、讲解1. 芳香烃的定义:芳香烃是指具有芳香性的烃类化合物,其特点是分子中含有共轭π电子体系。
2. 芳香烃的结构特点:芳香烃分子中碳原子形成共轭π电子体系,使分子具有稳定的芳香性。
3. 芳香烃的分类:根据分子结构,芳香烃可分为单环芳烃、多环芳烃和稠环芳烃。
4. 芳香烃的命名规则:以苯为母体,其他取代基作为取代基进行命名。
5. 芳香烃的同分异构体:包括二元取代物、三元取代物等。
6. 芳香烃的物理性质:具有较低的熔沸点、较高的密度和不易溶于水的特点。
7. 芳香烃的化学性质:易发生亲电取代反应、加成反应、氧化反应等。
三、案例分析1. 以苯、甲苯、萘等为例,分析其结构、性质和反应类型。
2. 引导学生分析苯环上取代基的位置对分子性质的影响。
四、课堂练习1. 命名下列化合物:1-甲基苯、1,2,3-三甲基苯、1,2,3,4-四甲基苯。
2. 分析下列化合物的结构、性质和反应类型:苯、甲苯、萘。
五、总结1. 回顾本节课所学内容,强调芳香烃的结构特点、分类、命名规则、物理性质和化学性质。
2. 鼓励学生在课后进一步学习芳香烃的相关知识。
六、作业1. 阅读教材相关章节,巩固所学知识。
2. 完成课后习题,检验学习效果。
教学反思:本节课通过讲解、案例分析、课堂练习等方式,使学生掌握了芳香烃的结构特点、分类、命名规则、物理性质和化学性质。
化学芳香烃
化学芳香烃芳香烃是一类非常特殊的有机分子,在化学家眼中它们是非常重要的基础化合物之一。
芳香烃有着优秀的化学性质和广泛的应用价值,下面我们就来详细介绍一下芳香烃的性质和应用。
芳香烃是由若干个苯环组成的一个环状有机分子,如苯、萘、芘等化合物。
由于其分子结构中含有苯环,使其具有良好的稳定性、不易被氧化和具有良好的疏水性等性质。
由于其结构稳定与相对平面,使其分子间的相互作用较弱,因而熔点与沸点较低。
芳香烃的分子中有多个双键,且其中一个双键为邻位,使其具有明显的芳香性质。
芳香烃的结构与光吸收、荧光改变和分子电子能量无关,这些性质使其广泛应用于各种领域。
芳香烃在生物、化工和材料科学中都有广泛应用。
其中,芳香烃的重要应用领域为精细有机合成和新型功能材料。
在精细有机合成中,苯环及其衍生物是最为基础和重要的化合物之一。
苯环及其衍生物的化学性质和化学反应和它们的分子结构紧密相关。
对于苯环及其衍生物的合成方法和它们的化学性质的认识,是有机合成化学的基础。
芳香烃的另一个重要应用领域是新型功能材料。
这些材料根据不同要求可具有多种不同的性质,包括高分子材料、涂层、光电材料、药物材料等。
芳香烃分子具有较强疏水性和稳定性,普遍应用于有机硅涂层、有机发光材料、导电高分子材料、荧光分子、光致变色材料、荧光健康检测试剂等。
芳香烃还可以与其他有机分子发生共轭反应,并生成新型高分子,这种高分子材料可以具有良好的光电特性、导电特性和自发光特性等。
这些材料可以广泛应用于太阳能电池、荧光试剂、有机光电器件等领域。
因此,芳香烃的性质和应用价值深受化工、材料科学和生物科学等领域的关注。
在未来,我们还将看到更多新型的化合物和材料应用芳香烃为基础,共同推动地球科学的发展。
芳香烃类物质
芳香烃类物质
芳香烃是一类具有芳香性质的有机化合物。
它们具有独特的气味和挥发性,常常被用于制造香水、香精和香料等产品。
芳香烃的分子结构由苯环和其他原子组成,使其具有稳定性和特殊的化学性质。
在芳香烃中,最简单的是苯,它是由六个碳原子和六个氢原子组成的环状结构。
苯是一种无色、有毒的液体,具有特殊的香味。
它广泛应用于化工工业中,可用于制造塑料、橡胶和染料等产品。
除了苯之外,还有许多其他的芳香烃物质。
例如,甲苯是一种常用的溶剂,广泛应用于油漆和涂料工业中。
二甲苯是一种具有强烈香味的有机溶剂,常被用于制造香水和清洁剂。
萘是一种从煤焦油中提取的芳香烃,常用于制造染料和医药产品。
芳香烃还具有许多重要的生物学功能。
例如,类固醇激素是一类由芳香烃结构组成的生物活性物质,它们在人体内起着重要的调节作用。
此外,许多天然产物中也含有芳香烃结构,如萜烯类物质和生物碱等。
尽管芳香烃具有许多广泛的应用和重要的生物学功能,但它们也具有一定的危害性。
某些芳香烃物质对人体有毒,可能导致中毒和健康问题。
因此,在使用芳香烃物质时,需要注意安全性和环境保护。
总结起来,芳香烃是一类具有独特香味和化学性质的有机化合物。
它们在许多行业中广泛应用,不仅提供了美妙的香气,还具有重要
的生物学功能。
然而,我们也需要关注其安全性和环境影响,以保护人类健康和自然环境的可持续发展。
通过了解芳香烃的特性和用途,我们可以更好地利用它们的优点,同时减少潜在的风险。
有机化学第四章 芳 香 烃
(2) 酰基化反应 酰基化反应的特点:产物纯、产量高。
二、氧化反应
1.苯环的氧化
苯环在激烈的条件下被氧化破坏,例如:
2. 烷基苯的氧化( 侧链氧化 ):
无论烷基侧链的长短,其氧化产物都是苯甲酸。
第五节 苯环上亲电取代反应的定位规律
一、一元取代苯的定位规律
1.邻、对位定位基(第一类定位基) 使新引入的取代基主要进入其邻位和对位,且多
第四章 芳 香 烃
第一节 芳烃的分类与命名 第二节 苯的结构 第三节 单环芳烃的物理性质 第四节 单环芳烃的化学性质 第五节 苯环上亲电取代反应的定位规律 第六节 其他芳烃
芳香化合物的定义
第一阶段:从植物胶中取得的具有芳香气味的物质称 为芳香化合物。 第二阶段:将苯和含有苯环的化合物称为芳香化合物。 第三阶段:将具有芳香性的化合物称为芳香化合物。
CH3CH2CHCH2CHCH3 CH3
COOH
SO3H
2-甲基-4-苯基己烷 苯甲酸
苯磺酸
CH3CH2CHCH2CHCH3 CH3
COO
2-甲基-4-苯基己烷 苯甲酸
第二节 苯的结构
一、苯的凯库勒式
H
H
H
1825年 法拉第发现了苯
H
H
H
1834年 经元素分析、分子量测定 分子式为 C6H6
C6H5Br 只得到一种——苯中的六个H原子完全等价
1857年 凯库勒提出碳四价(平面)
1858年 Kèkulè提出苯的结构式
凯库勒式是被广泛被接受,但仍面临下列难题:
Br
Br
1.只有一种邻二溴代苯
Br
Br
2.特殊的稳定性:
不发生加成反应 不与氧化剂反应;
第四章 芳香烃
HNO3
3.萘与浓硫酸反应
低温时,主要生成 -萘磺酸; 低温时,主要生成α-萘磺酸; 高温时,则主要生成 -萘磺酸。 高温时,则主要生成β-萘磺酸。
SO3H H2S O 4 165℃ β -萘磺酸 H2S O 4 60℃ α -萘磺酸 SO3H
三.萘的加成反应
萘比苯易发生加成反应,在不同条件下, 萘比苯易发生加成反应,在不同条件下, 生成不同的加成产物 。
Isopropylbenzene
二烷基苯有三种异构体
CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 邻二甲苯 ( 1 , 2 -二 甲 苯 ) ( 0 -二 甲 苯 ) (o -xyle n e ) 间二甲苯 对二甲苯 ( 1 , 3 -二 甲 苯 ) ( 1 ,4 -二 甲 苯 ) ( m -二 甲 苯 ) ( p -二 甲 苯 ) (m -xyle n e ) (p -xyle n e ) CH 3 CH 3
Br2
+
HBr
利用此反应的特点,可在苯环上引入卤原子。 利用此反应的特点,可在苯环上引入卤原子。
2、硝化反应(nitration) 硝化反应(nitration)
浓H2SO4
50 55 ℃
NO2
+
+
HNO3 (浓)
H2O
硝基苯 利用此反应的特点,可在苯环上引入硝基。 利用此反应的特点,可在苯环上引入硝基。
苯的取代反应分三步进行: 苯的取代反应分三步进行:
1、产生亲电试剂
AB ──→
A+
+
B-
Br
Br + FeBr3
Br
+
+ [ FeBr4 ]
+ +
-
04芳香烃
第5章芳香烃芳香烃简称芳烃,是指一类具有特定的环状结构和特定的化学性质的有机化合物。
芳烃是芳香族化合物的母体。
大多数芳香烃含有苯的六碳环结构,少数虽然不含苯环,但都含有结构、性质与苯环相似的芳环。
由于芳环的特殊结构,使芳香族化合物的性质比较特殊。
一般情况下,芳环上不易发生加成反应,不易氧化,而容易发生取代反应。
根据芳香烃分子结构中是否含有苯环,芳烃可分为苯系芳烃和非苯系芳烃两大类。
苯系芳烃又可以根据分子中苯环的数目分为单环芳烃和多环芳烃。
多环芳烃包括联苯、多苯代脂肪烃、稠环芳烃等。
5.1单环芳烃命名苯环上连有简单烷基的芳香烃命名时,以苯为母体,侧链作为取代基称为“某烷基苯”,“烷基”二字常常省略。
例如:苯环上连有两个或两个以上相同的取代基时,应将苯环碳原子编号来确定取代基的位置。
编号时采用“最低系列”的编号方法,使取代基的位置之和最小。
或用习惯命名法以“邻、间、对、连、偏、均”等来表示取代基的相对位置。
如:如果苯环上所连烷基不同,编号时依据次序规则选与最小的支链相连的碳原子为1位,其余采用“最低系列法”编号。
当支链上碳原子数多于5时,要将苯作为取代基,以烷基为母体,命名方法与烷烃相似。
例如:当分子结构中含有双键、三键时,也应以苯环为取代基,以烯烃或炔烃为母体,命名原则与烯、炔相似。
例如:多环芳烃中多苯代脂肪烃采用衍生物命名法,即以链烃为母体,苯环为取代基;稠环芳烃则一般有特殊的名称。
例如:芳香烃衍生物的命名一般系统命名法。
首先选择恰当的母体。
一般说来,常见的母体选择的优先次序为:-COOH > -SO3H > -CN > -CHO > -OH(醇) > -OH(酚) > -NH2> -R(越靠前越宜选为母体,卤素原子和硝基一般不选为母体,故在此顺序中未列出)。
再给苯环上的碳原子编号,与母体取代基相连的碳原子得号为1,其余取代基采用“最低系列”原则。
例如:5.2芳香烃的结构苯是芳香烃中最有代表性的化合物。
芳香烃的性质及应用
芳香烃的性质及应用芳香烃是由苯环或含有苯环结构的有机化合物,具有特殊的化学性质和应用。
以下是关于芳香烃性质及应用的详细介绍。
一、芳香烃的性质:1. 强烈的香气:芳香烃因为其结构中带有苯环,使其具有强烈的香气,常用于香水、香精等产品的制造。
2. 不溶于水:芳香烃的分子结构使其分子间只具有弱的范德华力,不具有极性,因此不溶于水,但可以溶于非极性溶剂如苯、氯仿等。
3. 高燃点和不稳定性:芳香烃具有较高的燃点和不稳定性,易燃且不易水解,容易聚合。
4. 具有麻醉作用:大部分芳香烃对人体有一定的麻醉作用,可以用于麻醉药物的合成。
二、芳香烃的应用:1. 化学品的合成:由于芳香烃具有多样的反应性,可以用于合成各种化学品。
例如,苯可用作甲苯、硝基苯等有机溶剂和合成材料的原料,具有重要的工业应用。
2. 香料和香水的制造:由于芳香烃具有较浓郁的香气,许多芳香烃被用作香料和香水的制造原料。
例如,香脂醛、苯乙烯等可用于制造香水。
3. 聚合物的制备:由芳香烃聚合而成的聚合物具有较高的熔点和强度,可用于制造高温材料、纤维、电子材料等。
例如,苯乙烯可以聚合为聚苯乙烯,用于制造塑料制品。
4. 医药领域:芳香烃在医药领域有广泛的应用。
例如,苯胺类化合物可作为抗菌药物,对抗真菌、细菌等有较好的效果。
此外,芳香烃也可用于合成药物的中间体。
5. 染料的合成:芳香烃作为染料的原料可以产生多种颜色,用于纺织工业、染料工业等。
例如,二苯甲酮类化合物可用于合成偶氮染料。
6. 有机金属化合物的合成:芳香烃可以通过和金属反应生成金属有机化合物,这些金属有机化合物广泛应用于有机合成、催化反应等领域。
总结起来,芳香烃具有强烈的香气、不溶于水、不稳定、具有麻醉作用等性质,广泛应用于化学品合成、香料和香水制造、聚合物制备、医药领域、染料合成、有机金属化合物合成等领域。
在未来,随着科技的不断发展,芳香烃的应用也将不断拓展和创新。
第四章 芳香烃
CH CH2
苯乙烯 Phenyl ethylene (Styrene)
㈡ 二取代苯的命名
二 单环芳烃的异构和命名
当化合物分子中含2个以上官能团和取代基时,按下 列顺序确定主官能团
COOH S O3H COOR COX CONH2
CN CHO C O OH NH2 OR R -X -NO2
见教材的P145
25℃
或 浓H2SO4 / 75℃
SO 3H Yield 95%
苯磺酸
Benzenesulfonic acid
SO3H CH3
发烟H2SO4 200℃以上
SO3H
SO3H
CH3
CH3
+ H2SO4浓
室温
SO3H +
+2H2O
注意
SO3H
※1 苯的磺化反应是可逆反应,在有机合成中应用广泛
四 单环芳烃的化学性质
三 单环芳烃的物理性质
㈡ 来源之二:石油的芳构化
Pt, H2 环化
CH3
Pt, H2 环化
Pt,高温 异构化
Pt, 3H2 芳构化
CH3 Pt, 3H2 芳构化
Pt, 3H2 芳构化
CH3
三 单环芳烃的物理性质
单环芳烃一般为无色液体,比水轻,不溶于 水,溶于一般的有机溶剂
芳烃的熔点及沸点变化符合一般规律,在各 异构体中,对称性大者,熔点较高
二 单环芳烃的异构和命名
在-OH之前的基团与苯环相连时,苯环作为取代基命名 在-OH之后的基团与苯环相连时,则以苯环为母体命名 多取代苯确定主官能团后,按最低系列原则编号
选择母体的顺序如下:
-N+R3 、 -COOH、 -SO3H、 -COOR(酯)、 -COX(酰卤)、 -CONH2(酰胺)、 -CN、-CHO、 C=O、 -OH、 -NH2、 -OR、 -R、 -X、 -NO2 等
芳香烃的化学性质
硝化反应
在酸性条件下,将苯与硝酸反应,生成硝基苯,再还原硝 基生成苯胺。
要点二
氨解反应
将苯与氨反应,生成苯胺。
05 芳香烃的应用
化学工业
01
02
03
合成塑料
芳香烃是合成塑料的重要 原料,如聚乙烯、聚丙烯 等。
合成纤维
芳香烃可用于合成纤维, 如涤纶、锦纶等。
合成橡胶
芳香烃可用于合成橡胶, 如丁苯橡胶、丁腈橡胶等。
氧化稳定性
总结词
芳香烃的氧化稳定性与其取代基和环的大小有关。
详细描述
在芳香烃中,环的氧化稳定性顺序为:六元环>五元环>四元环。此外,芳香烃的氧化稳定性还与其 取代基的性质和数目有关,通常,给电子取代基(如烷基、羟基、氨基等)能增加芳香烃的氧化稳定 性,而吸电子取代基(如卤素、硝基等)则会降低其氧化稳定性。
02 芳香烃的反应性
亲电取代反应
总结词
芳香烃在反应中作为电子受体,与亲电试剂发生取代反应。
详细描述
亲电取代反应是芳香烃的一种重要反应类型,其中芳香烃作 为电子受体,与亲电试剂(如卤素、硫酸、硝基等)发生取 代反应,通常发生在苯环上。这种反应通常需要催化剂的存 在,如硫酸、磷酸等。
亲核取代反应
总结词
医药工业
药物合成
芳香烃可用于合成多种药 物,如抗生素、镇痛药等。
化学试剂
芳香烃可作为化学试剂, 用于实验室中的各种化学 反应。
医疗器械
芳香烃可用于制造医疗器 械,如导管、手术器械等。
农业化学品
农药
植物生长调节剂
芳香烃可以合成多种农药,如杀虫剂、 除草剂等。
芳香烃可以合成植物生长调节剂,调 节植物生长和发育。
有机化学基础知识点整理芳香烃的特性与应用
有机化学基础知识点整理芳香烃的特性与应用有机化学基础知识点整理芳香烃的特性与应用有机化学是研究有机化合物的性质、结构、合成和反应的学科。
芳香烃是有机化合物中一类特殊的化合物,具有独特的特性和广泛的应用。
本文将对芳香烃的特性与应用进行整理。
一、芳香烃的特性芳香烃是由苯环组成的化合物。
苯环由六个碳原子构成,每个碳原子与一个氢原子结合。
芳香烃的特性如下:1. 稳定性:芳香烃的化学性质相对稳定,不容易与其他物质反应。
这使得芳香烃在许多领域有广泛的应用,如医药、材料科学等。
2. 共轭体系:芳香烃的苯环中存在共轭体系,使得芳香烃具有特殊的光学性质。
例如,芳香烃可以吸收紫外光,并发生共振增强的荧光或磷光现象。
3. 电子云分布:芳香烃中的π电子云分布均匀,电子云的分布导致了芳香烃的共振稳定性,使其具有较低的反应活性。
二、芳香烃的应用芳香烃由于其特殊的性质,具有广泛的应用领域。
以下是芳香烃在一些领域的应用实例:1. 医药领域:芳香烃是许多药物的重要组成部分。
例如,水杨酸是一种常用的非处方药,其结构中含有苯环。
许多抗生素和抗癌药物也包含芳香烃结构。
2. 化妆品领域:许多香水和香料中都含有芳香烃。
香水的芳香烃成分可以通过挥发扩散出来,给人以愉悦的感觉。
3. 染料领域:芳香烃可以用于染料的合成。
例如,苯胺和二硝基苯可以反应生成偶氮染料,用于纺织品的染色。
4. 材料科学领域:芳香烃可以作为合成高分子材料的原料。
例如,聚苯乙烯是一种常见的塑料材料,其结构中含有苯环。
5. 燃料领域:芳香烃可以作为燃料的成分。
在石油加工过程中,芳香烃会被分离出来,用于生产机车燃料和航空燃料。
6. 环境领域:由于芳香烃的稳定性和难降解性,芳香烃的污染成为环境问题之一。
研究如何高效地去除芳香烃的方法对环境保护具有重要意义。
通过对芳香烃的特性与应用进行整理,我们可以看到芳香烃在医药、化妆品、染料、材料科学、燃料和环境领域等各个方面都有着广泛的应用。
烷烃烯烃和芳香烃的性质与反应
烷烃烯烃和芳香烃的性质与反应烷烃、烯烃和芳香烃是有机化合物中常见的三类碳氢化合物。
它们在化学性质上有着明显的差异,具有不同的物理性质和反应特点。
本文将就烷烃、烯烃和芳香烃的性质和反应进行论述。
一、烷烃的性质与反应烷烃是一类只含有碳碳单键和碳氢键的有机化合物。
它们的分子结构简单且稳定,因此物理性质相对较为单一。
烷烃通常是无色、无味的气体或液体,密度较小。
由于其分子结构稳定,烷烃的化学性质相对较为迟钝,不容易与其他物质发生反应。
烷烃的主要反应是燃烧反应。
烷烃与氧气在适宜条件下可以发生完全燃烧,生成二氧化碳和水。
这是烷烃最常见的反应,也是其最重要的应用之一。
例如,甲烷与氧气反应可以产生二氧化碳和水,生成的热能可用于供暖、发电等领域。
除了燃烧反应外,烷烃还可以参与部分氧化反应。
一些高级烷烃可以通过催化剂作用进行氧气与部分燃料的反应,产生醇、醛等有机化合物。
此反应在有机合成领域具有重要意义。
二、烯烃的性质与反应烯烃是一类含有碳碳双键的有机化合物。
烯烃的分子结构比烷烃更加复杂,由于烯烃中存在共轭体系,烯烃分子通常呈现较为稳定的结构。
烯烃可以是液体或气体,但很少有固体存在。
与烷烃相比,烯烃具有更为活泼的化学性质。
烯烃可以参与加成反应,双键可以与其他物质发生加成反应,生成新的化合物。
例如,乙烯可以与氢气在适当条件下发生加成反应,生成乙烷;乙烯也可以与氯气反应,生成氯乙烷。
此外,烯烃还可以进行聚合反应。
烯烃分子中的双键可以与其他烯烃分子的双键进行开环聚合反应,形成高分子化合物。
聚乙烯作为最常见的烯烃聚合物之一,具有广泛的应用。
三、芳香烃的性质与反应芳香烃是一类含有苯环结构的有机化合物。
芳香烃的分子结构稳定,具有特殊的芳香性质。
芳香烃的物理性质较为复杂,可以是固体、液体或气体。
芳香烃的芳香性质来源于苯环的共轭π电子体系。
芳香烃分子中存在的π电子使其具有一系列特殊的化学性质,如亲电取代反应和电子取代反应等。
亲电取代反应是最常见的芳香烃反应之一。
芳香烃的化学性质
N H C O C H 3 H N O 3
N H C O C H 3 N O 2
N O 2
S O H 3
S O H 3
【实例】磺胺类药物的合成
O NHCCH 3
ClSO 3H 乙酰苯胺
O NHCCH
3
O NHCCH
NH 3 · H 2O
3
SO 2 Cl
SO
2 NH
2
NH2
水解 磺胺
SO2NH2
(4)烷基化反应(Friedel-Craft反应)
O A l C l ( > 1 m o l ) 3 C C H 3 + H C l
O + C H C C l 3
O C H 3 C A l C l ( > 2 m o l ) 3 + O C H 3 C O
O C C H 3 +C H C O O H 3
应用:制备芳香酮、双官能团化合物或直链取代烷基苯
(3)磺化反应
可逆反应 在有机合成上常用来保护苯环上的某个氢。
S O H 3
+ H S O ( 1 0 % S O ) 2 4 3
+H O 2
S O H 3 稀 H S O 2 4
o 1 0 0 ~ 1 7 0 C
+H S O 2 4
磺化反应是由 SO3(也有人认为是 +SO3H )进 攻苯环而引起的,通过硫原子进攻苯环。
苯环上的 C—H 键伸缩振动在 3030cm-1 附近,表现为中等强度吸 收;苯环上 C=C 骨架振动在 1575~1625cm-1 与 1475~1525cm-1 处为中 等强度。在 700~900cm-1 区内出现芳环上 C—H 键面外弯曲振动吸收峰, 但环上相邻接氢的数目不同,吸收位置有差别,可用它区别同分异构体。
芳香烃的化学性质
O + CH3 CH3 C O C O AlCl3 (>2mol)
O C-CH3 + CH3COOH
应用:制备芳香酮、双官能团化合物或直链取代烷基苯
O + O O AlCl3 CCH2CH2COOH O
O + CH3CH2CCl AlCl3
O CCH2CH3 Zn-Hg HCl CH2CH2CH3
非苯芳烃
分子中不含苯环,但有芳香性的碳氢化合物称为非苯芳烃
11.1苯的结构
苯分子模型
现代物理方法测得苯的结构为:苯分子的六个碳原子和六个氢原子都在 同一个平面上,六个碳原子构成正六边形,C—C 键长为 0.140 nm, C—H 键长为 0.108 nm,键角 ∠CCH 及 ∠CCC 均为 120°.
CH3 NH3 CH2NH2 CH3
应用:-CH2Cl很容易转化为-CH2OH、-CH2CN、-CHO、-CH2COOH、CH2NH2 等,在有机合成上可方便地将芳烃转化成相应的衍生物。
CHO
[O] H2O H2O H2
CH3
CH2COOH HCN
CH2CI H2O
HCN
CH2OH
HN(CH3)2
凯库勒(Kekule)结构式
不能真实代表苯的化学性质:
不反应
KMnO4 H
+
C6H6 Br2 FeBr3 C6H5Br
Br2 CCl4
不反应
价键理论对苯结构的处理
杂化轨道理论认为苯环中碳原子为 sp2 杂化状态,三个 sp2 杂化轨道 分别与另外两个碳原子的 sp2 杂化轨道形成两个 C—C σ键以及与一 个氢原子的 s 轨道形成 C—H σ 键,没有杂化的 p 轨道相互平行且垂 直于 σ 键所在平面,它们侧面互相重叠形成闭合大 π 键共轭体系。大 π键的电子云像两个救生圈分布在分子平面的上下。
芳香烃总论
第八讲:芳香烃
(四)熔点 在同分异构体中,结构对称的异构体具有较高的熔点。邻、间、对二 甲苯的熔点分别为 -25.5℃、-47.9℃ 和 13.3℃,可用低温结晶的方法
使对二甲苯分离出来。
第八讲:芳香烃
四、苯及同系物的化学性质
总体情况:苯环具有芳香性,它有特殊的稳定性,没有典型的碳碳双 键的性质,不易加成和氧化。同时苯环上的π 电子云暴露在苯环平面的
3=358.8KJ/mol,实际上苯的氢化热是208.4KJ/mol,比预计的数值低 150.4KJ/mol。 1,4-加成产物 说明苯分子具有较低的内能,分子稳定,是一种具有特殊稳定性的物质。
1,2-加成反应进程 1,4-加成反应进程 1,2-加成和 1,4-加成反应进程中的位能曲线图
1,2-加成产物 H
第八讲:芳香烃
由于烷基是供电子基团,已取代后芳环上电子云密度增大,
使得亲电取代反应更容易继续进行,最后甚至可以全部取代。
第八讲:芳香烃
四、苯及同系物的化学性质
※傅—克酰基化反应:在路易斯酸(氯化铝)催化下,芳烃与酰基化 试剂生成芳酮是傅—克酰基化反应。
酰基化试剂:酰卤、酸酐、羧酸
O
+
O C CH3
(二)Diels-Alder反应(合成环状化合物,获诺贝尔化学奖) 二、苯的电子结构
CHO (二)现代苯分子结构的价键理论观点 苯 + CHO 100% 100oC 结论:苯分子中,每个碳原子都采用 sp 杂化方式分别与 1个氢原子、 O O 2个碳原子形成σ键。6个碳原子除了通过 6个σ键连接成环外,每个碳原
1-甲基-4-丙基-2-异丙基苯 4-丙基-2-异丙基甲苯
1-甲基-3-乙基苯 3-乙基甲苯
芳香烃的性质与反应
在燃料领域的应用
柴油添加剂:芳香烃可以提 高柴油的燃烧效率,减少尾 气排放。
汽油添加剂:芳香烃可以提 高汽油的辛烷值,改善汽油 的性能。
燃料油:芳香烃可以作为燃 料油的主要成分,提供能量。
生物燃料:某些芳香烃可以 作为生物燃料,具有可持续
性和环保性。
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烷基化反应的机理特点:反应速率快、选择性高、操作简便,是芳香烃衍生物合成的重要方法 之一。
酰基化反应机理
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定义:酰基化反应 是芳香烃与酰氯或 酸酐在催化剂作用 下生成芳香酮的反
应
反应机理:芳香烃 的活性氢与酰氯或 酸酐中的碳氧双键 发生亲电加成,生 成碳正离子中间体, 然后发生电子转移, 最后发生质子化反
应用:可用于合成多种有机化合物, 如染料、香料、药物等
稠环芳香烃
定义:稠环芳香烃是指具有两个或多个苯环相互稠合的芳香烃。 分类:根据苯环数目的不同,稠环芳香烃可以分为二环、三环、四环等类型。 结构特点:稠环芳香烃的碳原子之间通过单键或双键相互连接,形成闭合的环状结构。 性质与反应:稠环芳香烃具有芳香性,可以发生亲电取代、加成等反应。
芳香烃的结构特点
含有苯环
碳原子之间以单 键和双键连接
芳香烃具有芳香 性
芳香烃的稳定性 较高
芳香烃的物理性质
沸点:芳香烃的沸点较高,且 随分子量的增加而升高。
熔点:芳香烃的熔点也较高, 且随分子量的增加而升高。
溶解性:芳香烃通常不溶于水, 但可溶于有机溶剂。
密度:芳香烃的密度一般比水 小,且随分子量的增加而减小。
特点:结构简单,性质稳定,是芳 香烃中最常见的一类
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芳香烃的化学性质(一)一、苯的稳定性和加成反应比较苯与环己烯的分子式可知,苯比环己烯少四个氢原子,这相当于增加了两个碳碳双键,或者可以说:苯的不饱和度与环己三烯相当。
但1,3-环己二烯失去两个氢变成苯时,不但不吸热,反而放出少量的热,这说明:苯比相应于环己三烯的化合物要稳定得多,从1,3-环己二烯变成苯时,分子结构已发生了根本的变化,并导致了一个稳定体系的产生。
因此,尽管苯的 C/H比值等于或大于不饱和烃的 C/H比值,但苯的不饱和性质却很不显著,譬如烯、炔在室温下能迅速与溴、硫酸等亲电试剂发生加成反应,而苯和溴、硫酸等不发生加成反应,在升温和催化剂作用下却很易发生卤化、硝化、磺化、烷基化、酰基化等取代反应。
在特殊情况下,苯也能发生加成反应,但奇特的是在发生加成反应时,一般总是三个双键同时发生反应,生成一个环己烷的体系,只在个别情况下,一个双键或两个双键可以单独发生反应。
如苯和氯在阳光下反应,就生成六氯代环己烷:催化加氢也是类似的,一步生成环己烷:苯的稳定性和加成反应比较苯与环己烯的分子式可知,苯比环己烯少四个氢原子,这相当于增加了两个碳碳双键,或者可以说:苯的不饱和度与环己三烯相当。
但1,3-环己二烯失去两个氢变成苯时,不但不吸热,反而放出少量的热,这说明:苯比相应于环己三烯的化合物要稳定得多,从1,3-环己二烯变成苯时,分子结构已发生了根本的变化,并导致了一个稳定体系的产生。
因此,尽管苯的 C/H比值等于或大于不饱和烃的 C/H比值,但苯的不饱和性质却很不显著,譬如烯、炔在室温下能迅速与溴、硫酸等亲电试剂发生加成反应,而苯和溴、硫酸等不发生加成反应,在升温和催化剂作用下却很易发生卤化、硝化、磺化、烷基化、酰基化等取代反应。
在特殊情况下,苯也能发生加成反应,但奇特的是在发生加成反应时,一般总是三个双键同时发生反应,生成一个环己烷的体系,只在个别情况下,一个双键或两个双键可以单独发生反应。
如苯和氯在阳光下反应,就生成六氯代环己烷:催化加氢也是类似的,一步生成环己烷:二、苯及其同系物的氧化烯、炔在室温下可迅速地被高锰酸钾氧化,但苯即使在高温下与高锰酸钾、铬酸等强氧化剂同煮,也不会被氧化。
只有在五氧化二钒的催化作用下,苯才能在高温被氧化成顺丁烯二酸酐。
烷基取代的苯易被氧化,但一般情况下,氧化时苯环仍保持不变,只是和苯环相连的烷基氧化成羧基。
而且,不管侧链多长,只要和苯环相连的碳上有氢,氧化的最终结果都是侧链变成只有一个碳的羧基,如果苯环上有两个不等长的侧链,通常是长的侧链先被氧化。
只有在苯环和一个三级碳原子相连,或与一个极稳定的侧链相连时,在强烈的氧化条件下,侧链才保持不变,苯环氧化成羧基。
上述实验事实说明,与烯、炔等不饱和化合物相比,苯对氧化剂的稳定性增高了。
三、共振论和分子轨道理论对苯芳香性的解释苯是最简单、最有代表性的一个芳香化合物,从理论上探索苯为何具有芳香性对发展有机化学有十分重要的意义。
对苯的芳香性有各种各样的解释,其中最重要的是共振论和分子轨道理论。
共振论认为苯共振于两个凯库勒结构(Ⅰ)和(Ⅱ)之间。
(Ⅰ)与(Ⅱ)是两个能量很低、稳定性等同的极限结构,它们之间的共振引起的稳定作用是很大的,因此杂化体苯的能量比极限结构低得多,共振论将极限结构的能量与杂化体的能量之差称为共振能,计算公式如下:共振能=极限结构的能量-杂化体的能量苯的共振能可借助氢化热来估算,苯的极限结构式与环己三烯相当,环己三烯实际上是不存在的,它的氢化热用环己烯氢化热的三倍代替,其值是3×119.3 kJ·mol-1=358. 0kJ·mol-1,杂化体苯的氢化热是208·5kJ·mol-1,所以苯的共振能为149.3kJ·mol-1。
两个等同的极限结构对苯的贡献是相同的,因此导致了碳碳键长的平均化和电子云的均匀分布。
杂化体苯的正六边形结构及π电子云的均匀分布是环电流产生的原因。
加成反应会破坏极限结构的共振,使稳定的苯转变为不稳定的1,3-环己二烯,因此难以进行;π电子云利于亲电试剂的进攻,取代反应最终不会破坏极限结构的共振而易于进行。
分子轨道理论把苯描述为一种离域的结构,它认为:苯分子的6个碳原子均为sp2杂化的碳原子,相邻碳原子之间以sp2杂化轨道互相重叠,形成6个均等的碳碳σ键,每个碳原子又各用一个sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道重叠,形成碳氢σ键。
所有轨道之间的键角都为120°,由于sp2杂化轨道都处在同一平面内,所以苯的6个氢原子和6个碳原子共平面,每个碳原子还剩下一个未参与杂化的垂直于分子平面的p轨道,6个p原子轨道彼此作用形成6个π分子轨道,它们的形状及相应的能级如图7-3所示。
从图7-3中可以看出,苯有6个π分子轨道,ψ1,ψ2,ψ3是能量较低的成键轨道,ψ4,ψ5,ψ6是能量较高的反键轨道。
在三个成键轨道中,ψ1没有节面,能量最低,ψ2,ψ3各有一个节面,它们的能量相等,但都比ψ1高。
分子轨道理论将两个能量相等的轨道称为简并轨道,ψ2,ψ3是一对简并轨道。
同样,反键的ψ4,ψ5也是一对简并轨道,它们各有两个节面,能量比ψ2,ψ3高。
反键的ψ6能量最高,它有三个节面。
基态时,6个π电子占据三个成键轨道,所以苯的π电子云是由三个成键轨道叠加而成的,叠加的最后结果是π电子云在苯环上下对称均匀分布,又由于碳碳σ键也是均等的,所以碳碳键长完全相等,形成一个正六边形的碳架。
闭合的电子云是苯分子在磁场中产生环电流的根由,环电流可以看作是没有尽头的,因此离域范围很广,图7-3表明:苯的Eπ为6α+8β,与6个π电子处在三个孤立的π轨道中的能量6α+6β相比,离域能是2β,所以苯很稳定。
加成反应会导致苯封闭共轭体系的破坏,所以难以发生。
取代反应最终不会破坏这种稳定结构,又由于环形离域π电子的流动性较大,能够向亲电试剂提供电子,因此苯易发生亲电取代反应。
四、苯及其同系物的伯奇还原碱金属(钠、钾或锂)在液氨与醇(乙醇、异丙醇或二级丁醇)的混合液中,与芳香化合物反应,苯环可被还原成不共轭的1,4-环己二烯类化合物,这种反应叫做伯奇(B irch,A.J.)还原。
例如苯可被还原成1,4-环己二烯。
伯奇还原的反应机制如下所示:Na+NH3→Na++(e-)NH3(溶剂化电子)首先是钠和液氨作用生成溶剂化电子,此时体系为一蓝色溶液。
然后,苯环得到一个电子生成(I),(Ⅰ)仍是环状共轭体系,但有一个单电子处在反键轨道上,因此不稳定而易被质子化,即从乙醇中夺取一个质子生成(Ⅱ)。
(Ⅱ)再取得一个溶剂化电子转变成(Ⅲ),(Ⅲ)是一个强碱,可以再从乙醇中夺取一个质子生成1,4-环己二烯。
苯的同系物也能发生伯奇还原,一取代烃基苯经伯奇还原得1-烃基-1,4-环己二烯。
例如:若取代基上有与苯环共轭的双键,伯奇还原首先在共轭双键处发生。
不与苯环共轭的双键不能发生伯奇还原。
伯奇还原反应与苯环的催化氢化不同,它可使芳环部分还原生成环己二烯或环己烯类化合物,因此伯奇还原有它独到之处,在合成上十分有用。
苯环上的亲电取代反应芳香族化合物芳核上的取代反应从机制上讲包括亲电、亲核以及自由基取代三种类型。
本章介绍芳香亲电取代,所谓芳香亲电取代是指亲电试剂取代芳核上的氢。
苯的亲电取代称为苯的一元亲电取代,一元取代苯再在苯环上发生亲电取代称为苯的二元亲电取代。
典型的芳香亲电取代有苯环的硝化、卤化、磺化、烷基化和酰基化。
这些反应的反应机制大体是相似的,如下所示:中间体碳正离子是一个活泼中间体,形成它必须经过一个势能很高的过渡态,整个反应的反应速率主要取决于这一步。
下面分别讨论这些反应及有关问题。
有机化合物分子中的氢被硝基(-NO)取代的反应称为硝化反应。
苯在浓硝酸和浓2硫酸的混合酸作用下,能发生硝化反应,反应的结果是苯上的氢被硝基取代。
曾对硝化反应提出过两种有代表性的反应机制:一种是一步的,即硝基与苯环上碳原子的结合和该碳原子上氢的离去是同步进行的,和卤代烷的SN2反应类似;另一种是两步的,硝基先和苯环的碳原子结合,形成中间体,然后再失去质子,这两步反应,中间体的形成是决定反应速率的一步,质子的离去对反应速率没有影响。
两种机制的共同点是都发生碳氢键的断裂,不同的是在一步反应机制中碳氢键的断裂决定反应速率;而在两步反应机制中,碳氢键的断裂不影响反应速率为了证实取代反应到底是按哪种机制进行的,分别用普通苯和重氢苯(C6D6)在同样条件下进行反应。
如果按一步反应机制发生反应,C6H6和C6D6的反应速率应该是不同的,因碳氢键(C——H)的断裂比碳重氢键(C——D)的断裂容易,(C——H键断裂反应速率比C——D键断裂高5~8倍),应表现出同位素效应;如按两步反应机制进行,C——H键的断裂不是决定反应速率的一步,则两种苯的反应速率应该是一样的。
实验结果证明,除个别情况外,C6H6和C6D6的硝化反应速率是相同的,说明取代反应是按两步反应机制进行的。
现在公认的硝化反应机制包括下列步骤:(i)硝酸(作为碱)在强酸(浓硫酸)作用下,先被质子化,然后失水产生硝基正离子:硝基正离子的存在已为硝酸的硫酸溶液的冰点降低实验及该溶液的拉曼光谱(ii)硝基正离子进攻苯环生成中间体碳正离子。
硝基正离子的结构是碳原子核的吸引,与一般烯键的π电子相比,它们与碳结合较紧密,但与定域的σ键相比,它们与碳的结合仍然是松弛的,容易受亲电试剂的进攻。
亲电试剂与苯接近,然后与苯环上的一个碳原子相连,该碳原子由原来的sp2活性中间体,即中间体碳正离子(由于该中间体碳正离子形成了一个新的σ键,又称之为σ络合物)。
中间体碳正离子的离域式及极限式如下所示:离域式表明:中间体碳正离子的正电荷分散在五个碳原子上。
显然,这比正电荷定域在一个碳原子上更为稳定,但与苯相比,因该碳正离子中出现了一个sp3杂化的碳原子,破坏了苯环原有的封闭的环形共轭体系,使其失去了芳香性,能量升高。
因此,该碳正离子势能很大,由苯转变成它,必须跨越一个较高的能垒。
中间体碳正离子的存在已被实验证实,有些比较稳定的中间体碳正离子可以制备,并能在低温条件下分离出来。
例如:(iii)碱(负离子)从碳正离子的sp3杂化态的碳原子上夺取一个质子,使其生成硝基苯。
此时产物恢复了苯环的共轭体系结构。
显然,该步反应只需要较少的能量。
如果碱不去夺取质子,而去进攻环上的正电荷处,则反应与碳碳双键的加成相象,应得到加成产物。
实验结果证明:只有取代苯生成。
其原因是,发生取代反应的过渡态势能较低,且产物的能量比原料的低;如果生成加成物,过渡态势能较高,且产物的能量比苯的能量高,整个反应是吸热的,因此无论从动力学还是从热力学的观点考虑,进行加成反应都是不利的。