第七章 多环芳烃
有机化学-多环芳烃
18
•利用-萘磺酸的性质制备萘的衍生物
例:由-萘磺酸碱熔得到-萘酚
SO3H NaOH
+
H
OH
300℃
• 布赫雷尔反应--萘酚的羟基比较容易被氨基置换生成
萘胺(可逆反应):
•萘的磺化也是可逆反应. •磺酸基进入的位置和反应温度有关.
SO3H
热力学控制? 动力学控制?
100%H2SO4
<80℃
95%H2SO4
165℃
96 %
1H625S℃O4
SO3H
85 %
注意反应条件 (熟记)
17
磺酸基的空间位阻
-萘磺酸位阻大
-萘磺酸位阻小
•在低温下磺化(动力学控制)--主要生成-萘磺酸,生成 速度快,逆反应(脱附)不显著.在较高温度下, 发生显著逆 反应转变为萘.
(Ⅰ)
(Ⅱ)
(Ⅲ)
11
一般常用下式表示:
β β
β
β
8 7
或 6 5
1 2
3 4
由于键长不同,各碳原子的位置也不完全等同,其中 1,4,5,8四个位置是等同的,叫位。 2,3,6,7四个位置是等同的,叫位。
12
• 萘的一元取代物 -氯萘
• 萘的二元取代物 对甲萘磺酸
-氯萘
1,5-二硝基萘
13
22
*十氢化萘的两种构象异构体
反式十氢化萘
顺式十氢化萘
• 顺式的沸点194℃,反式的沸点185℃ • 可将一个环看成另一个环上的两个取代基
例: 6,6′-二硝基-2,2′-联苯二甲酸的异构体
有机化学课件-多环芳烃
Na C2H5OH 78oC
Na (or Li) NH3-C2H5OH (4mol)
§7.3 稠环芳烃
§7.3.2 萘、蒽的化学性质 b. 蒽的化学性质 蒽比萘更容易反应,位最活泼。 (A) 加成反应: 9,10 位加成
+ H2
(B) 氧化反应: 9,10位
+ Br2 CCl4
00C K2Cr2O7/H2SO4
O
O
温和氧化剂得醌 强烈氧化剂得酸酐
O
CH3 萘环比侧链更易氧化, 所以不用侧链氧化法 制萘甲酸。
a. 萘的化学性质
3. 还原反应
萘比苯容易被还原
顺式,十氢化萘
反式,十氢化萘
H2 / pt 高温高压
H2 / 弱催化剂 高温高压
H2 / Ni (pd) Na C2H5OH 152oC
Na (or Li) NH3-C2H5OH (2mol)
主产物
OH SO3H
CH3 HNO3 , CH3COOH
50~700C
NO2 CH3 +
10 : 1
CH3 NO2
CH3
H2SO 4
HO3S
CH3
80%
a. 萘的化学性质 2. 氧化反应 萘比苯容易氧化
O
O O
V2O5 200-500oC
CrO3-HOAc 10-15oC
O
CH3
CrO3-HOAc 25oC
O2N
HNO3 H2SO4
O2N O2N
NO2
主
次
还
NO2
原
2
NO2 Zn+ NaOH
NN HH
HCl H2N
NH2
氢化偶氮苯
第7章 多环芳烃
D-A反应
O
O
⊿
O O O C C
Br
(2)氧化
O2, V2O5 400oC
O
蒽醌
O
(3) 取代反应
Cl2/ CCl4
Cl
H2SO4
SO3H SO3H +
1-蒽磺酸, 50%
2-蒽磺酸, 30%
3) 菲
CrO3
O
O
菲醌
K2Cr2O7/H+
4)ene
Chrysen e
a
c
ca
b
d
d b
3. 三苯基甲烷
AlCl3 C H
3
+ CHCl3
三苯甲基自由基
C
三苯甲基碳正离子 三苯甲基碳负离子
三苯甲基自由基
3 + CCl4 AlCl3 (C6H5)3CCl
(C6H5)3CCl + Ag
CO2 C6H6
(C6H5)3C + AgCl yellow
O2
(C6H5)3C C H C6H5 C6H5
p电子数符合Hückel规则。
就具有芳性。
Hückel 规则 通式为CmHm的环多烯
假定分子共平面,每个C原子各有一 个p原子轨道线性组成m个分子轨道
用简化的分子轨道法计算这些轨道的能量,可近似地用内接于半径为2β 的圆,顶角朝下的正多边形顶点表示:
-1β 0.618β 2β -2β
-1.618β 2β -2β -1β 1β 2β
重油(杂酚油) 230~270 绿油(蒽油)270~360 沥青 > 360
2. 石油的芳构化 (铂重整)
Pt, 脱氢
3. Haworth法合成
10第七章多环芳烃
2' 1' 1
2
3 4
CH2
(CH 2 ) n
6 5
n 2
二苯甲烷
3' 4' 6' 5' 6 2' 1' 1 2
三苯甲烷
3 4 5 4" 5" 6" 3" 2" 1" 4' 3' 2' 1' 1 4 5' 6' 6 5 2 3
2. 联苯
二联苯
三联苯
3. 稠环芳烃
3 8 7 6 5 4 1 2 3 7 6 5 10 4 8 9 4 1 2 3 6 5 1 10 8 9 2
2 Cu 2 X X = I, Br, C l
NO 2 Cu I
NO 2
O 2N
2. 联苯的构象
45o
C O 2H NO2 NO2 C O 2H
NO2
C O 2H
C O 2H
NO2
邻位H之间有位阻 旋转受阻
邻位四取代联苯有手性
3. 亲电取代反应
H N O 3 / A c2O H N O 3 / H 2 SO 4
[14]轮烯
H H H H
π电 子 =18,
H H
n =4
轮内氢原子间的斥力微弱,环接近于平面, 故有芳香性
[18]轮烯
本次课小结:
多环芳烃(类型,制备,性质,Haworth萘合成法) 萘的结构及其性质 萘环上的亲电取代反应(重点:反应取向) 萘环上的氧化还原 蒽和菲的性质(芳香性和烯烃性质)
2、 环庚三烯正离子
+ ф 3C X
H H H
《有机化学》课件第07章 多环芳烃和非苯芳
环丙烯碳正离子的芳香性
14
环戊二烯负离子与环庚三烯正离子
15
环戊二烯负离子与环庚三烯正离子
16
Aromaticity of azulene
17
(Azulene) 的芳香性
Azulene
=1.08D
18
8
十氢化萘的构象
H H
顺十氢化萘
H
H
反十氢化萘
9
萘的反应-氧化
10
蒽的反应
(蒽醌)
11
蒽醌类染料和偶氮类染料
O
O
NN
蒽醌 (Anthraquinone)
偶氮苯 (Azobenzene)
12
环状共轭体系分子轨道示意图
反键 非键 成键
休克尔规则 单环共轭体系的电子数为4n+2时该化合物具有芳香性
《有机化学》课件第07章 多环芳烃 和非苯芳
稠环芳烃-萘及其衍生物
8 7
1 2
6 5
3 4
NO 2
萘 (Naphthalene)
Cl
1-硝基萘
2-氯萘
Br
1-溴萘
2
稠环芳烃-蒽、菲和其它化合物
蒽(Anthrathene)
菲(Phenanthrene)
芘(Pyrene)
蒄(Coronene,非蔻)3Βιβλιοθήκη 稠环芳烃的结构-萘的轨道图
4
萘的反应-亲电取代
5
萘-位和-位亲电反应的活性比较
HE
+
HE
+
反应在-位时碳正离子中间体的结构
+H E
反应在-位时碳正离子中间体的结构
6
萘磺化反应的动力学控制和热力学控制
有机化学课件-多环芳烃
§7.1.1 命名
a.联苯及衍生物
3 2 2' 3'
3 2 2' 3' 2" 3"
4
1 1'
4' 4
1 1'
4' 1"
4"
5 6 6' 5'
联苯
5 6 6' 5' 6" 5"
对联三苯
Cl Cl
32
2' 3'
4
1 1'
4'
5 6 6' 5'
3 2 NO2 2' 3'
4
1 1'
4' NO2
5 6 6' 5'
与苯环不同处:键长不均等 (但与普通的单双键不同)
§7.3 稠环芳烃 §7.3.1 萘、蒽的结构
b. 蒽的结构
表达式
sp2杂化, 平面结构, 键长不均等(与普通的单双键不同)
§7.3 稠环芳烃 §7.3.2 萘、蒽的化学性质
具有芳香性,易发生亲电取代, 但比苯易发生氧化及加成反应。
a. 萘的化学性质 1. 亲电取代反应
萘
稠环共用原子不编号,与螺环化合物区别(螺碳编号)。
蒽
菲
8 7
6 5
1 2 3
4
1,4,5,8 称为位 2,3,6,7 称为位
SO3H
- 萘磺酸
8 91
7
2
6
3
5 10 4
1,4,5,8 称为位 2,3,6,7 称为位 9,10称为γ位
6 54 3
7
2
8
第7章 多环芳烃
Naphthalene
萘
3
81
8
91
34
2
28 79 1
73
2
2
45 2
1
35
35 4 6 5
6 5
130 4
10 4
1
10 89
10
Anthracene
8 P9henanthrene
蒽
菲
7.3.1、萘及其衍生物
1)物性:白色闪光晶体,m.p 80.6℃,b.p 218℃, 易升华,不溶于水。 2) 结构: C10H8,平面型分子,闭合共轭体系,有芳 性。分子中键长不等:
3
7.2 联苯
1,联苯的结构:两个或多个苯环以单键相连的化合物
2 制备
(1)联苯的工业制备
H+ H
700~800 ℃
(2)联苯的实验室制备
2
I + 2Cu
+ H2
+ 2CuI
联苯为无色晶体,熔点70℃,沸点254℃,不溶于水 而溶于有机溶剂.
3,联苯的命名:
32
2' 3'
32
2' 3'
2" 3"
Cl
卤化
Fe,C6H6
Cl2
硝化
HNO3
H2SO4
30~60℃
NO2
16
磺化:萘磺化反应的位置与温度有关,低温下多为α-萘磺酸, 较高温度时则主要是β-萘磺酸。
SO3H
40-80oC
+ H2SO4
160oC
96%
160oC H2SO4
SO3H
85%
由于磺化反应是可逆的,磺酸基体积又较大,导致在低温下主 要生成α-萘磺酸(动力学控制的反应);在高温下,主要生成β萘磺酸(热力学控制的反应)。
C7 多环芳烃和非苯芳烃
HOOC
(3) 加成反应 萘比苯容易发生加氢反应,在不同条件下可以发生部分加
氢或全部加氢,当用金属钠在液氨和乙醇的混合物中进行还
原时,得到1,4-二氢萘。
Na,液NH3,乙醇
在剧烈条件下加氢时,可生成四氢化萘或十氢化萘
H2 / Pd—C, ,加压 或Na—Hg,C2H5OH 四氢化萘
H2 ,Rh—C或Pd—C ,加压 十氢化萘
第七章多环芳烃和非苯芳烃
7-1联苯及其衍生物:制备、化性、重要的化合物 7-2稠环芳烃 7-3非苯芳烃
多环芳香烃命名
(1)联苯类:苯环间以一单键线的,例如:
3 2 1 1' 5 6 6' 2' 3' 4' 5' 2 3 4 6 5 1 2 6 5 4 3
H3C
4
CH3
1
4,4'-二 甲 基 联苯
1,4- 联三 苯
OCH3 NHCOCH3
若萘环上有一个间位定位基时, 由于其致钝作用, 第二个取代基进入到异环的5或8位。例如:
NO2 SO3H
萘环二元取代反应比苯环复杂得多,上述规则只 是一般情况,有些反应并不遵循上述规则,如2甲基萘的磺化反应:
CH3 浓H2SO4 90~100℃ HO3S CH3
(2) 氧化反应 萘比苯容易氧化。若在高温下,以五氧化二钒作催化剂,萘 的蒸气可被空气氧化生成邻苯二甲酸酐。
结论: 环多烯烃具有芳香性的条件 A、共轭体系为环状不间断共轭体系 B、环的所有碳原子都在同一平面上
C、∏电子数符合4n+2规则
注意: 对于奇数碳的环多烯不可能存在连续双键。 可以看成这个SP3杂化的碳和双键发生P-共轭,可 把它也看成一个轨道重叠单元(一个P轨道)来计算。
多环芳烃
PAHs由于具有毒性、遗传毒性、突变性和致癌性,对人体可造成多种危害,如对呼吸系统、循环系统、神经 系统损伤,对肝脏、肾脏造成损害。被认定为影响人类健康的主要有机污染物。
图片引自 。
蒽存在于煤焦油中,含量约为0.25%。蒽的分子式为C14H10,由三个苯环稠合而成。菲也存在于煤焦油中, 与蒽互为同分异构体。
其他稠环芳烃
芳烃主要来自于煤焦油中,其中可分离出稠环芳烃,如茚、芴、苊是脂环和芳环相稠合的芳烃,四苯、芘等 是高级稠环芳烃。此外,蒽和菲的衍生物是具有显著致癌作用的稠环芳烃,简称致癌烃。
目前微生物修复已经成为修复环境和去除包括多环芳烃在内许多污染物的重要技术。与高分子量多环芳烃相 比,低分子量的多环芳烃相对稳定性较差,更易溶于水,因此也更易被微生物降解。细菌经过三十亿年的进化已 经具备代谢几乎所有化合物获取能量的能力,并已被视为自然的终极清除剂。由于细菌具有较强的适应性,已被 广泛用于降低或修复污染环境的危害。目前已发现的多环芳烃降解菌有很多种,其中萘和菲降解菌的研究更为广 泛。细菌通常在有氧条件下降解 PAHs,主要通过加氧酶进行代谢,加氧酶主要包括单加氧酶或双加氧酶。细菌 降解 PAHs的第一步是通过双加氧酶使苯环上的碳原子发生羟基化作用形成顺式二氢醇,在二醇脱氢酶的作用下 形成二醇中间体,通过内源或外源双加氧裂解酶通过邻位裂解或次裂解途径将二醇中间体雌二醇进行裂解反应形 成中间体(如儿茶酚),最终转化为TCA循环中间体。真菌能够通过共同代谢作用将 PAHs代谢为多种氧化产物或 者二氧化碳。真菌对 PAHs的降解作用主要通过单加氧酶进行降解。然而,真菌对 PAHs的降解作用只是限于特定 的菌株和生长条件才有效。能够降解多环芳烃的真菌主要有两类:木质素降解菌(白腐真菌)和非木质素降解 菌。
7-第七章----多环芳烃与非苯芳-烃-4学时(参考模板)
第七章 多 环 芳 烃与非苯芳 烃学习要求:1.掌握萘、蒽、菲的结构。
2.掌握多环芳烃的化学性质、萘的磺化反应、动力学控制和热力学控制。
3.理解芳香性概念、芳香性的判别、休克尔规则。
4.了解非苯芳烃的类型和代表物及反芳香性。
5.了解致癌烃、煤焦油的组成。
计划课时数 4课时重点:萘、蒽、菲的结构。
难点:芳香性的判别、休克尔规则。
教学方法 采用多媒体课件、模型和板书相结合的课堂讲授方法。
引言多 环 芳 烃芳烃按其结构可分类如下:§7.1 联苯对热很稳定,当它和二苯醚以26.5:73.5混合时,受热到400℃时也不分解,所以广泛的用作高温传热液体. §7.2稠环芳烃2CH 3CHCH 32CH 3CH 2苯系芳烃非苯芳烃单环芳烃多环芳烃联苯稠环芳烃多苯代脂烃苯乙苯异丙苯苯乙烯联苯对三联苯萘 蒽二苯甲烷环戊二烯负离子环庚三烯正离子薁7.2.1萘(一)萘的结构平面结构,所有的碳原子都是sp 2杂化的,是大π键体系。
分子中十个碳原子不是等同的,为了区别,对其编号如下:萘的一元取代物只有两种,二元取代物两取代基相同时有10种,不同时有14种。
(二)萘的反应和用途 1. 加成反应萘比苯易加成,在不同的条件下,可发生部分或全部加氢。
2. 氧化反应 萘比苯易氧化3. 取代反应(1)消化 萘与混酸在常温下就可以反应,产物几乎全是α-硝基萘。
存在于煤焦油中,白色闪光状晶体,熔点80.6,℃,沸点218有特殊气味,能挥发并易升华,不溶于水。
萘是重要的化工原料.。
也常用作防蛀剂(如卫生球)0.142nm说明萘环中各碳原子的P 轨道重叠的程度不完全相同,稳定性不如苯。
12345678109αβαααβββ1、4、5、8位又称为 位αβ2、3、6、7位又称为 位电荷密度αβ>+ 2H 2Pd / C3H 2四氢化萘十氢化萘O OO 2+ 9O 2V O 400~550℃+ 4CO 2 + 4H 2O 邻苯二甲酸酐重要的有机化工原料N H 24+C OOH C OOH含邻、对位基时同环氧化NO 24+含间位基时异环氧化(2)磺化反应磺化反应的产物与反应温度有关。
第七章 多环芳烃
7.1联苯及其衍生物 7.2稠环芳烃7.2.1萘及其衍生物萘是有光亮的白色片状晶体,熔点80.2 o C ,沸点218 o C ,不溶于水,易溶于乙醇、乙醚和苯等有机溶剂。
燃烧时光亮弱、烟多。
萘挥发性大,易升华,有特殊气味,具有驱虫防蛀作用,过去曾用于制作“卫生球”。
近年来研究发现,萘可能有致癌作用,现使用樟脑取代萘制造卫生球。
萘在工业上主要用于合成染料、农药等。
萘的来源主要是煤焦油和石油。
1.萘的结构和萘的衍生物的命名萘的分子式为C 10H 8,是由两个苯环共用两个相邻的碳原子稠合而成,两个苯环处于同一平面上。
萘分子中每个碳原子均以sp 2杂化轨道与相邻的碳原子形成碳碳σ键,每个碳原子的p 轨道互相平行,侧面重叠形成一个闭合共轭大π键,因此同苯一样具有芳香性。
但萘和苯的结构不完全相同,萘分子中两个共用碳上的p 轨道除了彼此重叠外,还分别与相邻的另外两个碳上的p 轨道重叠,因此闭合大π键电子云在萘环上不是均匀分布的,导致碳碳键长不完全等同,所以萘的芳香性比苯差。
萘分子中碳碳键长数据如下:萘的芳香性不如苯还可通过离域能数据看出。
苯的离域能为150.5kJ•mol -1,如果萘的芳香性和苯一样,萘的离域能应为苯的离域能的2倍,而事实上萘的离域能仅是250kJ•mol -1。
由于萘环上各碳原子的位置并不完全等同,因此萘的衍生物命名时,无论萘环上有几个取代基,取代基的位置都要注明。
萘环的编号方法如下:其中,1、4、5、8位置相同,称做α-位;2、3、6、7位置相同,称做β-位。
12345678ααααββββ CH 3CH 3SO 3H NO 2甲基萘甲基萘硝基 萘磺酸--甲基萘甲基萘12--αβ--52-nm 0.1418nm0.1415nm 0.1421nm0.13632.萘的化学性质由于萘环上闭合大π键电子云密度分布不是完全平均化的,因此它的芳香性比苯差。
(1)取代反应 萘比苯更易发生亲电取代反应。
第七章 多环芳烃
菲分子中有5对相对应的位置:(1、8);( 2、7);(3、6); ( 4、5)和(9、10).因此,菲的一元取代物就有五种.
(2) 性质
蒽比萘更易发生反应,蒽的位(中位)最活泼, 反应一般都发生在位.
9,10-二氢化蒽
9,10-二溴-9,10-二氢化蒽
9,10-蒽醌
菲的化学反应易发生在9,10位.
Naphthalene 萘
Anthracene 蒽
Phenanthrene 菲
1、萘及其衍生物 萘是白色晶体,熔点80.5℃,沸点218℃,有 特殊的气味,易升华。它不溶于水,而溶于热的乙 醇及乙醚,常用作防蛀剂。
1)萘的结构
sp2
萘的π 分子轨道
•萘是一平面状分子,每个碳原子采取sp2杂化。 •10个碳原子处于同一平面,联接成两个稠合的六元环,电子 体系贯穿到整个环系中。 •键长不平均
C60具有芳香性; C60 F60 是一种超级润滑剂,在空 腔中填入一个金属原子而形成超原子分子。 早在1969年David Jones在New Scientist上发表论文指 出在石墨生产高温过程中有可能形成石墨空心球; 1970年日本量子化学家也曾经计算过具有 Ih对称性 的C60的笼型结构,并计算出该物质具有芳香性。 但是他们的工作没有深入进行下去,与Nobel Prize 失之交臂!
萘环的取代规律
1、邻对位同环 2、间位异环 3、先α 后β
2、 蒽和菲
1)结构
•蒽 的 所 有 原 子 处 于 8 1
9
同一平面.环上相邻 7
2
3
的碳原子的 p 轨道侧
面相互交盖,形成包 含 14 个碳原子的 分 子轨道. •键长不平均
第七章 多环芳烃和非苯芳烃
结构特点: 两个或两个以上的苯环以单键相连
有机化学
芳烃
4
联苯的制备方法:
H + H
。 700 ~ 800 C Fe
+
H2
联苯的化学性质与苯相似,可发生亲电取代反应,且
主要得到对位产物(苯基为第一类定位基,且因位阻而以 对位产物为主)。
HNO3 H2SO4 HNO3 H2SO4
有
π =4
H H
SP3
+
无
=
H
π =6
有
π =2 有
H
+
+
π =4
无
π =6
有
有机化学
芳烃
27
3、并联环系:
+ π = 10 有
μ = 3.335 + 10-30 C m
练习:P279
应用Hü ckel规则判断下列化合物、离子和自由基是 否具有芳香性?
+ +
(1)
√
(2)
(3)
(4)
注意区别
√
(5)
芳烃 12
有机化学
(2) 萘环的定位规律
① 第一类定位基 活化此基团所在环,进行-取代。
CH3
Cl2 FeCl3
CH3
OCH3
NO2 OCH3
HNO3
Cl
② 第二类定位基 钝化此基团所在环,取代反应则发生在另外一个 环的位。 NO NO
2
Cl2
Cl
2
NO2
FeCl3
有机化学 芳烃
+
(4)环上的π 电子能发生电子离域,且符合4n + 2 的 Hü ckel规则。
第七章多环芳烃
H
2
165度
SO
4
H2SO4 165度
SO3H
萘的磺化
出现上述现象是由于在-萘磺酸中 由于磺酸基体积较大,与邻环8位上 H
的氢原子距离较近,存在着范德华
SO3H
H SO3H
张力。而在-萘磺酸中,这种空间
H
斥力较小,因此-萘磺酸比-萘磺酸稳定。所以在高温下-
萘磺酸是主要产物。但 由于-位电子云密度较高,反应活化
HH
H
H
K2Cr2O7 + H2SO4
OO 9,10-菲醌
9,10-菲醌是一种农药,可防治小麦莠病和红薯黑斑病等。
7.4 非苯芳烃
在有机化合物中,除苯系芳烃外,还有一些环状烯烃及离子和一 些轮烯等,它们虽然不含有苯环,但却具有闭合的离域大键, 它们的性质也和苯相似,不易加成和氧化,易发生亲电取代反 应,即具有芳香性。常把这类不含苯环的,具有芳香性的环状 多烯化合物叫非苯芳烃。
7.3 蒽和菲
除了萘,蒽和菲是较重要的稠环芳烃,它们和萘一起存
在于煤焦油中,蒽和菲是同分异构体,命名时有固定
的编号。 8 9 1
7
2
6
3
5 10 4
9 8
10 1
7
2
6 5 43
一、蒽和菲的结构
一、蒽和菲的结构
蒽和菲都是平面型分子,C为SP2杂化,都存在一个闭
π 合的离域大键(
14 14
)。但它们与苯和萘相比,
COCH3
+ CH3COCl
AlCl 3 CH2Cl2 0度
-萘乙酸是一个重要的植物生长调节剂。
2. 萘的还原反应
萘比苯更易进行加成和还原,但比烯烃难。如:
有机化学课件:7 多环芳烃和非环芳烃
化学性质上:①容易起取代反应; ②不容易起加成反应; ③环不容易被氧化而破裂。
二、休克尔规则
判断单环共轭多烯烃CmHm是否具有芳香性: 成环原子在同一个平面上, 共轭体系为闭合的环状, 环上π电子数为4n+2。 (n=0、1、2‥‥‥)
(1) 整个分子共平面; (2) 具有环闭共轭体系; (3) 电子数符合Hückel规则。
0.141nm
C—C键键长并不完全相同 (苯的全为0.139nm)
α位的电荷密度大于β-位, 萘的一元取代物有两 种。萘的加成, 氧化, 亲电取代也比苯容易。
萘与苯的结构比较
分子结构 C的杂化
π键 π电子云密
度
离域能
苯(C6H6 ) 平面环状
sp2 6中心6电子大π键 高度对称, 处处相同
150.3kJ/mol
8 7
NO2
1 2
6
3
54
NO2
1,5-二硝基萘
参见多官能团化合物命名
SO3H
CH3
CH3 5-甲基-2-萘磺酸
Cl 6-甲基-1-氯萘
3、萘的化学性质:
1) 亲电取代
萘更易发生亲电取代反应。亲电取代首先在位。但1与8或4与5 位相距很近, 有大的取代基(如磺酸基)时在位较稳定。
A:硝化:
+ HNO3 H2SO4
二、 联苯亲电取代反应的定位规律
CH3 CH3
NO2
如:联苯的硝化反应:
HNO3 H2SO4
HNO3
H2SO4
O2N
钝化基团、 异环取代
O2N
NO2
4,4’-二硝基联苯(主要产物)
O2N
O2N
2,4’-二硝基联苯
第七章 多环芳烃,非环芳烃
第7章 多环芳烃和非苯芳烃多环芳烃按照苯环相互联结方式可分为:(1)联苯、多连苯类;联苯 对三联苯(2)多苯取代的脂肪烃;二苯甲烷1,2-二苯乙烯(3)稠环芳烃。
萘 蒽 菲7.1 联苯及其衍生物+700~800C -H 2乌尔曼反应(Ullmann Reaction):碘苯在铜的作用下得到联苯。
+ 2 Cu24a) 联苯的化学性质与苯相似,在两个苯环上均可发生磺化,硝化等取代反应; b) 若一个环上有活化基团,则取代反应发生在同环上; c) 若一个环上有钝化基团,则取代反应发生在异环;d) 苯基是邻,对位取代基,取代基主要进入苯基的对位。
O 2HNO 3H SO 2222次由于两个环的邻位有取代基存在时,由于取代基的空间阻碍联苯分子的自由旋转。
产生异构体。
2对映体7.2 稠环芳烃7.2.1 萘及其衍生物(一) 萘的结构平面分子;每个碳原子采取sp 2杂化; 10个 电子;萘分子C 原子的编号:ββα'β3萘衍生物的命名:以奈为母体。
231-氯萘(α-氯萘)2-氯萘(β-氯萘)1,5-二硝基萘4-甲基-1-萘磺酸(对甲基萘磺酸)(二) 萘的性质萘具有255kJ/mol 的共振能(离域能,苯(高)具有152 kJ/mol ,所以萘的稳定性比苯弱,萘比苯容易发生加成和氧化反应,萘的取代反应也比苯容易进行。
(1)萘的亲电取代反应:一般发生在α-。
因为α-取代的σ络合物的共振式中有两个保持了苯环的结构,所以更稳定。
α-β-傅-克酰基化反应:3动力学控制热力学控制磺化和酰基化的时候低温生成动力学控制的α-取代产物;高温时生成热力学控制的更稳定的β-取代产物。
布赫雷尔(Bucherer)反应NH4HSO3o2NaHSO3这是一个可逆的反应。
(2) 萘环二取代的定位规则:1-位上有活化基,第二取代基进入4-位:3(主要产物)2-位有活化基,苯二取代基进入位:33324环上有致钝基,第二取代基进入另一环α-位。
chem-07多环芳烃
NO2
NO2
1,8-二硝基萘 1,5-二硝基萘
8
完成下列反应
SO3H Br2
Br SO3H + SO3H
CH3 Br2
CH3
Br
Br
Br
OCH3 Br2
Br
OCH3
COOH
Br2
COOH + Br
COOH
9
II. 萘的氧化和还原
O CrO3/HOAc 。 10~15 C O
CH3 CrO3/HOAc 。 25 C O
a. 一取代物
α β β α α α β β
Br
Br
β-溴萘 溴萘
OH
α-溴萘 -
环上有官能团时,以官能团为母体命名。 环上有官能团时,以官能团为母体命名。
SO3H
β-萘磺酸 萘磺酸 α-萘酚 -
3
b. 二取代物
8 7 6 5 4 1 2 3
CH3
C2H5 C2H5
SO3H
1,6-二乙基萘 二乙基萘 3) 萘的化学性质 I. 亲电取代反应
96% SO3H
165℃ / H2SO4
85%
H
SO3H
H SO3H H
斥力较大
斥力较小
6
d. 付氏酰基化反应
CS2 或 C2H2Cl4 + CH3COCl AlCl3 硝基苯
COCH3 93%
COCH3 90%
e. 一取代萘的定位效应 由于邻对位定位基的致活作用,取代发生在同环 并且第 由于邻对位定位基的致活作用,取代发生在同环,并且第 二个基团进入这个定位基的邻对位中的α位。 二个基团进入这个定位基的邻对位中的 邻对位
1
第七章: 第七章:多环芳烃
芳烃及非苯芳烃
1
2
3
联苯及其衍生物 (简讲)
工业: 2
3'
700~800℃ 4' 通过铁管 5'
2' 2 1' 1 6' 6
3 4
5 + H2
实验室: 2
I + 2 Cu
+ 2CuI
苯取代苯 :苯基为最弱的 O,P 基. 取代时,主要进入对位,也有少量邻位产物. 两苯环可饶 C-C 键自由旋转,当有取代基时旋转有 限制,形成异构体.
二 :萘的化学性质
无色片状,特殊臭味,常用卫生球为粗萘,
易取代,与苯相比易加成。
(一):取代反应 (比苯容易,芳香性比苯弱)
1: 卤代
Br
+ Br2 100℃
+ HBr
α -溴代萘
不用催化剂,比苯活泼.
2: 硝化
HNO3,H2SO4 室温
NO2
+
NO2
(苯硝化须加热)
95%
Zn/HCl 还原
5% NH2
α -萘胺
3: 磺化
60℃
SO3H α -萘磺酸
+ H2SO4
165℃
165℃
SO3H β -萘磺酸
α 位空间阻力大,不稳定,但生成速度快,低温以α 位 为主; 高温时,β 位也易生成,稳定,以β 位为主.
4: 付氏烷基化产率低,无价值.
(三) 氧化反应 (比苯容易)
O
+ O2 V2O5 400℃
§7-1 芳香性
芳香性:
化合物具有的环稳定,易亲电取代, 难加成,难氧化的性质,称为芳香性。
芳香性判椐---休克尔规则 (1)环状共平面,即原子SP2杂化; (2) ∏电子数符合(4n+2). 注:n=0,1,2……整数;二条件同时具备.
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第七章 多环芳烃
1、 联苯及其衍生物
2、 稠环芳烃:萘、蒽、菲及其衍生物的结构和化学性质
1、 芳香体系与休克尔规则
基本要求:
1.熟练掌握稠环芳烃萘蒽等衍生物的命名。
2.熟练掌握萘的化学性质及萘环上亲电取代产物的定位规律。
3.掌握H ückel 规则,理解芳香性的概念,能应用H ückel 规则判断环状化合物的芳香性。
分子中含有多个苯环的烃称作多环芳烃。
多环芳烃可分如下三种:
联苯和联多苯类:这类多环芳烃分子中有两个或两个以上的苯环直接以单键相联结。
稠环芳烃:这类多环芳烃分子中有两个或两个以上的苯环以共用两个碳原子的方式相互稠合。
多苯代脂肪类:这类多环芳烃可看作是脂肪烃中两个或两个以上的氢原子被苯基取代。
7.1联苯及其衍生物
联苯是两个苯环通过单键直接连接起来的二环芳烃。
其结构为:
联苯为无色晶体,熔点70℃,沸点254℃。
不溶于水而溶于有机溶剂。
因其沸点高和具有很好的热稳定性,所以工业上常用它作热传导介质(热载体)。
联苯的化学性质与苯相似,在两个苯环上均可发生磺化、硝化等取代反应。
联苯环上碳原子的位置采用下列所示的编号来表示:
联苯可看作是苯的一个氢原子被苯基取代,而苯基是邻对位定位基,所以,当联苯发生取代反应时,取代基进入苯的对邻位和对位。
但由于邻位上的空间位阻较大,主要生成对位产物。
7.2稠环芳烃
有多个苯环共用两个或多个碳原子稠合而成的芳烃称为稠环芳烃。
简单的稠环芳烃如萘、蒽、菲等。
稠环芳烃最重要的是萘。
7.2.1萘(naphthalene)
萘的结构:平面结构,所有的碳原子都是sp 2杂化的,是大π键体系。
分子中十个碳原子不是等同的,为了区别,对其编号如下: 萘的一元取代物只有两种,二元取代物两取代基相同时有10种,不同时有14种。
萘的物理性质:萘是白色晶体,熔点80.5℃,沸点218℃,有特殊气味,易升华,不溶于水,易溶于热的气醇及乙醚,常用作防柱剂。
萘在染料合成中应用很广,大部分用于制造邻苯二甲酸酐。
12345678109αβααα
βββ1、4、5、8位又称为 位αβ2、3、6、7位又称为 位电荷密度αβ>
萘的化学性质
萘比苯容易发生加成和氧化反应,萘的取代反应也比苯容易进行。
A 取代反应
萘可以起卤化、硝化、磺化等亲电取代反应。
萘的α位活性比β位大。
所以取代反应中一般得到α取代物。
亲电取代反应中,萘的α位活性大于β位,一般可以用中间体碳正离子的稳定性及其形成过渡态时的活性能高低可以解释。
1) 卤代反应
在Fe 或FeCl 3存在下,将Cl 2通入萘的苯溶液中,主要得到α-氯萘。
2) 磺化反应
磺化反应的产物与反应温度有关。
低温时多为α-萘磺酸,较高温度时则主要是β-萘磺酸,α-萘磺酸在硫酸里加热到165℃时,大多数转化为β-异构体。
其反应式如下:
3) 硝化反应
萘与混酸在常温下就可以反应,产物几乎全是α-硝基萘。
4) 酰基化反应
萘的酰基化反应产物与反应温度和溶剂的极性有关。
低温和非极性溶剂中(如CS 2)主要生成α-取代产物。
而在高温及极性溶剂中(如硝基苯)主要生成β一取代产物:
这是因为在非极性溶剂中,酰基碳正离子与溶剂化物的体积较大,温度较高时进入β位;但在非极性溶剂中则进入活泼的α位
5) 氯甲基化反应
在无水氯化锌的催化下,萘与甲醛及浓盐酸反应时,主要产物是α-氯甲基萘。
亲电取代反应规律
当一取代萘再进行亲电取代时,新的基团既可进入已有取代基的环上(同环取代),也可进入到另一个环上(异环取代)。
根据实验结果,可归纳出下列几条规则:
(1)萘环上原有的取代基为活化苯环的邻对位定位基:如果原有取代基处于1位(α位),则新引入的基团主要进入到同环的4位。
如果原有的取代基在2位(β位),则新引入的基团主要进入到同环1位。
(3) 萘环上原有取代基是钝化苯环的间位定位基。
原有取代基无论是在萘环的α位(1位)还是β位(2位),新引进的基团主要进入到异环的5位或8位。
SO 3H 3H + H 2SO 4萘磺酸β,165℃有机合成的重要中间体
(4)在1位取代萘的的亲电反应中,影响第二个取代基进入萘环的位置的因素较多。
除原有的取代基外,亲电试剂,溶剂和温度也都有明显的影响。
例如,β-甲氧基萘在进行Friedel-Crafts 乙酰化反应时,由于溶剂不同,乙酰基进入萘环位置不同。
(5) 当引入第二个取代基的体积较大时,由于产生的立体阻碍较大,第二个取代基进入萘环的位置出现一些特殊情况,例如:
B 氧化反应
萘比苯容易氧化,不同条件下,得到不同的氧化产物。
例如,萘在醋酸溶液中,用氧化铬进行氧化,则其中一个环被氧化成醌,生成1,4-一萘醌(也叫α-萘醌)。
在强烈氧化条件下,则一个环破裂,得到邻苯二甲酸酐:
C 加氢(还原反应)
萘比苯容易起加成反应,用Na 和C 2H 5OH 就可以使萘还原成1,4-二氢化萘:
1,4-二氢化萘的性质不稳定,与乙醇钠溶液一起加热容易异构变成1,2-二氢化萘: 用钠和戊醇使萘还原,反应在更高的温度下进行,这时得到1,2,3,4-四氢化萘。
萘催化加氢也生成四氢化萘,如果催化剂和反应条件不同,也可以生成十氢化萘:
7.2.2蒽(anthracene ) 蒽的来源及结构:蒽存在于煤焦油中,分子式为C 14H 10。
它可以从分馏煤焦油的蒽油馏分中提取。
蒽分子含有三个稠和的苯环,X 衍射法证明,蒽所在的原子都在一个平面上。
环上相邻碳原子的p 轨道侧面相互交盖,形成了包含14个碳原子的л分子轨道。
与萘相似,蒽的碳碳键键长也并不完全相同。
蒽的结构和键长表示如下:
蒽的各碳原子的位置并不相同,其中1,4,5,8位是等同的,称α位;2,3,6,7位也相同,称β位;9,10等同,叫做γ位,或称中位。
因此蒽的一元取代物有α,β和γ三种异构体。
+ 2H 2Pd / C 3H 2四氢化萘十氢化萘
NH 24+COOH COOH
含邻、对位基时同环氧化NO 24+
含间位基时异环氧化
蒽的性质:与苯、萘相比,随着分子中稠合环数增加,稳定性逐渐下降。
与此相应,它们也越来越容易进行氧化和加成反应。
A加成反应
蒽容易在9、10位上起加成反应。
蒽的加成反应发生在γ位加成产物的结构中还留有两个苯环(共振能约为301KJ/mol),而其他位置(α位或β位)的加成产物中则留有一个萘环(共振能约为255KJ/mol)。
前者比后者更加稳定。
因此9,10位容易发生加成反应。
蒽的其它反应也往往发生在γ位上。
B氧化反应
重铬酸钾加硫酸可使蒽氧化为醌。
蒽醌是浅黄色结晶,熔点275℃。
蒽醌不溶于水,也难溶于多数有机溶剂,但易溶于浓硫酸。
7.2.3菲(phenanthrene)
菲存在于煤焦油的蒽油馏分中,分子式C14H10,是蒽的同分异构体。
与蒽相似,它们也是由三个苯环稠合而成,但是菲和蒽不同的是,三个六元环不是联成一条直线,而是形成了一定角度。
菲的结构和碳原子的编码如下式所示:
其中1,8;2,7;3,6;4,5和9,10位置相同。
因此菲的一元取代物就有五种。
菲是白色片状晶体,熔点100℃,沸点34℃,易溶于苯和乙醚,溶液呈蓝色荧光。
菲的共振能381.64KJ/mol,比蒽大。
因此比蒽稳定。
化学反应易发生在9,10位。
7.2.4其他稠环芳烃(another fused polycyclic aromatic hydrocarbon)
萘,蒽,菲等均为由苯环稠合的稠环芳烃。
此外,也有不完全是由苯环稠合的,例如苊和芴,它们都可以从煤焦油馏分中提取得到。
苊是无色针状晶体,熔点95℃,沸点278℃,不溶于水,溶于有机溶剂。
它也可以看作是萘的衍生物。
芴是无色片状结晶,有蓝色荧光,熔点114℃,沸点295℃。
它的亚甲基上的氢原子相当活泼,可以被碱金属取代。
7.3芳香性、非芳香性与反芳香性
前面讨论的芳烃在化学性质上表现为易进行亲电取代反应,不易进行加成和氧化反应,即具有不同程度的芳香性。
芳香性
是不是具有芳香性的化合物一定具有苯环?德国化学休克尔从分子轨道理论的角度,对环状多烯烃(亦称轮烯)的芳香性提出了如下规则,即休克尔规则。
其要点是:化合物是轮烯,共平面,它的π电子数为4n+2(n为0,1,2,3…,n整数),共面的原子均为sp2或sp杂化。
一些稠环烃也可将之看成轮烯,画经典结构式时,应尽量使双健在轮烯上,计算电子时,只计算轮烯上的电子,内部的不记。
反芳香性
反芳香性是指化合物共平面,它的π电子数为4n(n为0,1,2,3…,n整数),共面的原子均为sp2或sp杂化的轮烯,它的稳定性小于开链烃。
如:环丁二烯。
环戊二烯正离子等。
非芳香性
非芳香性是指分子不共平面的多环烯烃.。