汪小兰有机化学课件(第四版)3

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第三章 不饱和烃
A B C 烯烃 炔烃 双烯烃
• 不饱和烃的结构、同分异构现象、命名 不饱和烃的结构、同分异构现象、 • 物理性质、化学性质 物理性质、
不饱和烃:分子中含有不饱和键的碳氢化合物。 不饱和烃:分子中含有不饱和键的碳氢化合物。
包括单烯烃(烯烃) 多烯烃、 包括单烯烃(烯烃)、多烯烃、环烯烃和炔 烃等。 烃等。
前 缀 顺– 反–
CH3 C C CH2CH2CH3
同侧 异 侧
H H3C
甲基–2 己烯 顺–3–甲基 2–己烯 3 甲基
甲基–2 己烯 反–3–甲基 2–己烯 3 甲基
顺反异构的命名: 顺反异构的命名:
…顺式?反式? 顺式?反式? 顺式
CH3 H
Cl CH2CH2Cl
H3 C H
Cl CH2CH3
图 3.5 乙烯分子中的π键
+ 3个 sp2 轨道在空间的分布 个 未参与杂化的 p 轨道
π键的特点: 键的特点: 键的特点 1.成键原子不能绕两核连线自由旋转。 1.成键原子不能绕两核连线自由旋转。 成键原子不能绕两核连线自由旋转 2.π键比σ键易断裂。 2.π键比σ键易断裂。 3.π电子云易极化。 3.π电子云易极化。
• 产生顺反异构的条件 组成双键的每个C原子所联接的二 组成双键的每个C 个原子或基团均不得相同, 个原子或基团均不得相同,即:
A C B C
E D
A D
B E
} 同时成立
二、 烯烃的命名 (nomenclature of alkenes and alkynes)
1、烯基 常见的烯基: 常见的烯基:
每个 sp2杂化轨道 轨道成分, 含1/3 s 轨道成分, 轨道成分。 含2/3 p 轨道成分。 三个sp 三个 2杂化轨道 在同一平面上, 在同一平面上, 其轨道间对称轴 2杂化轨道 一个sp 图 3.2 一个 的夹角为120 120° 的夹角为120°。 杂化的碳原子的几何构型为平面三角形。 sp2杂化的碳原子的几何构型为平面三角形。 没有参加杂化的p 没有参加杂化的p 轨道 垂直于三个sp 垂直于三个 2杂化轨道 所在的平面。 所在的平面。
H H2 H
C C
H H
C C
催化剂
氢气吸附在 催化剂表面上
烯烃与催化剂 形成的络合物
C C + H H C=C上 氢加至 C=C上 烷烃产物 催化剂的再生 图 3.8 催化氢化反应机理示意图
H
C C H
亲电加成
π 键
(electrophilic addition) 不饱和烃都含有π键 不饱和烃都含有 键。烯烃 分子中π轨道处于双键的上 分子中 轨道处于双键的上 方和下方, 电子是裸露的 电子是裸露的, 方和下方,π电子是裸露的, 易于受亲电试剂的攻击。 易于受亲电试剂的攻击。 (electrophiles): 亲电试剂 (electrophiles): 缺电子的试剂
烯烃在催化剂存在下, 烯烃在催化剂存在下,与氢气进行加成反 生成烷烃: 应,生成烷烃:
H H C C +
催化 剂 H2 室 温
C C
催化剂: 催化剂:Pt, Pd, Ni 作用:反应定量完成,可用于测定双键数目 作用:反应定量完成, 催化氢化反应(catalytic hydrogenation) 催化氢化反应
二、烯烃的化学性质 双键的结构与性质分析
C C C C
键能: 键能: σ 键 ~348 kJ / mol π 键 ~263 kJ / mol π 键活性比 σ 键大 不饱和,可加成至饱和 不饱和,
π 电子结合较松散,易 电子结合较松散, 极化、易给出电子。 极化、易给出电子。
与亲电试剂结合 与氧化剂反应
图3.4 乙烯的结构
键的形成:垂直于sp C-Cπ键的形成:垂直于sp2 杂化轨道 所在平面且相互平行的2 所在平面且相互平行的2个p 轨道进行侧面 交盖,组成新的分子轨道—— 轨道。 ——π 交盖,组成新的分子轨道——π轨道。 处于π轨道上的一对自旋相反的电子 电子。 ——π电子。 由此构成的共价键 ——π键。 键中,电子云分布在两个C 在π键中,电子云分布在两个C原子 所处平面的上方和下方。 所处平面的上方和下方。
显然, ”“反 表示已无能为力。 显然,用“顺”“反”表示已无能为力。
(2) Z,E–标记法 标记法 • 较“优先” 基团在双键的同侧, 标记为Z式; 优先” 基团在双键的同侧, 优先” 基团在双键的异侧, 较“优先” 基团在双键的异侧, 标记为E式。 (依“次序规则”判断基团的优先顺序) 次序规则”判断基团的优先顺序)
图 3.3 sp2杂化的碳原子
二、乙烯的结构 (H2C=CH2) • EC=C = 611 kJ/mol, C-C: kJ/mol, E
π=
348KJ/mol
611kJ/mol,故更活泼。 611-348 = 263 kJ/mol,故更活泼。
在乙烯分子中, 杂化。 在乙烯分子中,每个碳原子都是 sp2 杂化。 sp sp2–sp2 交盖 键的形成: C-Cσ键的形成: 键的形成: C-Hσ键的形成: sp2-1s 交盖 一个C-Cσ键和4个C-Hσ键共处同一平面。 一个C 键和4 键共处同一平面。
CH3CH2 C CH3CH2CH2
CH3
C
H H
CH3 C
CH CHCH3
乙基–1 戊烯 2–乙基 1–戊烯 乙基
二甲基–2 戊烯 4,4 –二甲基 2–戊烯 二甲基
CH3
CH3(CH2)3CH
CH(CH2)4CH3
十一碳烯 5 –十一碳烯 十一 思考题:请命名下列化合物。 思考题:请命名下列化合物。
催化剂的作用 降低反应的活化能。 降低反应的活化能。
E1
无催化剂
能 量
C C + H2
E2 > E1 放热反应 键的断裂: 键的断裂: π键, H-H σ键 键 - 键 键的形成: 键的形成: 2 C-H σ键 - 键
E2
有催化剂
C C H H
反应进程
3.7
化反应

催化氢化反应机理: 催化氢化反应机理:
C C
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一、烯烃同分异构现象 (isomerism in alkenes and alkynes) C4H8:
H C H C CH2CH3 H H H CH3 CH3
C C
CH3CH CHCH3
1–丁烯 丁烯
2–甲基丙烯 甲基丙烯
2–丁烯 丁烯
构造异构
碳架异构 官能团位次异构
几何异构: 几何异构:烯烃的顺反异构 ——属于立体异构 属于立体异构 属于
反–2–丁烯 丁烯
顺–2–丁烯 丁烯
图 3.6 2–丁烯顺反异构体的模型 丁烯顺反异构体的模型
构型和构象都是用来描述分 构型和构象都是用来描述分 子中各原子或基团在空间的不同 的排列, 的排列,但,其涵义不同。 其涵义不同。
构象与构型涵义的比较 构象与构型涵义的比较 涵义 起 因 转化能量 分离情况
CH2CH2CH3
Z或E式与顺或反式
没有相关性
甲基–2 己烯 (Z) –3–甲基 2–己烯 3 甲基 甲基–2 己烯 反–3–甲基 2–己烯 3 甲基
3-3 一、物理性质
烯烃的性质
• 沸点、熔点和密度随碳原子数的增加而升高。 沸点、 常温下:C2~4:气体 常温下: ~ 异构体 : b.p C5~18:液体 ~ C19以上:固体 以上:
易发生加成、氧化、 易发生加成、氧化、聚合反应
1、加成反应
通式: 通式:
C
C
+
Y--Z
C Y
C Z
1、1个π 键 、 个
2个σ键; 个 键 sp3杂化的碳; 杂化的碳; 四面体。 四面体。
2、sp2杂化的碳 、
3、构型的改变:平面 、构型的改变:
(1) 烯烃的催化氢化(还原反应) 烯烃的催化氢化(还原反应)
• C=C双键不能自由旋转; =C双键不能自由旋转 双键不能自由旋转; • 每个双键上碳原子各连有两个不同的原子或基团。 每个双键上碳原子各连有两个不同的原子或基团。 H3C CH3 C C H H CH3CH CHCH 3 顺–2–丁烯 2 丁烯 b.p: 3.7℃ ℃ 2–丁烯 丁烯 H3C H C C CH3 H 反–2–丁烯 2 丁烯 b.p: 0.9 ℃
Cl C C
CH2CH3
Cl
H C C
H Br (E) –1 –氯–1–溴丁烯 1 氯 1 溴丁烯
Br CH2CH3 (Z)–1–氯–1–溴丁烯 1 氯 1 溴丁烯
CH3 H
(2Z,4E)-3-甲基-2,4 己二烯 2Z,4E) 2Z,4E 甲基-2,4—己二烯
H CH3 CH3
CH3
H
H H3C C C
密度小于1 比水轻。 密度小于1,比水轻。 直链烯烃 > 支链烯烃 反式烯烃(偶极距= 顺式烯烃 >反式烯烃(偶极距=0) m.p 反式烯烃 > 顺式烯烃 反式异构体的分子在晶格中可以排得较紧) (反式异构体的分子在晶格中可以排得较紧) • 溶解性:难溶于水,易溶于苯,乙醚,氯仿,四氯化碳 溶解性:难溶于水,易溶于苯,乙醚,氯仿, 等非极性或弱极性有机溶剂。 等非极性或弱极性有机溶剂。
C
C
图 3.9 裸露的 π电子云
亲电加成反应:不饱和烃受亲电试剂进攻后, 亲电加成反应:不饱和烃受亲电试剂进攻后,π键 断裂,试剂的两部分分别加到重键两端的碳原子上。 断裂,试剂的两部分分别加到重键两端的碳原子上。
(2)烯烃与X2的加成 烯烃与X
δ+ δ−
C
C
+
X
X
CCl4
C
C
溶剂: 溶剂: CH2Cl2, CHCl3, CCl4
3-2
烯烃的同分异构和命名
• 烯烃:指单烯烃,分子中只含有一个C = C双键 烯烃:指单烯烃,分子中只含有一个C C双键 的不饱和开链烃。 的不饱和开链烃。 •通式:CnH2n 通式: 通式 存在同系列,系列差: 存在同系列,系列差:CH2 CH3CH=CH2
CH2=CH2
CH3CH2CH=CH2 官能团: 官能团:
CH2 CH CH2 CH CH2
乙烯基 (vinyl) 烯丙基(allyl 或 烯丙基 allylic group) 丙烯基 (propenyl) 异丙烯基 (isopropenyl)
CH3 CH CH
CH2 C CH3
2、 烯烃的命名 掌握系统命名法 • 确定母体 选择含碳碳双键在内 含碳碳双键在内的连续最长碳链作为母 选择含碳碳双键在内的连续最长碳链作为母 根据其碳原子的个数称“某烯” 体,根据其碳原子的个数称“某烯”。 • 编号 使碳碳双键的编号最小 编号最小; 使碳碳双键的编号最小;即碳原子的编号从距离双键 最近的一端开始。 最近的一端开始。 • 指出取代基的位次、数目、名称 指出取代基的位次、数目、 此步骤与烷烃同。 此步骤与烷烃同。 • 当碳原子数超过10时,称“某碳烯”。 当碳原子数超过10时 10 某碳烯”
C2 H5
CH3
H3CC CH C CH2CH3 H3C C CH3 CH3
3,5,6,6- 甲基- 乙基3,5,6,6-四甲基-5-乙基-3-庚烯
3、 烯烃顺反异构体的命名 (1) 顺,反–标记法 标记法 对于二取代的烯烃: 对于二取代的烯烃: 相同的原子 双键 或 基团
H3C H CH3 C C CH2CH2CH3
H2C CH2
CH3 CH CH CH3
H2C CH CH CH2
H2C CH CH2 CH
H2 C H2C H2C C H2 CH CH
CH2
HC
CH
3-1 烯烃的结构
一、碳碳双键的组成 基态 激发态
2p 2p
sp2 杂化态
2p sp2
2s 1s
2s 1s 1s
杂化- -电子跃迁- 电子跃迁- -杂化- 图 3.1 sp2 杂化轨道形成过程示意图
X X (X = Cl, Br) ,
常温下可迅速进行,不需高温、光照、 常温下可迅速进行,不需高温、光照、 和催化剂。 和催化剂。 卤素活性: 卤素活性: F2>>Cl2 >Br2 >I2
一般不与烯烃发生反应, 反应太激烈, I2一般不与烯烃发生反应, F2反应太激烈,易发生碳 链断裂,无实用意义。 链断裂,无实用意义。


绕σ键轴相 对旋转而得 象 的各种空间 排列 因σ键轴旋 转受阻而引 型 起
不同构象 一般较低 的分子一 般不能分 离 较高
不同构型的 分子能稳定 存在,可以 分离。
下三式有无顺 反异构? 反异构?
CH3 CH2 H
C
C
H H
CH 3 C H C
CH3 CH 3
CH3 (CH3)2CH
CH3 C C H
应用:鉴别烯烃 应用: 溴的CCl 溶液(溴水) 例:烯烃 + 5%溴的CCl4溶液(溴水) → 红棕色褪去
以乙烯和溴反应为例: 以乙烯和溴反应为例:
实验事实: A、实验事实:
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