華中科技大學有機化學第四章炔烴與二烯烴.ppt

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第四章炔烴和二烯烴分子中合有碳碳三鍵的烴叫做炔烴(alkyne)，三鍵是炔烴的官能團。含有兩個碳碳雙鍵的烴叫做二烯烴。相應的炔烴和二烯烴是構造異構體，它們的分子式通式是CnH2n-2。4.1炔烴的結構、異構、命名和物理性質一.炔烴的結構乙炔是最簡單的炔烴。乙炔是線型分子，四個原子在同一條直線上，C≡C和C－H的鍵長分別為120pm和106pm。乙炔分子中的碳原子是sp雜化，兩個碳原子以sp雜化軌道互相重疊形成一個碳碳三鍵，余下的兩個sp雜化軌道分別與氫原子的s軌道重疊形成兩個碳氫σ鍵。每個碳原于上都剩下兩個p軌道，它們兩兩平行在側面重疊，形成兩個互相垂直的?鍵，?電子云對稱分布在σ鍵軸的周圍呈圓柱體形狀。,乙炔的?鍵及電子云分布,由于碳碳三鍵的碳原子是sp雜化,s成分大，因而三鍵的鍵長比碳碳雙鍵和單鍵短。同時由于p軌道在側面重疊程度較小,三鍵的鍵能為836.8kJ/mol，比三個σ鍵的平均鍵能347.3kJ/mol3要小得多。每個?鍵鍵能為244.8kJ/mol,二、炔烴的異構和命名炔烴的構造異構是由碳鏈不同或三鍵位置不同而引起的。炔烴的系統(tǒng)命名法和烯烴相同，只要把烯烴名稱中的“烯”字改成“炔”字。例如：,如果分子中同時含有C＝C和C≡C時，要選擇同時含有雙鍵和三鍵的最長碳鏈為主鏈,命名時，烯在前，炔在后。例如：,炔烴的普通命名法是把乙炔作為母體，其它烴作為乙炔的衍生物。例如,三、炔烴的物理性質乙炔、丙炔和1-丁炔在室溫常壓下為氣體。炔烴的沸點比相應的烯烴高10℃－20℃。炔烴的密度小于1。炔烴不溶于水，易溶于四氯化碳、乙醚、烴類等有機溶劑中。由于不同雜化狀態(tài)碳原子的電負性次序為Csp＞Csp2＞Csp3，因而在三鍵碳原子和烷基碳原子單健之間的電子云偏向三鍵碳原子一邊，使得不對稱的炔烴具有偶極矩，而且極性比相應的烯烴大。對稱的炔烴的偶極矩為零。例如：,4.2炔烴的化學性質碳碳三鍵和雙鍵相似，也能發(fā)生加成、氧化、聚合等反應。但是三鍵也有它的特殊性，尤其是三鍵碳原子上的氫具有微弱的酸性而易被金屬取代生成炔化物。一、親電加成反應炔烴和烯烴一樣，也能與鹵素、氫鹵酸等起親電加成反應。1．加鹵素炔烴與鹵素的加成，先加一分子鹵素生成二鹵代烯烴，繼續(xù)與鹵素加成生成四鹵代烴。例如：,當分子中同時有雙鍵和三鍵時，則親電試劑首先與碳碳雙鍵加成。例如,這說明三鍵盡管有二個?鍵，但親電加成反應卻沒有雙鍵活潑。這主要由于親電試劑與炔烴加成時第一步反應中生成的活性中間體是乙烯式碳正離子(vinylcation)。,在乙烯式碳正離子中，正電荷所在的碳原子是sp雜化，空的p軌道垂直于?鍵所在的平面。由于sp雜化碳原子的電負性大于sp2雜化碳原子，因而乙烯式碳正離子沒有烷基碳正離子穩(wěn)定，因此炔烴的親電加成反應比烯烴慢。,2．加鹵化氫炔烴與鹵化氫的加成速度也比烯烴慢。例如乙炔與氯化氫的加成要在催化劑和較高溫度下進行。,氯乙烯與氯化氫加成時，遵守馬氏規(guī)律。其它的不對稱炔烴與鹵化氫加成，也遵守馬氏規(guī)律。例如,這是由于第一步反應中，碳正離子CH3C+=CH2比CH3CH＝+CH穩(wěn)定，因而加成產(chǎn)物符合馬氏規(guī)律。,鹵代烯分子中的鹵原子使雙鍵的反應活性降低，反應可以停留在只加1摩爾鹵化氫的階段。例如：,乙炔與氯化氫的加成也可以停留在氯乙烯階段。氯乙烯是通用塑料聚氯乙烯的單體。,在過氧化物存在時，溴化氫與不對稱炔烴的加成和烯烴相似，加成產(chǎn)物也不符合馬氏規(guī)律，反應機理也是自由基加成反應。例如：,溴丙烯繼續(xù)與溴化氫起自由基加成反應,3．加水把乙炔通入含5％硫酸汞的稀硫酸溶液中，乙炔與水起親電加成反應，先生成乙烯醇。烯醇很不穩(wěn)定，立即發(fā)生異構化生成羰基化合物乙醛。,炔烴加水的產(chǎn)物也符合馬氏規(guī)律。例如：,這個反應的缺點是使用毒性很大的汞鹽。目前正用銅或鋅的磷酸鹽代替汞鹽作為催化劑。只有乙炔加水生成醛(乙醛)，其它炔烴加水都生成酮。,二、硼氫化反應炔烴的硼氫化反應與烯烴相似。生成的烯基硼經(jīng)過氧化氫的堿性溶液氧化水解生成烯醇，烯醇迅速異構化生成羰基化合物。其中加成中間產(chǎn)物為反馬氏規(guī)律，例如：,三鍵在鏈端的炔烴叫做末端炔烴。末端炔烴經(jīng)硼氫化-氧化反應，產(chǎn)物為醛。非末端炔烴則生成酮。,三、加氫和還原,在鎳、鈀、鉑等催化劑存在下，炔烴的催化加氫反應難于停留在烯烴階段，一般加二分子氫生成烷烴：,但是若運用活性較低的Lindlar催化劑(沉淀在BaSO4上的金屬鈀，加喹啉降低其活性)可使反應停留在烯烴階段，并且使非末端炔烴轉變成順式烯烴。若運用在液氨中的堿金屬(鋰、鈉、鉀)還原炔，則生成反式烯烴。例如：,這種用同一反應物在不同條件下各自生成不同立體異構體為主要產(chǎn)物的反應，稱為立體選擇性反應(stereoselectivereaction)。,四.氧化炔烴經(jīng)高錳酸鉀氧化或臭氧化后水解，碳鏈在三鍵處斷裂，生成羧酸。例如：,反應使高錳酸鉀溶液褪色，生成二氧化錳沉淀，可用作定性鑒定反應。炔烴的氧化也可用于結構測定。根據(jù)生成的羧酸，可以推測三鍵在碳鏈上的位置。,五、炔化物的生成三鍵碳原子上的氫叫做炔氫。只有乙炔和末端炔烴分子中有炔氫。與炔氫相連的碳原子為sp雜化，電負性較強，因而使≡C－H鍵的極性增加，使炔氫具有微弱的酸性。,炔氫的酸性小于水而大于氨。酸性愈強，其共軛堿的堿性愈弱。乙炔或末端的炔烴在液氨中與氨基鈉反應，炔氫被鈉置換，生成炔化鈉。,炔烴的pKa值比氨小9左右，即酸性比氨強109倍。強酸置換弱酸的鹽，末端炔烴可以把氨游離出來，本身轉變成炔化鈉。,乙炔有二個炔氫．可以生成乙炔一鈉和乙炔二鈉：,將乙炔或末端炔烴加入硝酸銀或氯化亞銅的氨溶液中，立即生成白色的炔化銀沉淀或紅色的炔化亞銅沉淀：,該反應十分靈敏，現(xiàn)象明顯，常用于乙炔和末端炔烴的定性檢驗。炔化銀和炔化亞銅在干燥狀態(tài)時，受熱或受震動容易發(fā)生爆炸生成碳和金屬，因而實驗以后應立即加稀硝酸分解。,4.3炔烴的制備,一、乙炔的生產(chǎn)乙炔是最重要的炔烴，是基本有機化工原料1.由電石與水反應制備工藝簡單，但耗電量大，成本高。2.甲烷高溫裂解乙炔在高溫下會分解成碳和氫，反應時間要很短（0.01秒）。適合天然氣豐富的地區(qū)生產(chǎn)乙炔。,3.乙炔的性質,無色氣體。由電石制得的乙炔，因含有磷化氫和硫化氫等雜質而具有毒性和臭味。乙炔與空氣混合物的爆炸極限為3％一80％(體積)，爆炸范圍很大。乙炔在室溫下也慢慢分解變成碳和氫，因而是個不穩(wěn)定的化合物，對震動極為敏感，若受熱或電火花的引發(fā)，能發(fā)生猛烈爆炸。乙炔的丙酮溶液是穩(wěn)定的。在常溫常壓下，1體積的丙酮可溶解25體積的乙炔。在1.2MPa可溶解300體積的乙炔。在1MPa－1.2MPa下把乙炔壓人裝滿用丙酮浸透的多孔物質硅藻土、石棉、軟木等的鋼瓶中，以保證乙炔的安全運輸和使用。,二.二鹵代烷去鹵化氫,,,兩個鹵原子在相鄰兩個碳原子上或同一碳原子上的二鹵代烷分別叫做鄰二鹵代烷或偕二鹵代烷。在強堿作用下，它們都可以消去鹵化氫生成炔烴：,適合制備末端炔烴。,三、炔化物的烴化,,炔化物與鹵代烷反應可以生成更高級的炔烴。,4.4共軛二烯烴的結構和性能,根據(jù)雙鍵的相對位置，可以把二烯烴分成三類。累積二烯烴。含有C=C=C結構。如丙二烯CH2=C=CH2孤立二烯烴。雙鍵被一個以上的飽和碳隔開。如1,4－戊二烯CH2=CH-CH2-CH=CH23.共軛二烯烴。具有特殊的結構和性質。如,一、共軛二烯烴的結構,,以1,3-丁二烯為例，和簡單的烯烴雙鍵一樣，每個雙鍵的碳為sp2雜化，沒有雜化的p軌道相互平行排列，形成一個大π鍵。按照這種成鍵方式，所有原子都在一個平面上。,按分子軌道理論，四個p軌道可以組成四個分子軌道.,組合得到二個成鍵軌道和兩個反鍵軌道。填充有電子的能量最高的分子軌道，稱作最高已占軌道，用HOMO(highestoccupiedmo1ecularorbital)表示。未填充電子的能量最低分子軌道，稱作最低未占軌道，用LUMO(lowestunoccupiedmo1ecularorbital)表示。1,3-丁二烯分子中π電子云的分布并不局限于C(1)-C(2)和C(3)-C(4)之間，C(2)和C(3)之間也有部分π電子云，因而形成了離域的大π鍵。,二、共軛二烯烴的特性,1.鍵長平均化碳碳鍵長：1，3－丁二烯雙鍵136.0pm單鍵136.0pm乙烯雙鍵134.0pm烷烴單鍵154.0pm結論：碳碳單鍵之間有部分π電子云生成，碳碳雙鍵之間有部分π電子云減少。小π鍵有離域化的傾向，生成了大π鍵。,2.體系能量降低，穩(wěn)定性增加,降低的能量可以定量計算孤立的1,4-戊二烯，π鍵能量為?＋?總的π鍵鍵能為4?＋4?共軛的1,3-戊二烯兩個成鍵的π鍵能量為?＋1.618?和?＋0.618?總的π鍵鍵能為4α＋4.472?共軛的1,3-戊二烯比孤立的1,4-戊二烯能量低0.472?4?＋4.472?－（4?＋4?）=0.472??為負值,,降低的能量可以由實驗測定共軛二烯烴的穩(wěn)定性可由氫化熱測定,能量差為226.4-254.4=-28kJ/mol，為穩(wěn)定能這種穩(wěn)定能是由于π電子的離域或者共振造成的，又叫離域能或者共振能。0.472?=-28kJ/mol,?=59kJ/mol,4.5共軛二烯烴的化學性質,由于具有共軛的π鍵，共軛二烯烴具有特別的化學性質一、親電加成和其它不飽和烴一樣，能與鹵素、鹵化氫等發(fā)生親電加成。由于π鍵的共軛，能發(fā)生上述兩種加成方式，分別為稱作1,2-加成和1,4-(共軛)加成,,親電加成也是分兩步進行，生成碳正離子的第一步為速度控制步驟。烯丙基碳正離子更穩(wěn)定，因為碳正離子能與相鄰的π軌道共軛。,烯丙基的正電荷可以通過共軛從C2原子分散到C4原子上。這種共軛呈現(xiàn)極性交替分布：這樣便會出現(xiàn)1,2-加成和1,4-加成兩種產(chǎn)物。,但在低溫下，以1,2-加成產(chǎn)物為主；在高溫，以1,4-加成為主。,低溫為動力學控制產(chǎn)物；高溫為熱力學控制產(chǎn)物。,由于共軛產(chǎn)生的兩種烯丙基正離子I式比II式穩(wěn)定，因為前者除了共軛穩(wěn)定還有超共軛穩(wěn)定。烯丙基正離子穩(wěn)定，生成時所需要的活化能小，反應快，為動力學控制產(chǎn)物。但1,4-加成產(chǎn)物雙鍵上烷基取代基更多，更加穩(wěn)定。由于反應是可逆的，在高溫下有利于轉變?yōu)楦臃€(wěn)定的1,4-加成產(chǎn)物,,三、狄爾斯-阿爾德（Diels-Alder）反應共扼二烯烴與含有吸電子基團(－CHO、－COR、CO2R、NO2、－CN等)活化的烯鍵或炔鍵化合物作用，生成含六元環(huán)的環(huán)狀化合物。例如：,狄爾斯-阿爾德（Diels-Alder）反應也叫雙烯合成反應。在反應原料中，共軛二烯化合物稱為二烯體(diene)，與之反應的不飽和化合物稱為親二烯體(dienophiles)。這是合成含六元環(huán)化合物的重要方法。O．Diels和K．Alder因為發(fā)現(xiàn)此反應獲得1950年的諾貝爾化學獎。,以順丁烯二酸酐為親二烯體與共軛二烯反應時，生成的環(huán)狀化合物一般為固體，可利用此反應檢驗共軛二烯。,Diels－Alder反應是可逆反應：,Diels－Alder反應機理Diels—Alder反應與前面學過的反應顯著不同。在反應過程中，沒有任何活性中間體如碳正離子、碳負離子、自由基等生成.反應是通過環(huán)狀過渡狀態(tài)的一步協(xié)同反應，新的σ鍵和π鍵形成與舊的σ鍵和π鍵的破裂是同步進行的。通過環(huán)狀過渡態(tài)進行的反應通稱周環(huán)反應。,,Woodward和Hofmann提出的分子軌道對稱守恒原理，可以預測協(xié)同反應是否進行及其立體化學。所謂分子軌道對稱守恒原理，是指協(xié)同反應中從原料到產(chǎn)物軌道的對稱性保持不變。按照分子軌道對稱原理，正常的Diels—Alder反應主要是二烯體的HOMO軌道與親二烯體的LUMO軌道面對面互相重疊成鍵電子由二烯體流人親二烯體。,因此，連有吸電子基的親二烯體和連有斥電子基的二烯體有利于反應進行。,同時，Diels—Alder反應具有高度的立體專一性，反應產(chǎn)物仍保持二烯體和親二烯體原來的構型。例如：,問題4.11寫出下列反應的產(chǎn)物,,問題4.12哪些二烯體與親二烯體進行Diels—Alder反應，可得到下列化合物,三、聚合反應,,共軛二烯烴能起聚合反應生成聚丁二烯，例如1,3-丁二烯在金屬鈉存在下進行加成聚合生成聚丁二烯，這就是最早的合成橡膠，丁鈉橡膠。由于共軛二烯烴的加聚反應既生成1,2-加聚產(chǎn)物，也可生成1,4-加聚產(chǎn)物，并且在1,4-加聚產(chǎn)物中有E和Z兩種構型的產(chǎn)物，因而丁鈉橡膠是一種混合物，嚴重影響其性能。,,1955年，工業(yè)上使用Ziegler—Natta催化劑，使1,3-丁二烯定向加成聚合，得到單純的(Z)-1,4-聚丁二烯，稱為順丁橡膠，其性能優(yōu)良，與天然橡膠不相上下。用2-甲基-1,3-丁二烯(異戊二烯)在Ziegler—Natta催化劑作用下，聚合得到主要為Z構型的聚合物，其結構和性能與天然橡膠幾乎完全相同，稱為合成天然橡膠。,本章要點,炔烴炔烴含有碳碳三鍵，由兩個π鍵和一個σ鍵組成。三鍵的碳原子是sp雜化，s成分大，所以碳碳三鍵比單鍵和雙鍵都短，也使炔烴具有更大的極性。炔烴能發(fā)生親電加成反應（包括加鹵素、加鹵化氫、加水等）、硼氫化氧化反應、加氫反應、氧化反應，這些反應與烯烴的相關反應非常相似。在進行親電加成反應時，產(chǎn)物也符合馬氏規(guī)律，加過氧化物，產(chǎn)物為反馬氏規(guī)律產(chǎn)物。炔烴的親電加成反應比烯烴的慢，主要是因為乙烯基正碳離子中間體不穩(wěn)定。與乙烯最大的區(qū)別是能與強堿如NaNH2生成炔化物，也能與一些重金屬鹽在氨水溶液中生成炔化物沉淀。,,共軛二烯烴1.雙鍵的兩個π鍵由于處在同一平面可以共軛生成離域大π鍵，使共軛的兩個雙鍵比孤立的兩個雙鍵具有更低的能量，這部分能量差叫作離域能或者共振能。2.共軛二烯烴在發(fā)生親電加成反應時，可以生成1,2-加成產(chǎn)物，也可生成1,4-加成產(chǎn)物。在低溫時，加成產(chǎn)物以1,2-加成產(chǎn)物為主，是動力學控制產(chǎn)物；在高溫時，以1,4-加成產(chǎn)物為主，是熱力學控制產(chǎn)物。3.共軛二烯烴能發(fā)生Diels-Alder反應，即能與帶吸電子取代基的雙鍵或者三鍵化合物生成六員環(huán)化合物。反應是按照一步協(xié)同反應的機理進行的，具有高度的立體專一性。,