选修5有机化学基础第二章第二节芳香烃.ppt

选修5有机化学基础 第二章 烃和卤代烃 v【知识与技能】 v （1） 理解苯和苯的同系物的结构和性质 v （2） 了解苯的同系物的命名规则 v （3） 通过苯和甲苯的化学性质的研究，加深对取代、加成等有机反应类型的认识 。 v【过程与方法】 v （1） 通过设计苯的卤代及硝化的实验方案，加深对苯及同系物性质的认识，提 高设计、评价及优选实验方案的能力。 v （2）通过对比苯和苯的同系物的结构和性质，进一步了解结构决定性质这一研究 元素化合物的基本学科思想。 v （3）通过对比苯和苯的同系物的结构和性质，初步确立有机基团之间相互影响的 观念。 v【情感态度价值观】 v（1）阅读苯及苯的同系物的结构发现历史，体会想象力和创造力在科学研究中的重 要意义； （2）通过设计苯的硝化和溴代的实验方案，培养学生严谨治学、执着追求的科学态 度； （3）通过让学生调查研究苯及同系物的作用及危害，使其辩证认识科学技术在社会 生活中所起到的作用,通过对科学知识的学习来培养其深切的人文关怀。 【教学重点】苯及苯的同系物的化学性质。 【教学难点】苯及苯的同系物的结构与性质及其相互联系。 【教学目标】 问题: 将下列物质分类,并说明分类标准? 烷烃： 烯烃： 炔烃： 芳香烃： 十九世纪初，由于冶金工业的发展 ，需要大量焦碳，生产焦碳的主要方法 是煤的干馏即对煤隔绝空气加强热。 煤的干馏除得到焦碳外还能获得有 用的煤气，但同时却生成一种黑糊糊 ，粘乎乎有特殊臭味的油状液体！人 们把它称作煤焦油。 【芳香烃的来源】历史回顾 当时，煤焦油被当作废物扔掉，污染环境，造成公 害。随着炼焦工业的发展，煤焦油的堆积也愈来愈严 重，煤焦油的利用就成为当时生产中迫切需要解决的 一个重要的环境和社会问题。 后来，以法拉第为代表的科学家对煤焦油产生了兴 趣，并从煤焦油中分离出了以芳香烃为主的多种重要 芳香族化合物，又以这些芳香族化合物为原料合成了 多种染料、药品、香料、炸药等有机产品。到十九世 纪中叶，形成了以煤焦油为原料的有机合成工业。 芳香烃及其化合物的来源 自从1845年人们从煤焦油内发现苯及其它芳香烃， 很长时间里煤是一切芳香烃的主要来源。但是，从1吨 煤中仅可以提取1Kg苯和2.5Kg其它芳香烃。由于芳香 烃的需要在不断增长，仅从煤中提炼芳香烃远不能满 足化学工业的发展，通过石油化学工业中的催化重整 等工艺可以获得芳香烃。 历史回顾 大约到了1930年，由煤生产苯已经发展成为世 界性的大吨位工业。1940年以来，通过石油催化重 整生成苯、甲苯、二甲苯等；烃裂解制乙烯时，裂 解汽油副产物中含芳烃达4048%，因此石油也 成为芳香烃的重要来源。 芳香烃及其化合 物的来源煤的 干馏，石油的催化 重整 历史回顾 【复习】什么叫芳香烃？最简单的芳香烃是哪 种物质？什么是苯及其同系物？ 分子中含有一个或多个苯环的一类烃属于芳香烃。 最简单的芳香烃是：苯 苯 甲苯 萘 蒽 C7H8C10H8C14H10 一、苯(benzene)的结构与化学性质 v【复习】请同学们回忆苯的 结构、物理性质和主要的化 学性质. v1、苯的结构 苯分子比例模型 苯分子的大 键模型 苯分子中的 键模型 v【苯的分子结构】 v(1) 分子式：C6H6 最简式(实验式)：CH v（2）苯分子为平面正六边形结构，键角为 120。苯为平面形分子。 v（3）苯分子中碳碳键键长完全相等，是介于 碳碳单键和碳碳双键之间的特殊的化学键。 v(4) 结构式 v(5) 结构简式（凯库勒式）或 【认识到】苯属于不饱和烃，苯的结构比较 稳定，化学性质与烯烃和炔烃明显不同。 苯在一定条件下，可以发 生取代和加成反应。 v2、苯的物理性质 v(1) 无色、有特殊气味的液体。 v(2) 密度比水小（0.88g/ml），不溶于 水，易溶于有机溶剂。（常用做有机溶剂） v(3) 熔点为5.5，沸点为80.1。熔沸点 低，易挥发，用冷水冷却，苯凝结成无色 晶体 v(4) 苯有毒。 【复习】回忆苯的物理性质？ 3、苯的化学性质 在通常情况下比较稳定，在一定条件下能发 生氧化、加成、取代等反应。 【实验表明】苯不能使高锰酸钾酸性溶液和溴 的四氯化碳溶液褪色。（结构特殊性及稳定性 ） 1. 苯的化学性质与烷烃、烯烃、炔烃有何异同点? 为 什么? 苯燃烧时产生的黑烟为什么比乙烯多？原因？ 2. 分别写出苯与氧气反应，与氢气加成，与溴和浓硝 酸发生取代的化学方程式。（P37） 苯与溴不反应，但溴水层却变 为无色？此液体位于上层吗？ 2）苯的取代反应（卤代、硝化、磺化） 1）苯的氧化反应：在空气中燃烧 2C6H6+15O2 12CO2+ 6H2O 点燃 【注意】苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色。 火焰明 亮伴有 浓烟 + Br2 Br + HBr FeBr3 说出反应 条件？ *溴苯是密度比水大的无色液体 *硝基苯为无色、具有苦杏仁味的油状液体，其密度 大于水 + HNO3（浓）NO2+ H2O 浓H2SO4 5060 *浓硫酸作用：催化剂、吸水剂 *加热方式：水浴加热 v苯的磺化反应（取代） vSO3H叫磺酸基。 v苯分子里的氢原子被硫酸分子里的磺酸基所 取代的反应叫磺化反应。 苯磺酸 浓硫酸 3）苯的加成反应 （与H2、Cl2) （环己烷） +3 H2 Ni + 3Cl2 紫外线 Cl Cl Cl Cl Cl Cl H H H H H H 【总结】苯分子中碳碳原子结合是介于碳 碳单键和碳碳双键之间的特殊的键，所以 其化学性质就既能像烷烃那样易发生取代 、硝化反应等，也能像烯烃那样发生加成 反应。 能燃烧 易取代 难加成 难氧化 加热热加压压 反应的化学方程式 反应条件 苯与溴发生 取代反应 C6H5Br +HBr 液溴. 铁粉做催化剂 苯与浓硝酸 发生取代反 应 5060水浴加 热、浓硫酸做催化 剂吸水剂 苯与氢气发 生加成反应 C6H12镍做催化剂，加热 【思考与交流】填空 P37 C6H6+Br2 C6H6+3H2 根据苯与溴、浓硝酸发生反应的 条件，请你设计制备溴苯和硝基苯 的实验方案（注意仪器的选择和试 剂的加入顺序） 请同学们设计实验时，考虑以下问题： 1.选用装置 2.加入药品的顺序 3.如何控温 4.产物提纯 等 【链接1】 1.溴是一种易挥发有剧毒的药品 2.溴的密度比苯大 3.溴与苯的反应非常缓慢，常用铁粉作为催化剂 4.该反应是放热反应，不需要加热 【苯与溴的实验设计】 A C D 从反应方程式得知产物中有溴化氢，我们要 检验该产物 【链接2】 1.反应最后苯和溴会有剩余它们易挥发 2.长导管在很多实验中被用作冷凝蒸气使之回流 3.溴化氢的性质与氯化氢相似 1.用什么试剂去检验?现象是什么？ 2. 检验过程中有没有其他物质干扰，有的话如 何解决问题？ 有几个同学设计如下的实验装置用来检验HBr气体， 我们来看看是否合理？ CCl4 2Fe + 3Br2 = 2FeBr3 + Br2 Br+ HBr FeBr3 AgNO3 +HBr = AgBr +HNO3 设计制备溴苯实验方案 【主要仪器】圆底烧瓶、长 导管、锥形瓶、铁架台等 【药品】苯、液溴、铁粉、 硝酸银溶液 【反应原理】取代反应。实际起 催化作用的是FeBr3. 实验：苯跟溴的取代反应实验方案 把苯和少量液态溴放在烧瓶里， 同时加入少量铁屑作催化剂。用带 导管的瓶塞塞紧瓶口，跟瓶口垂直 的一段导管可以兼起冷凝器的作用 。在常温时，很快就会看到，在导 管口附近出现白雾。反应完毕后， 向锥形瓶里的液体滴入AgNO3溶液 ，注意观察现象。把烧瓶里的液体 倒在盛有冷水的烧杯里，烧杯底部 有褐色不溶于水的液体。 【苯与溴的反应实验思考】 1、试剂的加入顺序怎样？各试剂在反应中所起到的 作用？ A、为防止溴的挥发，先加入苯后加入溴，然后加入铁粉。 B、溴应是纯溴，而不是溴水。加入铁粉起催化作用，实际上 起催化作用的是FeBr3。 2、导管为什么要这么长？其末端为何不插入液面？ C、伸出烧瓶外的导管要有足够长度，其作用是导气、冷凝。 D、导管未端不可插入锥形瓶内水面以下，因为HBr气体易溶 于水，以免倒吸。 3、反应后的产物是什么？如何分离？ 导管口附近出现的白雾，是溴化氢遇空气中的 水蒸气形成的氢溴酸小液滴。 4、实验现象： E、纯净的溴苯是无色的液体，而烧瓶中液体倒入盛有 水的烧杯中，烧杯底部是油状的褐色液体，这是因为 溴苯溶有溴的缘故。除去溴苯中的溴可加入NaOH溶液 ，振荡，再用分液漏斗分离。 液体轻微翻腾，有气体逸出.导管口有白雾，溶 液中生成浅黄色沉淀。烧瓶底部有褐色不溶于水的 液体 5.哪些现象说明发生了取代反应而不是加成反应？ 苯与溴反应生成溴苯的同时有溴化氢生成。 1. 烧瓶中的试剂顺序能够颠倒吗？为什么？能用浓溴 水代替液溴吗？为什么？ 2. 该反应的催化剂是FeBr3,而反应时加的是Fe屑， Fe屑是怎 样转化为FeBr3的？反应的速度为什么一开始较缓慢，一段时 间后明显加快？ 3. 该反应是放热反应，而苯、液溴均易挥发，为了减少放热 对苯及液溴挥发的影响，装置上有哪些独特的设计和考虑？ 4. 生成的HBr中常混有溴蒸气，此时用AgNO3溶液对HBr的检 验结果是否可靠？为什么？如何除去混在HBr中的溴蒸气？ 【再思考】 苯与溴的反应 设计制备溴苯实验方案改进 v【资料】硝基苯，无色，油状液体，苦杏仁味，有 毒，密度大于水，难溶于水，易溶于有机溶剂。硝 基苯蒸气有毒性。 设计苯的硝化反应实验方案 1.苯与硝酸的反应在50 -60 时产物是硝基苯 ，温度过高会有副产物。 2. 硫酸是该反应的催化剂，和硝酸混合时剧烈放热 。 3.反应过程中硝酸会部分分解。 4 .苯和硝酸都易挥发。 在一个大试管里，先加入1.5毫升浓 硝酸和2毫升浓硫酸，摇匀，冷却到 50600C以下，然后慢慢地滴入1毫 升苯，不断摇动，使混和均匀，然 后放在600C的水浴中加热10分钟， 把混和物倒入另一个盛水的试管里 。 实验方案和装置图 观察到烧杯中有黄色 油状物质生成。用蒸馏水 和氢氧化钠溶液洗涤，得 纯硝基苯。 【苯的硝化反应实验思考】 1、如何混合硫酸和硝酸的混合液？ 先将浓硝酸注入大试管中，再慢慢注入浓硫酸，并及时摇匀 和冷却。 向冷却到50-60后的混酸中逐滴加入苯，充分振荡 ，混和均匀。切不可将浓硝酸注入浓硫酸中，因混和时要放出 大量的热量，以免浓硫酸溅出，发生事故。 2、为何要水浴加热，并将温度 控制在60？ 水浴的温度一定要控制在60 以下，温度过高，苯易挥发，且硝 酸也会分解，同时苯和浓硫酸反应 生成苯磺酸等副反应。 浓硫酸的作用：催化剂和吸水剂。 反应装置中的温度计，应插入水浴液面以下，以测 量水浴温度。 把反应的混合物倒入一个盛水的烧杯里，烧杯底部 聚集淡黄色的油状液体，这是因为在硝基苯中溶有 HNO3分解产生的NO2的缘故。除去杂质提纯硝基苯， 可将粗产品依次用蒸馏水和NaOH溶液洗涤，再用分 液漏斗分液。 3、浓硫酸的作用？ 4、温度计的位置？ 5、如何得到纯净的硝基苯？ 【观察下列5种物质，分析它们的结构回答】 其中、的关系是_. 其中、的关系是_. 同分异构体 同系物 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C 邻-二甲苯 间-二甲苯 对-二甲苯 沸点：144.40C沸点：139.10C沸点：138.40C 同分异构体 1.比较苯和甲苯结构的异同点， 推测甲苯的化学性质。 2.设计实验证明你的推测。 反应类型与常见物质的作用 氧化反应 燃烧： 酸性高锰酸钾溶液： 加成反应 氢气加成： 溴水（溴的四氯化碳溶液）： 取代反应 液溴（铁粉）： 硝化反应： 甲苯的化学性质推测 能 不能 能不能 能 能 能 能 不能 不能 不能 不能 二、苯的同系物 v1、苯的同系物： v具有苯环（1个）结构，且在分子组成上相差 一个或若干个CH2原子团的有机物。 v通式：CnH2n-6(n6) CH3 CH2CH3 甲苯 乙苯 苯环上的氢原子被烷基取代的产物。 用数学方法确定苯（C6H6）的同系物（ 相差（CH2）x）的通式的过程： 苯的同系物的通式：C6H6+CxH2x=C6+xH6+2x 令n=6+x 则：C6+xH6+2x =? 即苯的同系物的通式为：CnH2n-6 C6+xH6+2x =CnH2n-6 你能根据同系物的定义用数学的方法确定苯的同系物的通式吗？ 想一想 苯的同系物太多了不可能全部去研究怎 么办呢？ 苯的同系物不溶于水，并比水轻。 苯的同系物溶于酒精。 同苯一样，不能使溴水褪色，但能发生萃取。 （一）氧化反应 可燃性 可使酸性高锰酸钾溶液褪色 2、苯的同系物的化学性质 KMnO4(H+)溶液 -R-COOH 【实验实验】 1. 取一支试管，向其中加入2ml苯，再加入3- 5滴酸性高锰酸钾溶液，振荡试管，观察现象 。 2. 取一支试管，向其中加入2ml甲苯，再加入3 -5滴酸性高锰酸钾溶液，振荡试管，观察现象 。 3. 取一支试管，向其中加入2ml二甲苯，再 加入3-5滴酸性高锰酸钾溶液，振荡试管，观 察现象。 现象结论 苯+酸性 高锰酸钾 甲苯+酸性 高锰酸钾 二甲苯+酸 性高锰酸钾 你观察到了什么现象？完成下表。 酸性高锰酸钾溶液 褪色（较慢） 酸性高锰酸钾溶液 褪色（较快） 酸性高锰酸 钾溶液不褪色 苯不能被酸性高锰酸 钾氧化 ？ ？ 苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但是甲苯和二甲 苯却可以使酸性高锰酸钾溶液褪色且二甲苯快。对比 苯、甲苯、二甲苯的结构特点，思考：可能是什么原 因导致了以上现象？ 苯环的存在对连在苯环上的烷基产生了影响，使 酸性高锰酸钾溶液褪色。 现象探究现象探究 你能用学过的知识证明吗？ 苯的同系物的特性 可使KMnO4(H+)溶液褪色 注意： 不能使溴水褪色！因萃取使水层颜色变浅 。 【设计实验】： 如何鉴别苯、甲苯、己烯、CCl4? 事实上还有 ： 等能使酸性高 锰酸钾溶液褪 色 综上所述：你又能找到什么规律？ 等不能使酸性高 锰酸钾溶液褪色 与酸性高锰酸钾的反应（使高锰酸钾溶液褪色） 反应机理： | CH | O | COH | 酸性高锰酸钾溶液 烷基上与苯环直接相连的碳直接连氢原子 H | CH | H H | | CC | | H C | CC | C （可鉴别苯和甲苯等苯的同系物） 取代反应 1. 苯的同系物的硝化反应 一种淡黄色的晶体，不溶于水。不 稳定，易爆炸。它是一种烈性炸药 ，广泛用于国防、开矿、筑路、兴 修水利等。 2,4,6-三硝基甲苯 CH3 CH3 NO2 -NO2O2N- +3HO-NO2 3H2O + 浓H2SO4 30-40 TNT 炸 药 爆 炸 时 的 场 景 2. 苯的同系物的卤化反应 已知： 请问：条件一和条件二分别指的是什么条件？ 条件一：光照 条件二：FeCl3 从上组反应中我们看到甲基受苯环影响使得 甲基易被氧化；那么苯环的化学性质有没有受 到甲基的影响呢？ 迁移 阅读课本P 38 实验以下的内容填表 温度生成物 苯 甲苯 50- 60 30 硝基苯 邻、对位硝 基甲苯 甲苯的硝化反应比苯更容易进行 苯的同系物的苯环易发生取代反应。 比较苯和甲苯与KMnO4溶液的作用， 以及硝化反应的条件产物等，你从中得到 什么启示? 侧链和苯环相互影响： 侧链受苯环影响易被氧化； 苯环受侧链影响易被取代。 【结论】 苯的同系物加成反应 苯的同系物也和氢气可以发生加成反应 请写出甲苯与氢气加成的化学方程式： 1、来源： 三、芳香烃的来源及其应用 a、煤的干馏 b、石油的催化重整 应用：简单的芳香烃是基本的有机化工原 料。 2、稠环芳香烃 【概念】由两个或两个以上的苯环共用相邻的2个碳原 子而成的一类芳香烃，称为稠环芳香