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1 有机化学课程论文有机化学课程论文 功能功能 151邓子尧邓子尧 152498 2 目录目录 一 基本反应及其机理.3 1. 亲核反应3 1.1.亲核取代反应.3 1.2.亲核加成反应. 5 2. 亲电反应6 2.1.亲电取代反应. 6 2.2.亲电加成反应. 8 3. 消除反应9 3.1.双分子消除反应. 9 3.2.单分子消除反应. 10 二醇的分类及制备方法.10 三、有机化学在材料科学中的应用.12 3 摘要：有机化合物种类纷繁复杂，其反应的形式也千变万化，但总结起来这些反应都是由基 本反应衍生出来的。 因此了解基本反应对于有机化学的研究是极为重要的。 在有机化合物中， 醇类是一种十分重要的物质， 掌握对醇类的分类与制备方法可以更好地研究这一物质。 有机 化学对新材料的开发有很大的帮助， 特别是在高分子材料的开发中， 需要用到大量有机化学 的知识。 关键词：有机化学、基本反应、醇类的分类与制备、应用 一基本反应及其机理 1.亲核反应 1.1.亲核取代反应 亲核取代反应，或称亲核性取代反应，通常发生在带有正电或部份正电荷的碳上，碳原 子被带有负电或部分负电的亲核试剂 （Nu） 进攻， 与该碳原子相连的某原子或基团被取代。 常分为两种反应：单分子亲核取代反应（SN1）与双分子亲核取代反应（SN2） .双分子亲核取代反应（SN2）机理： 双分子亲核取代反应的机理就是有两种分子参与了决定反应速率步骤的亲核取代反应， 称为 SN2 反应。 “S”表示“取代” ， “N”表示“亲核” ， “2”表示“双分子” 。 以溴甲烷在碱性溶液中进行水解为例 CH3Br+OH-CH3OH+Br- 其反应机理如下： SN2 反应机理具有以下特点： .SN2 反应是一步完成的协同反应。该反应只有一个过渡态，反应时旧键（CBr 键）的断 裂和新键（HOC 键）的形成是同时发生的，而不是一先一后。这类反应叫做协同反应。 .SN2 反应是一步完成的双分子反应。 参与这一步反应的是一个 CH3B 分子和一个 OH-离子， 相当于两个粒子，这样的机理叫双分子机理。 .SN2 反应伴随着构型反转Walden 反转。在 SN2 反应中，亲核试剂是从离去基团（溴原 子）背面进攻与离去基团相连的碳原子，因此 SN2 反应伴随着构型反转，这是一个规律。 4 .SN2 反应产物的中心碳原子仍为 sp3杂化。 .单分子亲核取代反应（SN1）机理： 单分子亲核取代反应机理就是只有一种分子参与了决定反应速率步骤的亲核取代反应， 成为 SN1 反应。 “1”表示“单分子” 。 以叔丁基溴在碱性溶液中的水解为例， 该反应的控速步骤是由卤代烃本身的变化来决定 的。反应机理如下： SN1 反应具有如下特点： .SN1 反应反应分两步进行。 反应物首先解离为碳正离子和带负电离去基团， 这个过程需要 能量，是控速反应速率的一步，也是反应慢的一步。当分子解离后，碳正离子很快与亲核试 剂结合，生成产物。 .SN1 反应的速率控制步骤只有一个分子参与。SN1 反应慢的一步，只有一个叔丁基溴分子 参与，而与亲核试剂无关，因此叫单分子历程。 .SN1 反应产物有构型保持与构型反转两种。中间体 C+是 sp2杂化，为平面结构，亲核试剂 从 C+两面进攻机会相同，若与卤原子相连的的碳原子是手性的，则得到构型保持与构型反 转两种。 5 .在 SN1 反应中，常伴有重排和消除产物，其重排反应机理如下： 以上事实证明 SN1 反应机理经过碳正离子中间体的过程。 1.2.亲核加成反应 反应过程中，一般是亲核试剂中带负电荷的部分（即亲核部分）先进攻底物中不饱和化 学键带部分正电荷一端原子，并与之成键，键断开形成另一端原子的负离子中间体，然后 试剂中的亲电部分与负离子中间体结合，形成亲核加成产物。 .炔烃的亲核加成反应 乙炔在碱催化下与醇加成生成乙烯基型醚，其反应机理如下： .醛、酮的亲核加成反应 醛酮分子中的羰基碳原子明显地带有部分正电荷， 它比带部分负电荷的氧原子的活性大， 很容易受到亲核试剂的进攻，发生亲核加成反应。其反应机理如下： 6 首先， 亲核试剂进攻带部分正电荷的羰基碳， 亲核试剂上的孤对电子对与羰基碳原子成 键，电子转移到氧原子上，同时羰基碳由 sp2杂化转移成 sp3杂化，形成四面体结构的氧负 离子， 这是一步慢的反应。 在此反应中亲核试剂从羰基所在平面的上下机会均等地进攻羰基 碳原子，接着带负电荷的氧与亲电试剂（通常为质子）结合，得到加成产物，这是一步快的 反应。在与羰基进行亲核加成反应的亲核试剂中，亲核原子可以是碳、氧、氮和硫等。其中 最典型的是与 Grignard 试剂与有机锂试剂加成，这是一种重要的制备醇的方法。其反应过 程如下： 2.亲电反应 2.1.亲电取代反应 从电子云的观点来看，苯分子中两个“救生圈”型的电子云屏蔽着苯环碳原子，不利 于亲核试剂进攻，而有利于亲电试剂进攻，易发生亲电取代反应。如果苯环上没有吸电子基 团使苯环上的电子云密度降低，苯环是不发生亲核取代反应的。亲电反应机理如下： 苯环的亲电取代反应主要包括硝化、卤化、磺化、烷基化和酰基化反应。 硝化反应是指苯环上的氢原子被硝基取代生成硝基苯的反应。 硝化反应是制备芳香族硝 基化合物的主要方法，其机理如下： 7 卤化反应是指苯环上氢原子被卤素取代生成卤苯的反应， 是工业与实验室中制备芳香族 氯化物和溴化物的一种重要的方法，其中烷基苯的卤化比苯容易的多，反应机理如下： 磺化反应是指苯环上的氢原子被磺酸基取代的反应， 是制备芳香族磺酸的重要方法。 其 机理如下： 8 烷基化反应机理： 酰基化反应机理： 2.2.亲电加成反应 以丙烯为例，反应第一步是碳碳双键与卤素中的氢离子加成，生成碳正离子和:X-离子。 这一步吸热较多，活化能高，反应慢，因而是决定反应速度的步骤。氢离子是亲电试剂，则 提供氢原子的卤素分子也是亲电试剂，所以该步反应为亲电加成反应。第二步是碳正离子 与:X-离子结合，生成卤烷，碳正离子活性很强，与:X-离子结合时活化能低，反应快，放热 较多。该机理的确定可以很好地解释加成反应的定位问题马氏规则。 9 亲电加成反应在某些情况下伴随着重排反应的发生。 3.消除反应 消除反应用 E 表示，与亲核取代反应相似，也有双分子与单分子反应机理，双分子消 除用 E2 表示，单分子消除用 E1 表示。 3.1.双分子消除反应 双分子消除反应是碱进攻卤代烷的-H， 同时 CX 键开始发生异裂， 在达到过渡态时， 碳氢键和碳卤键都达到了高度的异裂状态，此时碳和碳之间已有了部分双键的性质， 且两碳原子已经有部分 sp2杂化的特征。此时反应体系处于最高能量状态，随着反应进一步 进行，-H 成为质子和试剂结合而脱去，同时分子中的卤原子在溶剂的作用下带着一对电子 离去，在碳原子和碳原子之间形成了双键。 10 E2 反应常伴随 SN2 反应发生。这两种反应均为一步完成的协同反应。E2 反应不伴随重 排反应的发生，说明该反应没有碳正离子的生成。E2 反应的取向服从 Zatitsev 和 Hofmann 规则。 3.2.单分子消除反应 E1 反应和 SN1 反应相似，也是分两步进行：第一步卤代烷分子在溶剂中先解离为碳正 离子，第二部是在-C 上脱去一个质子，同时在和碳之间形成一个双键。反应过程如下： 从以上反应机理可以看出，E1 和 SN1 反应经常是同时发生的两个互相平行、互相竞争 的反应。 二醇的分类及制备方法 醇类物质是一类重要的有机化合物，合理的分类方法可以让我们更好地研究这类物质， 根据醇的分子结构，有如下几种分类方式： 按照醇羟基所连的碳原子种类分为：一级醇（伯醇） 、二级醇（仲醇） 、三级醇（叔醇） 11 根据醇羟基所连的烃基结构分为：饱和醇、不饱和醇、芳香醇 根据分子中含有羟基的数目分为：一元醇、二元醇、三元醇等 把分子中含有两个羟基以上的醇称为多元醇。 醇类的制备方法有以下几种。 工业上常用烯烃直接水合： 由卤代烃水解生成： 由 Grignard 试剂制备： 12 硼氢化氧化反应： 羟汞化脱汞反应： 三、有机化学在材料科学中的应用 在材料科学中，高分子材料是一类应用广泛、前景光明，值得研究的材料。从 19 世纪 中叶开始,随着有机化学的发展，人类开始对天然高分子进行化学改性与应用,而后又发展到 高分子的人工合成。高分子材料与有机化学一同发展，共同进步。 （一）、天然橡胶的利用、开发与改性。19 世纪中叶,英国人取橡胶树的种子在锡兰种植成 功,并逐渐扩大到马来西亚与印尼等地,但是制造天然橡胶制品中,生胶如何溶解与加工是一 大问题。 直到 19 世纪 40 年代美国人发现用松节油、 硫黄与碳酸铅共热后得到不粘而有弹性 制品,即所谓硫化技术。之后，天然橡胶的用量飞速增长，成为工业中不可或缺的原料。 （二） 、天然纤维素的改性。19 世纪,英国人用氢氧化钠处理棉纤维得到丝光纤维,再用二硫 化碳溶后纺丝,制成粘胶纤维,还可以用木浆做帘子线、玻璃纸及人造丝等。此外,德国人用醋 酸酐进行纤维素酯化,获得醋酸纤维,由于不易燃烧故多用于照相底片与电影胶片,也可用于 飞机机身涂料或者重新纺丝制成人造丝织物。 （三） 、最早的合成高分子。在 20 世纪初,美国人用苯酚与甲醛反应得到可用作电绝缘器材 的酚醛树酯,这是最早的合成高分子,与此同时,俄国人用酒精制成丁二烯,再用钠使之聚合成 橡胶,二次大战后德国人与美国人又发展楚一类十分重要的合成橡胶即丁二烯与苯乙烯共聚 而得的丁苯橡胶。尽管有以上几方面的重要成果并建立了工业,但当时对天然高分子与合成 高分子的结构并不清楚,因此,对聚合反应历程也还不了解。1935 年美国杜邦公司推出已二胺 与已二酸缩聚而成的高分子聚酰胺,即尼龙 66,并于 1938 年工业化,这就是大家熟知的尼龙 袜材料。标志人类对聚合反应的掌握已经成熟。 （四） 、 合成高分子的飞速发展。 1940 年代乙烯类单体的自由基引发聚合发展的很快,实现工 13 业化的包括氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等材料,这是合成高分子蓬勃发展的时期。1960 年 代,由于“阿波罗计划”的实施，出现了耐高温高分子的研究热。耐高温的定义是材料能够 在氮气中、500 摄氏度环境中能使用一个月；在空气中,300 摄氏度环境下能使用一个月。其 研究结果主要分为两大类：一类是芳香聚酰胺例如苯二胺与间苯二酰缩聚得到的高分子 Nomex,这在当时曾被作为太空服的原料。还有对苯二胺与对苯二酰氯缩聚得到的高分子 Kevlar,多用于超音速飞机的复合材料中。另一类是杂环高分子,例如聚芳亚酰胺和作为高温 粘合剂的聚苯并咪唑为现在的宇航飞行所需的材料打下了基础。 由于高分子材料具有许多优良性能,适合现代化生产,经济效益显著,且不受地域、气候的 限制,因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展