四川大学有机化学PPT演示课件

单环芳烃 学习要求概述苯的结构单环芳烃的异构和命名芳烃的来源及制法单环芳烃的化学性质苯环上取代反应的定位规则苯环上的亲电取代反应及其反应历程 1 学习要求1 掌握芳香烃及其衍生物的命名 2 理解苯环的结构特征 3 掌握苯及其同系物的化学性质 4 了解苯环上亲电取代反应历程 能熟练应用取代基定位规律 5 了解芳烃的制备和来源 重点与难点亲电取代反应 取代基的定位效应是本章的重点 难点主要体现在对芳香性的理解及对取代基的定位效应的判断和应用 2 概述 芳烃 也叫芳香烃 一般是指分子中含苯环结构的碳氢化合物 芳香二字的来由最初是指从天然树脂 香精油 中提取而得 具有芳香气的物质 现代芳烃的概念是指具有芳香性的一类环状化合物 它们不一定具有香味 也不一定含有苯环结构 芳香烃具有其特征性质 芳香性 易取代 难加成 难氧化 3 苯的分子式为 C6H6 其C H与乙炔类似 为1 1 可见它具有高度的不饱和性 因而 应发生下面的反应 这就是说 要破坏苯环体系是比较困难的 然而 苯环上的氢原子却容易被取代 如 与脂肪烃和脂环烃相比 芳香烃这种比较容易进行取代 而不容易进行加成和氧化的化学特性 称为芳香性 4 5 苯的结构 1 价键理论 共轭效应的结果 1 键长完全平均化 六个C C键等长 0 140nm 比正常C C单键 0 154nm 短 比正常C C双键 0 134nm 长 但也不是单键和双键的平均值 0 144nm 2 体系能量降低 其氢化热 208 5kj mol 1 比环己烯氢化热的三倍低得多 3 119 3 208 5 149 4kj mol 1 这149 4kj mol 1即为苯的共轭能 6 2 分子轨道理论 分子轨道理论认为 苯分子在形成 键后 每个碳原子都还有一个未参加杂化的p轨道 它们可经线形组合成六个分子轨道 即 1 2 3 4 5 6 它们除都有一个共同的界面 碳原子所在的平面外 1没有界面 能量最低 2 3各有一个界面 它们是简并的 能量相等 但能量比 1高 1 2 3都是成键轨道 其余的都是反键轨道 7 8 3 共振论 9 单环芳烃的异构和命名 一 异构现象 1 烃基苯有烃基的异构 2 二烃基苯有三种位置异构 3 三取代苯有三中位置异构 10 1 基的概念 芳烃分子去掉一个氢原子所剩下的基团称为芳基 Aryl 用Ar表示 重要的芳基有 二 命名 11 2 一元取代苯的命名 a当苯环上连的是烷基 R NO2 X等基团时 则以苯环为母体 叫做某基苯 b当苯环上连有 COOH SO3H NH2 OH CHO CH CH2或R较复杂时 则把苯环作为取代基 12 3 二元取代苯的命名取代基的位置用邻 间 对或1 2 1 3 1 4表示 13 4 多取代苯的命名 a取代基的位置用邻 间 对或2 3 4 表示 b母体选择原则 按以下排列次序 排在后面的为母体 排在前面的作为取代基 选择母体的顺序如下 NO2 X OR 烷氧基 R 烷基 NH2 OH COR CHO CN CONH2 酰胺 COX 酰卤 COOR 酯 SO3H COOH N R3等 14 芳烃的来源及制法 15 16 17 亲电取代反应 1 卤代 18 2 硝化 19 3 磺化 20 4 Friedel Crafts反应 1 F C烷基化反应 常用的cat 无水AlCl3 FeCl3 ZnCl2 BF3 H2SO4等 常用的烷基化试剂 2 F C酰基化反应 常用的酰基化试剂 RCOX RCO 2O RCOOH 21 5 氯甲基化 该反应的应用价值在于 CH2Cl可以顺利地转变为 CH3 CH2OH CH2CN CHO CH2COOH CH2N CH3 2等基团 22 加成反应 1 加氢反应 2 加氯反应 23 氧化反应 1 苯环氧化 2 烷基苯的氧化 侧链氧化 苯环较稳定 不易氧化 故用该法可将苯和烷基苯区别开来 无论烷基侧链的长短 其氧化产物通常都是苯甲酸 没有 H的烷基苯很难被氧化 24 脱氢反应 脱氢反应从广义上看也属于氧化反应 烷基苯的侧链卤代反应 烷基苯的 卤代反应为自由基反应 25 苯环上的亲电取代反应及其反应历程 苯与亲电试剂E 作用时 首先与离域的 电子作用 生成 络合物 进而从苯环的 体系获得两个 电子 与苯环的一个碳原子形成 络合物 络合物的能量比苯高 不稳定 容易失去一个质子 结果又形成了六个 电子离域的闭合共轭体系 其反应历程可表述如下 26 由亲电试剂的进攻而引起的取代反应 称为亲电取代反应 下面列举几个实例加以说明 27 一 卤代 二 硝化 硝酰正离子 28 三 磺化 所以认为SO3是磺化剂 是因为苯用浓H2SO4磺化 反应很慢 而用发烟H2SO4 含10 的SO3 磺化 反应在室温下即可进行 也有人认为起作用的是 SO3H 实际上 在浓H2SO4中 也能产生SO3 29 四 F C烷基化与F C酰基化 1 F C烷基化 以醇 烯烃为烷基化试剂时 往往采用酸催化 30 2 F C酰基化 31 3 F C烷基化与F C酰基化反应的异同点 相同点 a 反应所用cat 相同 反应历程相似 b 当芳环上有强吸电子基 如 NO2 COR CN等 时 既不发生F C烷基化反应 也不发生F C酰基化反应 c 当芳环上取代基中的 X或 CO 处于适当的位置时 均可发生分子内反应 如 32 不同点 a 烷基化反应难以停留在一取代阶段 往往得到的是多元取代的混合物 而酰基化反应却可以停留在一取代阶段 b 烷基化反应 当R 3时易发生重排 而酰基化反应则不发生重排 如 33 c 烷基化反应易发生歧化反应 而酰基化反应则不发生歧化反应 34 苯环上取代反应的定位规则 一 两类定位基 35 由此可见 当一取代苯 C6H5Z 通过亲电取代反应引入第二个取代基时 它所进入的位置 受第一个取代基Z的指令 由Z决定第二个取代基进入的位置 Z 基团可分为两类 1 第一类定位基 即邻对位定位基 O N CH3 2 NH2 OH OCH3 NHCOCH3 OCOCH3 CH3 Cl Br I C6H5 等 36 b 与苯环直接相连的原子大多数都有未共用电子对 且以单键与其它原子相连 如 c 与苯环直接相连的基团可与苯环的大 键发生 超共轭效应或具有碳碳重键 如 这类定位基可使苯环活化 卤素除外 其特点为 a 带负电荷的离子 如 37 2 第二类定位基 即间位定位基 N CH3 3 NO2 CN SO3H CHO COOH COOR CONH2 NH3等 这类定位基它们使苯环钝化 其特点是 a 带正电荷的正离子 如 N CH3 3 NH3 b 与苯环直接相连的原子以重键与其它原子相连 且重键末端通常为电负性较强的原子 如 38 二 定位规律的理论解释 1 第一类定位基 即邻对位定位基 1 表现为 I C效应的基团 但这里的 C效应是通过 超共轭效应使苯环致活的 如 CH3 CH2X X F Cl Br I 以甲苯为例 39 以甲苯为例 从共振论的观点看 40 2 具有 I和 C效应的基团 它又可分为 A C I的基团 如 OH OR NR2 OCOR 等 以苯酚为例 41 B C I的基团 42 2 第二类定位基 即间位定位基 这类基团除正离子外 均属表现为 I C效应的基团 如 NO2 COR COOH等 43 三 影响定位效应的空间因素 1 芳环上原有基团的空间效应 结论 芳环上原有基团的体积增大 对位产物增多 44 2 新引入基团的空间效应 新引入基团进入芳环的位置 不仅与环上原有基团的 性质和空间位阻有关 还与新引入基团本身的体积有关 结论 对位产物随新引入基团体积的增大而增多 45 如果芳环上原有基团与新引入基团的空间位阻都很大时 对位产物几乎为100 除空间因素外 反应温度 催化剂对异构体的比例也有一定的影响 如 46 四 定位规律的应用 1 预测反应产物 当苯环上已有两个取代基时 那么 第三个取代基应进入什么位置呢 1 环上原有两个取代基对引入第三个取代基 定位作用一致 仍由上述定位规律决定 如 47 2 环上原有两个取代基对引入第三个取代基定位作用不一致 有两种情况 A 原有两个取代基为同一类定位基 由定位能力强的定位基决定 如 48 B 原有两个取代基为不同类定位基 由第一类定位基决定 2 指导多取代苯的合成 正确选择合成路线 例1 49 例2 50 例3 例4 51 练习 1 写出乙苯与下列试剂反应的反应式 括