《基礎(chǔ)化學(xué)》本科課件15.第十五章

1、第十五章苯和芳香烴目錄第一節(jié)：?jiǎn)苇h(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名第二節(jié)：?jiǎn)苇h(huán)芳烴的性質(zhì)第三節(jié)：苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位規(guī)律及應(yīng)用學(xué)習(xí)要求1.了解芳烴的分類，掌握芳烴及其衍生物的命名方法。2.熟悉單環(huán)芳烴的性質(zhì)，掌握其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。3.掌握單環(huán)芳烴取代反應(yīng)的定位規(guī)律及其應(yīng)用。4.了解重要的稠環(huán)芳烴及其在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。第1節(jié)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三 苯(Benzene, C6H6)在常溫下為一種無(wú)色、有甜味的透明液體，并具有強(qiáng)烈的芳香氣味。苯可燃，有毒，也是一種致癌物質(zhì)。苯是一種碳?xì)浠衔镆彩亲詈?jiǎn)單的芳烴。它難溶

2、于水，易溶于有機(jī)溶劑，本身也可作為有機(jī)溶劑。苯是一種石油化工基本原料。苯的產(chǎn)量和生產(chǎn)的技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志之一。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三一、單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu) 苯是單環(huán)芳烴中最簡(jiǎn)單又最重要的化合物，也是所有芳香族化合物的母體。了解苯的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)于理解和掌握芳烴及其衍生物的特殊性質(zhì)具有重要意義。1.高度不飽和性 苯的分子式為C6H6，其碳?xì)湓颖壤秊?1，與乙炔相同，因此具有高度的不飽和性。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三2.具有芳香性 實(shí)驗(yàn)證明，在一般情況下，苯

3、既不與溴發(fā)生加成反應(yīng)，也不被高錳酸鉀溶液氧化，卻能夠在一定條件下發(fā)生環(huán)上氫原子被取代的反應(yīng)，而苯環(huán)不被破壞。苯的這種不易加成、不易氧化、容易取代和碳環(huán)異常穩(wěn)定的特性被稱為“芳香性”。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三3.閉合共軛體系 苯的芳香性是由于苯環(huán)的特殊結(jié)構(gòu)所決定的，苯分子中的六個(gè)碳原子都是sp2雜化的。各以兩個(gè)sp2雜化軌道彼此沿鍵軸方向重疊形成六個(gè)等同的CC鍵(環(huán)狀)，又各以一個(gè)sp2雜化軌道分別與六個(gè)氫原子的s軌道沿鍵軸方向重疊形成六個(gè)等同的CH鍵。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命

4、名三 這六個(gè)CC鍵和六個(gè)CH鍵同在一個(gè)平面上，彼此間的夾角都是120，每個(gè)碳原子上還剩下一個(gè)沒有參與雜化的p軌道，它們垂直于鍵所在的平面，彼此平行從側(cè)面重疊形成一個(gè)環(huán)狀的閉合大鍵。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三二、單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu) 單環(huán)芳烴的構(gòu)造有兩種情況：一種是側(cè)鏈構(gòu)造異構(gòu)，另一種是側(cè)鏈在苯環(huán)上的異構(gòu)。1.側(cè)鏈構(gòu)造異構(gòu) 苯環(huán)上的氫原子被烴基取代后生成的化合物叫做烴基苯，連在苯環(huán)上的烴基又叫側(cè)鏈。側(cè)鏈為甲基和乙基時(shí)，不能產(chǎn)生構(gòu)造異構(gòu)，當(dāng)側(cè)鏈中含有三個(gè)或

5、三個(gè)以上碳原子時(shí)，則可能因碳鏈排列方式不同而產(chǎn)生異構(gòu)體。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三2.側(cè)鏈在環(huán)上的位置異構(gòu) 當(dāng)苯環(huán)上連有兩個(gè)或兩個(gè)以上側(cè)鏈時(shí)，可因側(cè)鏈在環(huán)上的相對(duì)位置不同而產(chǎn)生異構(gòu)體。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三三、單環(huán)芳烴的命名1.簡(jiǎn)單烴基苯命名是以苯環(huán)作為母體，烴基作為取代基，稱為某烴基苯(“基”字可略去)。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三2.苯環(huán)上連有兩個(gè)或兩個(gè)以上側(cè)鏈，命名時(shí)，可用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明側(cè)鏈的位次，也可用“鄰

6、”、“間”、“對(duì)”或“連”、“偏”、“均”等表示側(cè)鏈的相對(duì)位置。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三3.當(dāng)苯環(huán)上的側(cè)鏈為不飽和烴基或構(gòu)造較為復(fù)雜的烷基時(shí)，也可將苯環(huán)作取代基，以側(cè)鏈為母體來(lái)命名。第一節(jié) 單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)、異構(gòu)和命名單環(huán)芳烴的構(gòu)造異構(gòu)單環(huán)芳烴的結(jié)構(gòu)一二單環(huán)芳烴的命名三4.如果側(cè)鏈為兩個(gè)及兩個(gè)以上不飽和烴基，則仍然以苯環(huán)作為母體來(lái)命名。苯環(huán)上去掉一個(gè)氫原子剩下的基團(tuán)叫做苯基，常用ph-表示。甲苯分子中去掉甲基上的一個(gè)氫原子剩下的基團(tuán)叫做苯甲基，也叫芐基。第2節(jié)單環(huán)芳烴的性質(zhì)第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二

7、一、單環(huán)芳烴的物理性質(zhì) 常溫下，苯及其同系物都是無(wú)色透明、具有芳香氣味的液體。單環(huán)芳烴具有強(qiáng)折光性、易揮發(fā)。 單環(huán)芳烴的沸點(diǎn)隨分子中碳原子數(shù)目的增加而升高。側(cè)鏈的位置對(duì)其沒有大的影響，例如二甲苯的三個(gè)異構(gòu)體的沸點(diǎn)很接近，難于分離。第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二 單環(huán)芳烴的熔點(diǎn)變化與分子的對(duì)稱性有關(guān)，對(duì)稱性大的分子熔點(diǎn)高于對(duì)稱性小的分子。例如苯是高度對(duì)稱性的分子，它的熔點(diǎn)比甲苯、乙苯高得多；對(duì)二甲苯分子的對(duì)稱性比鄰二甲苯、間二甲苯的都好，因此其熔點(diǎn)也是三個(gè)異構(gòu)體中最高的。 單環(huán)芳烴不溶于水，能與乙醇、乙醚、丙酮、四氯化碳、二硫化碳、冰乙酸和油類等物質(zhì)任意比例的混溶

8、，因此常用這些溶劑來(lái)萃取芳烴。第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二二、單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì) 單環(huán)芳烴的化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在苯環(huán)上。在一定條件下，苯環(huán)上的氫原子容易被其他原子或基團(tuán)取代，生成許多重要的芳烴衍生物。在強(qiáng)烈條件下，苯環(huán)也可以發(fā)生加成和氧化反應(yīng)，但這往往會(huì)使苯環(huán)結(jié)構(gòu)遭到破壞。當(dāng)苯環(huán)上連有側(cè)鏈時(shí)，直接與苯環(huán)相連的-C-H鍵表現(xiàn)出較大的活潑性，可以在一定條件下發(fā)生取代、氧化等反應(yīng)。第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)1.取代反應(yīng) 苯環(huán)上的氫原子在一定條件下可以被鹵素、硝基、磺酸基、烴基等取代，生成相應(yīng)的衍生物。由于取代基的不同以及氫原子位置的不同、數(shù)量不同，可以生成不同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的

9、同分異構(gòu)體。苯環(huán)的電子云密度較大，所以發(fā)生在苯環(huán)上的取代反應(yīng)大都是親電取代反應(yīng)。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)(1)鹵代反應(yīng) 芳烴與鹵素在不同條件下可發(fā)生不同的取代反應(yīng)。在鐵粉或鹵化鐵催化作用下，苯可與氯或溴發(fā)生苯環(huán)上的鹵代反應(yīng)，取代苯環(huán)上的氫原子，生成氯苯或溴苯，同時(shí)放出鹵化氫。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)(2)硝化反應(yīng) 濃硝酸和濃硫酸的混合物叫做混酸。苯與混酸作用時(shí)，硝基(-NO2)取代苯環(huán)上的氫原子，生成硝基苯。這一反應(yīng)叫做芳烴的硝化反應(yīng)。 此反應(yīng)中濃硫酸的主要作用是催化劑，同時(shí)也是脫水劑。硝基苯一般不容易繼續(xù)硝化。但如果

10、提高反應(yīng)溫度并用發(fā)煙硝酸和發(fā)煙硫酸作硝化劑，則可生成間二硝基苯。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)(3)磺化反應(yīng) 苯與濃硫酸或發(fā)煙硫酸作用，磺酸基(SO3H)取代苯環(huán)上的氫原子，生成苯磺酸，這類反應(yīng)叫做芳烴的磺化反應(yīng)。 磺化反應(yīng)與鹵化、硝化反應(yīng)不同，它是一個(gè)可逆反應(yīng)，其逆反應(yīng)是苯磺酸的水解。如果控制反應(yīng)條件，可以使反應(yīng)向需要的方向進(jìn)行。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)(4)傅克烷基化和?；磻?yīng) 在催化劑作用下，芳烴可與烷基化試劑和?；噭┓磻?yīng)，苯環(huán)上的氫原子被烷基或?；〈江h(huán)上的氫原子被烷基取代的反應(yīng)叫做烷基化反應(yīng)，被酰基取代的

11、反應(yīng)叫做酰基化反應(yīng)。 如在催化劑作用下，苯與溴乙烷或乙烯作用，生成乙苯。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)2.加成反應(yīng) 由于苯的特殊穩(wěn)定性，所以一般情況下難以發(fā)生像烯烴、炔烴那樣的加成反應(yīng)。但如果在催化劑作用或紫外光照射下，苯也可與氫或氯發(fā)生加成，生成環(huán)己烷或六氯環(huán)己烷。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第二節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)3.氧化反應(yīng)(1)側(cè)鏈氧化 苯環(huán)比較穩(wěn)定，一般氧化劑不能使其氧化，但如果苯環(huán)上連有側(cè)鏈時(shí)，由于受苯環(huán)的影響，其-氫原子比較活潑，容易被氧化，而且無(wú)論側(cè)鏈長(zhǎng)短、結(jié)構(gòu)如何，最后的氧化產(chǎn)物都是苯甲酸。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第二

12、節(jié) 單環(huán)芳烴的性質(zhì)(2)苯環(huán)氧化 一般情況下，苯環(huán)不易發(fā)生氧化反應(yīng)。但工業(yè)上采用較強(qiáng)烈的氧化條件，例如用五氧化二釩作催化劑,在450 ，用空氣氧化苯，則苯環(huán)發(fā)生破裂，生成順丁烯二酸酐。單環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)單環(huán)芳烴的物理性質(zhì)一二第3節(jié)苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位規(guī)律及應(yīng)用第三節(jié) 苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位規(guī)律及應(yīng)用 一、一元取代苯的定位規(guī)律1.定位基 當(dāng)甲苯發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)比苯容易進(jìn)行，而且新基團(tuán)主要進(jìn)入甲基的鄰位和對(duì)位，生成鄰、對(duì)位產(chǎn)物，當(dāng)硝基苯發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)比苯難于進(jìn)行，而且新基團(tuán)主要進(jìn)入硝基的間位，生成間位產(chǎn)物一元取代苯發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)是否容易進(jìn)行、新基團(tuán)進(jìn)入環(huán)上哪個(gè)位置，主要取決于苯環(huán)上原

13、有取代基的性質(zhì)，苯環(huán)上原有的取代基叫做定位基。二元取代苯的定位規(guī)律一元取代苯的定位規(guī)律一二定位規(guī)律的應(yīng)用三第三節(jié) 苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位規(guī)律及應(yīng)用 2.定位效應(yīng) 定位基有兩個(gè)作用：其一是影響取代反應(yīng)進(jìn)行的難易，其二又是決定新基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)的位置，定位基的這兩個(gè)作用叫做定位效應(yīng)。3.定位基的分類 根據(jù)定位基的不同，可將常用定位基分為兩類：(1)第一類定位基(又叫鄰、對(duì)位定位基)(2)第二類定位基(又叫間位定位基)二元取代苯的定位規(guī)律一元取代苯的定位規(guī)律一二定位規(guī)律的應(yīng)用三第三節(jié) 苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位規(guī)律及應(yīng)用 二、二元取代苯的定位規(guī)律 二元取代苯發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行的難易和新基團(tuán)進(jìn)入環(huán)上的位置，

14、由苯環(huán)上已有的兩個(gè)定位基的性質(zhì)來(lái)決定。1.兩個(gè)定位基的定位效應(yīng)一致，新基團(tuán)進(jìn)入兩個(gè)定位基一致指向的位置。例如下列化合物發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)，新基團(tuán)進(jìn)入箭頭箭頭所指向的位置。二元取代苯的定位規(guī)律一元取代苯的定位規(guī)律一二定位規(guī)律的應(yīng)用三第三節(jié) 苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位規(guī)律及應(yīng)用 2.兩個(gè)定位基的定位效應(yīng)不一致 苯環(huán)上已有的兩個(gè)定位基定位作用不一致的情況通常有兩種：(1)兩個(gè)定位基屬于同一類 兩個(gè)同類定位基的定位作用發(fā)生矛盾時(shí)，一般由定位能力強(qiáng)的(也就是排在前面的)定位基決定新基進(jìn)入環(huán)上的位置。二元取代苯的定位規(guī)律一元取代苯的定位規(guī)律一二定位規(guī)律的應(yīng)用三第三節(jié) 苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位規(guī)律及應(yīng)用 (2)兩個(gè)定位基不是同一類 當(dāng)兩類不同的定位基定位作用發(fā)生矛盾時(shí)，一般由鄰、對(duì)位定位基決定新基團(tuán)進(jìn)入環(huán)上的位