导图社区 烯烃和炔烃
大学有机化学:烯烃和炔烃,包含:命名、结构、物理性质、化学性质,内容全面可靠。
编辑于2021-01-07 18:09:52烯烃和炔烃
烯烃和炔烃的化学性质
π键的加成反应
催化氢化反应
反应机理:表面吸附-解吸
立体选择性:顺势加成(在催化剂表面,氢原子主要从碳碳重键的同侧依次加到不饱和碳原子上)
非末端炔烃部分氢化得到顺式烯烃
烯烃和炔烃催化加氢活性即反应速率(与空间位阻有关)
烯烃或炔烃的相对活性(氢化速度):未被取代的烯烃或炔烃活性最强,全被取代的活性最弱
炔烃比烯烃更有活性,叁键比双键更有活性
氢化热与烯烃和炔烃的稳定性
氢化热:1mol不饱和烃氢化时放出的能量(由烯烃向烷烃的转化所放出的能量)
氢化热越高,说明不饱和烃的内能越高,稳定性越差。
烯烃和炔烃的稳定性
反式>顺式
顺势异构体中,两个较大的烷基处于双键的同侧,空间拥挤,范氏力(非键张力)较大
双键碳原子连接烷基(甲基)越多越稳定
超共轭效应
α位的C-Hσ键与π键侧面重叠,使σ电子偏向π轨道,发生离域,分子内能降低,氢化热减小
参与超共轭的σ键越多,超共轭效应越强
σ, π-超共轭效应
σ 键电子云密度降低,容易发生σ-氢原子的取代反应
π键电子云密度升高,内能降低,双键稳定;也使烯烃容易发生π键的亲电加成
离子型加成反应(马氏规则)
π电子受原子核的束缚力较小→极化→亲电/亲核试剂→离子型加成; 反应过程中发生的共价键的异裂,故称为离子型加成反应
经由碳正离子机理的亲电加成
烯烃、炔烃与质子酸(卤化氢、硫酸、水、醇)
反应描述:烯烃或炔烃在极性溶剂中,容易与质子酸发生加成反应。 典型代表:烯烃与卤化氢(HF, HCl, HBr, HI)的加成反应
反应机理:①质子首先从HX转移到烯烃上,进行亲电加成,产生碳正离子中间体(亲电加成反应速率慢,是速控步)②碳正离子中间体与卤负离子结合,生成卤代烷(亲核加成反应速率快)
马氏规则:烯、炔加卤化氢时,氢原子总是加到含氢较多的不饱和碳上
烯烃亲电加成的方向
炔烃亲电加成的方向
控制在加一分子卤化氢的阶段
通常得反式加成物(非键张力小,能量低)
炔烃较烯烃难进行亲电加成:中间体稳定性(π键极性强于σ键)
反应的难易(速率)以及反应的取向(方向)由碳正离子中间体的结构和稳定性决定
感性认识
σ, p-超共轭效应:分散正电荷集中程度
诱导效应:碳正离子sp2杂化(S成分多,极性大),烷基碳sp3杂化(S成分少,极性小),烷基给中心碳原子以电子,分散电荷
量化认识
反应所需的活化能:C稳定性不同,活化能有差别,活性中间体越稳定,过渡态所需活化能越低,越容易生成,反应速率也越大
碳正离子稳定性
碳正离子重排:碳正离子通过氢原子或烃基带着一对键合电子迁移为更稳定的碳正离子
卤化氢对烯烃和炔烃加成的活性(反应速率):酸性越强,反应越容易(速控步) HF < HCl < HBr < HI
其他反应
与硫酸加成
与冷的浓硫酸反应,得到硫酸氢烷酯
硫酸氢烷酯溶于硫酸,得到清澈溶液 提纯饱和烃及其卤代物
间接水合法:硫酸氢烷酯加水稀释并加热,得到叔、仲醇
与碱中和得到硫酸酯盐(表面活性剂)
与水加成
酸催化下,与水加成生成醇(直接水合法)
与醇加成、与羧酸加成
酸催化下,与醇加成生成醚;与羧酸加成生成酯
经由三元环状正离子的亲电加成
烯烃、炔烃与卤素,连二卤代物
烯烃、炔烃与卤素加成(此反应可用来检验C=C或C≡C是否存在(溴水红棕色消失明显)
反应机理 反应的速控步是缺电子的溴原子对π键的进攻,故为亲电加成;又是共价键异裂的离子型反应
反应的总结果是Br+和Br-由碳碳双键两侧,反式加成
反应的难易程度(反应速率)
卤素的活泼性:异裂能否顺利进行
重键给电子的能力
由此,炔烃当一份子卤素加成生成二卤代烯烃之后,由于卤原子的电负性大,导致重键给电子能力下降。因此卤素与炔烃加成,较易控制在一份子卤素阶段

同样也可以从反应中间活性体的稳定性的角度来看待:主要是三元环轨道夹角和键角导致的角张力(炔>烯)
马氏规则:亲电卤正离子加到含氢较多的双键碳原子上,水加到含氢较少的双键碳原子上(不对称烯烃)
其他反应:烯烃与氯或溴在水溶液中加成(常用卤素与水代替)
同样遵循马氏规则
第一步与卤素反应形成三元环,第二步可能仍然是卤素,也可能是水
经由三元环状正离子的亲核加成
羟汞化-脱汞反应(烯烃与水)
反应描述:烯烃与醋酸汞[Hg(OOCCH3)2]或[Hg(OAc)2]在四氢呋喃水溶液中反应,首先生成羟烷基汞盐(羟汞化),然后用硼氢化钠还原,则脱汞生成醇(脱汞)

反应机理:可以理解为烯烃与水按马氏规则进行的加成反应;汞正离子机理:亲电过程因为汞的存在较快,而亲核过程相对而言较慢,是速控步
反应特点:①高度的区域选择性;②速率快(Hg的作用)、条件温和、几乎无重排,产率高;③除乙烯得到伯醇外,其他烯烃只能得到仲醇与叔醇(马氏规则)
若将水换成醇,则会生成醚
炔烃水合反应(炔烃与水、互变异构)
在硫酸汞的硫酸溶液催化下,炔烃较容易与水发生亲核加成反应生成醛或酮(烯醇式-酮式互变异构)

反应机理:汞正离子机理;烯醇式与酮式的互变异构;不对称炔烃与水的加成也遵循马氏规则
都有亲电试剂汞的的参与,亲电加成快,亲核加成慢
经由碳负离子机理的亲核加成
炔烃与醇或酸,乙烯基化
反应机理:C≡C电子云靠近碳核,碱催化下易与ROH、RCOOH等进行亲核加成反应。这里是甲氧基负离子(带电子是亲核试剂)攻击双键。
是在醇或者羧酸等分子中引入一个乙烯基,故称乙烯基化反应
反应的难易程度(反应速率):同理,也是由碳负离子中间体的稳定性来解释,而碳负离子的稳定性恰恰与碳正离子的稳定性相反(三键<双键<单键)
亲电加成:速控步为亲电加成 亲核加成:速控步为亲核加成
亲电试剂(E+):需要电子的试剂 亲核试剂(Nu-):给出电子的试剂
自由基加成反应(反马氏规则)
不对称烯烃+溴化氢(过氧化物)反马加成
过氧化物效应→反马氏规则
反应描述:在过氧化物存在的情况下,溴化氢与不对称烯烃的加成方向相反;且反应仅限于溴化氢,氯化氢和碘化氢都无法反应

反应机理:由自由基的稳定性和超共轭效应(单电子与成键电子)来解释,自由基的稳定性与碳正离子稳定性一致,但是碳正离子亲电加成时先加氢原子后加卤原子,而自由基加成则是先加卤原子后加氢原子,所以导致马氏与反马氏的区别
协同加成反应
硼氢化-氧化反应(反马加成)
烯烃与硼烷反马加成,氧化水解得伯醇
硼烷与不对称烯烃加成时,由于电子效应(硼原子空P轨道加到有部分负电荷的碳原子)和空间效应(取代少,空间较不拥挤),硼原子进攻取代较少的双键碳原子
由于硼原子倾向于加到末端烯烃,故可通过硼氢化-氧化反应脱去硼原子,得到伯醇,整个硼氢化-氧化反应相当于水与末端烯烃反马氏加成
反应机理:
顺式加成
炔烃与硼烷硼氢化之后直接酸化的顺式烯烃,若氧化互变异构得到醛或酮
炔烃的硼氢化反应:得到烯基硼烷,加酸取代B原子得到顺式加氢产物,氧化水解则与炔烃的水合反应类似,且会有双键重排(端炔得醛,其他得酮)
环氧化反应
反应机理:烯烃与过氧酸(有三个O原子),得到环氧化物。 双键碳原子连给电子基团越多,活性越高,反应越容易进行。

高锰酸钾氧化反应
烯烃
温和(碱性、较低温度)
两个羟基顺式加成。——高锰酸钾紫色消失,褐色二氧化锰沉淀,用来鉴别碳碳双键
强烈(酸性、加热)
碳碳双键完全断裂,双键碳原子上C-H键氧化断裂,连上羟基。——推测原烯烃结构
炔烃
温和条件:非端炔烃——α-二酮
强烈条件:非端炔烃——两分子羧酸,端炔烃——一分子羧酸和二氧化碳
紫色消失,褐色沉淀生成(MnO2)——鉴别用;检验双键及三键是否存在,以及双键或三键的位置
臭氧化反应
通入臭氧,得到酮或醛,但是过氧化氢会氧化醛,故加入锌粉抑制氧化(臭氧化-水解还原)
用途:烯烃结构推导:除双键(三键)外,其他官能团很少反应,碳架也不重排。
炔烃臭氧化可生成臭氧化物和过氧化氢,随后过氧化氢将臭氧化物氧化成羧酸。
α-H的反应
α-H受双键的影响,有特殊的活泼性。 双键C比α-C更大电负性,吸电子(诱导)效应,导致α-H活泼π键与σ键超共轭效应,电子离域,导致α-H活泼
卤化反应
反应机理:自由基机理发生链反应
只有在高温情况下才会取代,低温只会导致加成(除非使用NBS试剂在低温下不会加成)
α-烯烃的烷基不止一个碳原子时,产物通常重排(烯丙基自由基重排)
氧化反应:α-H与氧气反应的到碳氧双键,有醛到酸
炔烃的活泼氢反应
炔氢的酸性
叁键碳sp杂化:电负性较大(大于sp2 或 sp3杂化碳) 乙炔酸性比乙烯和乙烷强,比水弱
金属炔化物的生成及应用
乙炔的酸性较强,与碱金属反应得金属炔化物
金属炔化物(炔基负离子是个很强的亲核试剂,与伯卤代烷发生亲核取代反应,仲卤和叔卤则消除)——应用:低级炔转化为高级炔
炔烃的鉴定
端炔中的炔氢与银离子、亚铜离子反应生成沉淀——用来鉴别、分离乙炔和端炔烃
催化氧化
乙烯被银和氧气氧化成环氧乙烷
在氯化钯-氯化铜催化作用下,氧气将乙烯氧化成乙醛,将丙烯氧化成丙酮
烯烃和炔烃的同分异构
构造异构:原子在分子中的排列和结合顺序不同
碳架异构
官能团(不饱和碳碳键)异构
构型异构:分子中的原子在空间排列不同且在通常条件下不能让相互转化
顺反异构(烯烃由此现象,炔烃无)
烯烃和炔烃的物理性质
熔点:分子的对称性↑,烯、炔的熔点↑ 例如:内烯、炔的熔点>末端烯烃、炔; 反式烯烃的熔点>顺式烯烃;
沸点: 相对分子质量↑,烯烃和炔烃的沸点↑; 分子偶极矩↑ ,烯炔烃的沸点↑ ; 双键位置相同时,顺式烯烃的沸点>反式烯烃
注意到这里沸点和熔点中,顺、反是烯烃的规律相反。这是由于反式异构体由于分子对称性高,在晶格中排列紧密,故熔点高。而顺势异构体由于具有弱极性,分子间偶极-偶极作用力强,故沸点高
物态:C4以下 气体,C5-C18液体,C19以上 固体
子主题
相对密度:d<1,随碳数递增烯烃和炔烃的相对密度>同碳数烷烃
子主题
溶解性:难溶于水,易溶于石油醚、乙醚、四氯化碳、苯等非极性/弱极性溶剂
烯烃和炔烃的系统命名法
烯烃和炔烃
选主链:分子内最长的支链最多的碳链为主链
主链含有重键
① 根据碳原子数,称“某-n-烯”或“某-n-炔”;碳原子数大于10,称为“某碳-n-烯”或“某碳-n-炔”,n是位次;
② 从靠近重键的一端开始编号,重键的位次用编号小的位次表示;
③ 取代基写在最前面,规则与烷烃相同
主链不含重键
按照烷烃进行命名,不饱和支链作为取代基。
亚基:失去两个氢,形成的二价游离价键结构
环烯烃
以环烯为母体,成环碳原子编号时,把1,2位次留给双键碳原子,命名时双键位次“1”常省略;取代基放在母体前。
桥环、螺环:先按环烃编号规则,再给双键尽量小编号。
烯基和炔基
烯烃或炔烃分子从形式上失去一个氢而形成的基团
丙烯基与烯丙基
烯烃顺反异构体
顺,反标记法
双键碳原子上是否连有相同的原子和基团 同侧cis- 异侧trans-
Z,E标记法
双键碳原子上较优的原子或基团是否在同侧 同侧(Z)- 异侧(E)-
次序规则
烯炔
选主链:分子内最长的支链最多的碳链为主链
主链含有2、3键
称“某-n-烯-m-炔”
编号:① 双键和三键具有尽可能低的位次号 ② 优先给双键较小编号
主链不含2、3键
按烷烃、烯烃、炔烃各自的命名方式
烯烃和炔烃的结构
碳碳双键
1个σ键和1个π键

碳碳三键
1个σ键和2个π键

π键的特性
重叠交盖程度小=>键能小,不稳定,化学活性大
π键不能单独存在,无法旋转=>构型异构
π电子云分散在成键原子周围,受原子核束缚小,流动性大=>易极化
杂化轨道中s轨道的成分占比高=>不饱和碳电负性加强