高中化学奥赛自学资料-有机化学全部资料

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掌握:苯的结构特点;芳香烃亲电取代反应及反应机理、侧链卤代反应及氧化反应;芳香性概念;Hückel规则及应用

熟悉:苯及其同系物的命名、物理性质;稠环芳烃的命名及反应;定位效应及应用;不饱和度

了解:致癌烃。

芳香族化合物是具有“芳香性”的化合物,芳香烃(aromatic hydrocarbon)则是具有“芳香性”的环状碳氢化合物。所谓芳香性(aromaticity)是指化学性质上表现为:易发生取代反应,难发生加成和氧化反应,环具有特殊稳定性不易破裂,并具有一定的光谱特征(见第10章)。 在芳香烃中,把具有苯环结构的称为苯型芳香烃,不含有苯环而具有芳香性的称为非苯型芳香烃。

第一节 苯及其同系物

一、苯(benzene)的结构

苯分子式:C6H6,碳与氢比例为1:1,应为不饱和化合物。

但事实上,苯极为稳定:?不易加成;?易取代;?不易氧化;?一元取代产物只有一种。说明苯分子中的6个氢原子的地位是等同的。因此认为苯一定具有特殊的结构。 (一)Kekulé结构式

Kekulé结构式可解释:?苯经催化加氢生成环己烷,说明苯分子的6个碳原子为环状结构; ?一元取代物只有一种,说明6个氢原子完全等同。不能解释:?苯的Kekulé式显示分子有3个双键,却难发生亲电加成反应; ?苯的邻位二元取代物只有一种。可见Kekulé式不能完全反映出苯的真实结构。

(二)苯分子结构的现代解释

经现代物理方法研究证明,苯分子6个碳原子和6个氢原子都在同一平面上,6个碳组成一个正六边形,键角均为120°,各C-C键键长为139pm,如图5.1(a)所示。

??图5-1 (a)苯分子中σ键 (b)P轨道形成大π键 (c)苯分子大π键电子云

苯分子为平面结构,6个碳原子都是SP2杂化,每个碳原子以SP2杂化轨道互相重叠形成C-Cσ键,又各自以SP2杂化轨道与氢原子的1S轨道相重叠形成6个C-Hσ键,由于碳原子的三个SP2杂化轨道处在同一平面内,夹角为120°,所以6个碳原子正好形成一个正六边形,所有的碳原子和氢原子都在同一平面上。

碳原子除以SP2杂化轨道形成两个C-Cσ键和一个C-H键外,每个碳原子还有一个P轨道,均垂直于苯环平面而相互平行。每个P轨道都可以与2个相邻碳原子的P轨道侧面重叠,形成一个包含6个碳原子的闭合的π-π共轭体系,π电子离域,电子云密度完全平均化,环上没有单键和双键的区别,键长均为139pm。如图5-1(a)、(b)、(c)所示。

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苯结构的书写方法,可用Kekulé式或下面的表示方法:

此外,按照共振论观点,苯的真实结构是下列两个共振式的杂化体。

二 苯的同系物的命名

一烃基苯在苯环上的取代位置(不包括侧链异构)只有一种。命名是以苯环作为母体,以烃基作为取代基,称为“某苯”。例如:

二烃基苯有三种异构体,由于取代基在苯环上的位置不同,也称为位置异构。命名用邻位或1,2-位,也可用0-(ortho);间位或1,3-,也可用m-(meta);对位或1,4位,也可用P-(para)表示取代基在苯环上的位置。例如,二甲苯的三种位置异构体:

三烃基苯有三种位置异构体,例如三甲苯的异构体:

若苯环上连接甲基和其它不同的烃基时,一般以甲苯为母体,其它烃基的排列顺序按次序规则。例如:

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芳香烃分子中去掉1个氢原子后所剩下的原子团称为芳基(aryl group),常用“Ar”来表示。通常将苯分子去掉1个氢原子后所剩下的原子团称为苯基,以C6H5-,也用Ph-(phenyl)或Φ-表示。

当苯环上连接不饱和烃基时,不属于苯同系物。命名时以不饱和烃作为母体,将苯基作为取代基。例如:

问题5.1试画出 (1)1-甲基-4-异丙基苯;(2)间二硝基苯结构式。 三. 苯及其同系物的物理性质 一般为具有特殊的气味的液体。苯蒸气可通过呼吸道对人体产生损害,高浓度的苯蒸气主要作用于中枢神经,引起急性中毒,低浓度的苯蒸气长期接触损害造血器官。

在苯的同系物中,沸点:随着相对分子量的增加而升高,一般每增加一个CH2沸点升高20℃-30℃ ,含同数碳原子的各种异构体,其沸点相差不大,而结构对称的异构体,却具有较高的熔

点。苯及其同系物的密度<1。

溶解度:苯及其同系物都不溶于水,是许多有机化合物的良溶剂。 四.苯的化学性质

苯环是一个非常稳定的体系,所以苯与烯烃性质有显著区别,具有特殊的“芳香性”,主要表现在易发生取代反应,不易发生加成反应和氧化反应。 (一) 苯的亲电取代反应

1. 卤代反应 在卤化铁和铁粉等催化剂存在下,苯与氯或溴作用,生成氯苯或溴苯,并放出氯化氢或溴化氢。

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反应机制:

1、氯与三氯化铁作用逐渐形成亲电试剂Cl+;2、Cl+进攻富电子的苯环而生成正碳离子中间体(σ-配合物),最慢的一步,决定反应速率。苯环上6个π电子中有两个与Cl+结合生成碳-氯σ键,剩下的4个π电子离域分布在5个碳原子所组成的共轭体系中,因此带1个正电荷;3、反应中间体正碳离子失去一个H+,变成氯苯。

2. 硝化反应?/font>?苯与浓硝酸和浓硫酸的混和物(混酸)作用,生成硝基苯:

反应机制

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