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已知烷烃中一个碳原子的四个sp3杂化轨道所组成的。
键是指向四面体四个顶角的四个键;
由烯烃双键同一碳原子的三个sp2杂化轨道组成的。
键是在平面上指向三角形三个顶角的三个键;
由炔烃叁键一个碳原子上的两个sp杂化轨道所组成的σ键则是在同一直线上方向相反的两个键。
这就是乙炔分子所以成为直线分子的原由。
在乙炔分子中,每个碳原子各形成了两个具有圆柱形轴对称的σ键。
除了已使用的一个s轨道和一个p轨道外,乙炔的每个碳原子还各有两个相互垂直的p轨道,不同碳原子的p轨道又是相互平行的,这样,一个碳原子的两个p轨道与另一个碳原子相对应的两个p轨道,在侧面交盖形成了两个碳碳π键。
这两个π键彼此并不是孤立分离的,按照分子轨道理论,两个碳原子的四个p原子轨道将组成四个π分子轨道,其中两个是成键轨道(π1和π2轨道),另两个是反键轨道(π1*和π2*轨道)。
一个分子轨道可以容纳两个电子。
在正常状态时,乙炔的四个p电子占用两个成键轨道,反键轨道是空轨道。
这两个成键轨道组合形成了对称分布于碳碳σ键键轴周围的,类似圆筒形状的。
电子云,如下图所示。
由此可见,碳碳叁键是由一个σ键和两个π键组成的。
乙炔的碳碳叁键的键能是837kJ/mol,而乙烯的碳碳双键的键能是611kJ/mol,乙烷的碳碳单键的键能是347kJ/mol。
相比之下叁键的键能最大,但仍比单键键能的三倍数值要低得多。
叁键键长也最短。
和p轨道相比较,s轨道上的电子更接近原子核。
一个杂化轨道的s成分愈多,则在此杂化轨道上的电子也愈接近原子核。
由于乙炔分子中的C—H键是σsp-s键,而sp杂化轨道的s成分大(占50%)。
和sp2、sp3杂化轨道相比较,由sp杂化轨道参加组成的σ共价键,其电子云也更靠近碳原子核。
所以乙炔的C—H键的键长(0.106nm)比乙烯和乙烷的C—H键的健长(分别为0.108nm、0.110nm)要短一些。
与碳碳双键和单键相比较,碳碳叁键键长最短(0.120nm)。
这除了由于有两个π键形成的原因之外,由sp杂化轨道参与碳碳σ键的组成,也是使键长缩短的一个原因
炔烃的物理性质
炔烃的物理性质和烷烃、烯烃基本相似。
低级的炔烃在常温常压下是气体,但沸点比相同碳原子数的烯烃略高些。
随着碳原子数的增多,它们的沸点也升高。
叁键位于碳链末端的炔烃(又称末端炔烃)和叁键位于碳链中间的异构体相比较,前者具有更低的沸点。
炔烃不溶于水,但易溶于极性小的有机溶剂,如石油醚(石油中的低沸点馏分)、苯、乙醚、四氯化碳等。
一些炔烃的物理常数下表。
炔烃的物理常数
名称
熔点/℃
沸点/℃
相对密度(d420)
乙炔
-80.8(压力下)
-84.0(升华)
0.6181(-32℃)
丙炔
-101.5
-23.2
0.7062(-50℃)
1-丁炔
-125.7
8.1
0.6784(0℃)
2-丁炔
-32.3
27.0
0.6910
1-戊炔
-90.0
40.2
0.6901
2-戊炔
-101.0
56.1
0.7107
3-甲基-1-丁炔
-89.7
29.3
0.666
1-己炔
-132.0
71.3
0.7155
1-庚炔
-81.0
99.7
0.7328
1-辛炔
-79.3
125.2
0.747
1-壬炔
-50.0
150.8
0.760
1-癸炔
-36.0
174.0
0.765
炔烃的化学性质
炔烃的化学性质主要表现在官能团——碳碳叁键的反应上。
炔烃的主要性质是叁键的加成反应和叁键碳上氢原子的活泼性(弱酸性)。
叁键碳上氢原子的活泼性(弱酸性)
炔烃分子中,和叁键碳原子直接相连的氢原子的性质比较活泼,容易被某些金属原子取代,生成金属炔化物(简称炔化物)。
例如,将乙炔通过加热熔融的金属钠时,就可以得到乙炔钠和乙炔二钠。
乙炔的一烷基取代物和氨基钠作用时,它的叁键碳上的氢原子也可以被钠原子取代:
炔化钠和伯卤烷作用就得到了碳链增长的炔烃,这个反应叫做炔化物的烷基化反应。
因此炔化物是个有用的有机合成中间体。
具有活泼氢原子的炔烃又容易和硝酸银的氨溶液或氯化亚铜的氨溶液发生作用,迅速生成炔化银的白色沉淀或炔化亚铜的红色沉淀。
这些反应很容易进行,现象也便于观察,因此常用于炔烃的定性检验。
不含活泼氢的炔烃就没有这种反应。
炔化物和无机酸(例如稀硝酸)作用后,可分解为原来的炔烃。
因此也可以利用这些反应,从含有各种炔烃的混合物中分离出末端炔烃。
乙炔银和乙炔亚铜等重金属炔化物,在润湿时还比较稳定,但在干燥状态下受热或受撞击时,易发生爆炸。
为了避免发生爆炸意外,实验室中不拟再利用的重金属炔化物,应立即加酸予以处理。
叁键碳上的氢原子所以具有活泼性,是因为叁键的碳氢键是碳原子的sp杂化轨道和氢原子的s轨道形成的σ键。
和单键及双键碳相比较,叁键碳的电负性比较强,使C—Hσ键的电子云更靠近碳原子,也就是说,这种C—H键的极化,使炔烃易离解为质子和比较稳定的炔基负离子。
这就是炔烃氢原子活泼的原因,也就是它具有弱酸性和可以被某些金属原子取代的原因。
但应该指出,我们称炔烃具有酸性,只是与烷烃和烯烃相比较而言,从下列的pKa数值可以看出炔烃的酸性比水还弱。
甲基、乙烯基、乙炔基负离子的碱性和稳定性的比较。
催化加氢
炔烃可以催化加氢,生成烯烃。
如再进一步加氢则得到烷烃。
当使用一般的氢化催化剂,例如铂、钯、镍等,在氢气过量的情况下,反应往往不容易停止在烯烃阶段。
从乙烯和乙炔不同氢化热的数据中可以看出,乙炔加氢更为容易。
所以炔烃的加氢反应比烯烃具有更大的反应活泼性。
如果只希望得到烯烃,就应该使用活性较低的催化剂。
常用的是林德拉催化剂,这是一种以金属钯沉淀干碳酸钙上,然后用醋酸铅处理而得的加氢催化剂。
铅盐可以降低钯催化剂的活性,使生成的烯烃不再加氢,而对炔烃的加氢仍然有效,因此加氢反应可停留在烯烃阶段。
当乙烯和少量乙炔的混合物进行催化加氢时,由于乙炔比乙烯容易发生加氢反应,工业上往往利用这个性质控制氢气用量,使乙烯中的微量乙炔加氢转化为乙烯。
由于催化加氢是炔烃分子吸附在金属催化剂表面上发生的,因此得到的也是顺式加成产物。
和卤素加成
炔烃可以和卤素加成。
炔烃和氯、溴加成,先生成一分子加成产物,但一般可再继续加成,得到两分子加成产物——四卤代烷烃。
炔烃和氯、溴的加成,有时可控制反应条件,使反应停止在一分子加成产物上。
例如。
和氢卤酸加成
炔烃可以和氢卤酸HX(X—Cl、Br、I)加成,但也不如烯烃那样容易进行。
不对称炔烃的加成反应也按马尔科夫尼科夫规律进行。
上述反应可以控制在一分子加成的阶段。
如果用亚铜盐或高汞盐作为催化剂,可以加速反应的进行,例如:
和烯烃的情况相似,在光和过氧化物存在下,炔烃和HBr的加成,也是自由基加成反应,得到的是反马尔科夫尼科夫规律的产物:
碘也可与乙炔加成,但主要得到一分子加成产物——1,2-二碘乙烯。
和炔烃相比较,烯烃与卤素的加成更易进行,因此当分子中兼有双键和叁键时,首先在双键上发生卤素的加成。
例如,在低温、缓慢地加人溴的条件下,如下式所示,叁键可以不参与反应。
这种加成叫做选择性加成。
为什么炔烃的亲电加成不如烯烃活泼,一般认为是由于炔烃亲电加成第一步得到的中间体是烯基碳正离子,它的稳定性不如烯烃加成第一步得到的中间体烷基碳正离子。
烷基碳正离子的正碳原子是sp3杂化状态,它的正电荷易分散到烷基上,所以比较稳定。
烯基碳正离子的正碳原子是sp杂化状态,它的两个相互垂直的p轨道中一个p轨道仍与相邻碳的p轨道组成π键,另一个p轨道才是空轨道(见下图),它的正电荷不易分散到相邻的sp2杂化碳原子周围,所以能量高,比较不稳定,形成时需要更高的活化能,不容易生成。
乙烯和乙炔的电离势能数据也证明了这种解释。
电离势能是从化合物分子中移去一个电子所需要的最低能量。
乙炔具有比乙烯更大的电离势能。
两者相差约73kJ/mol。
这说明乙炔碳原子对π电子云有更强的引力,因此亲电试剂与乙炔的π电子结合成碳正离子所需的活化能就要高一些,所以炔烃的亲电加成不如烯烃活泼。
和水加成
炔烃和水的加成也不如烯烃容易进行,必须在催化剂硫酸汞和稀硫酸的存在下才发生加成。
首先是叁键与一分子水加成,生成具有双键以及在双键碳上连有羟基的烯醇(称烯醇式化合物)。
烯醇式化合物不稳定,羟基上的氢原子能转移到另一个双键碳上。
与此同时,组成共价键的电子云也发生转移,使碳碳双键变成单键,而碳氧单键则成为碳氧双键,最后得到乙醛或酮:
一个分子或离子在反应过程中发生了基因的转移和电子云密度重新分布而最后生成较稳定的分子的反应,称为分子重排反应(或称重排反应)。
为了讨论为什么烯醇式化合物能分子重排为醛或酮,可以以乙烯醇和乙醛为例,计算它们在分子重排前后的键能变化:
由计算可知,乙醛的总键能(2741kJ/mol)比乙烯醇的总键能(2678kJ/mol)约大63kJ/mol,即乙醛比乙烯醇稳定。
但能量差别并不很大。
更重要的是在酸存在下,它们之间相互变化的活化能很小,烯醇式和酮式容易很快地相互转变。
达到动态平衡时,由于酮式结构的能量较低,乙醛比乙烯醇稳定,所以在这个例子中得到的是酮式化合物——乙醛。
在一般条件下,两个构造异构体可以迅速地相互转变的现象,叫做互变异构现象,涉及的异构体叫做互变异构体。
上述互变异构体彼此间的区别仅在于双键和氢原子的位置不同。
由于异构体中一个为酮式,另一个为烯醇式,所以这种互变异构现象又叫做酮一烯醇互变异构现象,一般可用下式表示:
亲核加成
——与醇加成
在碱存在下,炔烃可以和醇发生加成反应。
例如,乙炔可以与甲醇加成,在乙炔的一个碳上加上一个氢原子,另一个碳上加上甲氧基(CH3O—),生成的产物叫做甲基乙烯基醚。
甲基乙烯基醚可以看作是乙烯的衍生物,它可以加成聚合而得到工业上有用的高分子化合物。
因此甲基乙烯基醚也是工业上有用的单体。
炔烃在碱性溶液中和醇的加成,并不是亲电加成,因为在这里并没有可以导致亲电加成的亲电试剂(例如质子或卤素等)存在。
在氢氧化钾或氢氧化钠的醇溶液中,有下列反应发生。
醇钾CH3OK具有盐的性质,可以强烈离解为甲氧基负离子和钾离子。
一般认为,是带负电荷的甲氧基离子CH3O-首先和炔烃作用,生成碳负离子中间体,然后再和一分子醇作用,获得一个质子而生成甲基乙烯基醚。
甲氧基离子是带负电荷的离子,它能供给电子,因而有亲近正电荷的倾向。
或者说它具有亲核的倾向,所以它是一种亲核试剂。
反应首先是由甲氧基负离子攻击乙炔开始。
由亲核试剂进攻而引起的加成反应叫做亲核加成反应。
炔烃和醇的加成是一种亲核加成。
关于炔烃为什么比烯烃容易进行亲核加成的问题,虽然目前还没有圆满和一致的解释,但从炔烃的亲电加成不如烯烃活泼这一事实来考虑,也是容易理解的。
因为这一事实也说明炔径自身的亲核性能(与攻击的亲电试剂的亲核性能)比烯烃弱。
亲核性能弱也就是亲电性能比较强。
甲醇在碱的催化下,生成的甲氧基负离子(CH3O-)是个强的亲核试剂,它可以和亲电性能较大的炔烃发生亲核加成,而和亲电性能差的烯烃就不能发生反应了。
此外,在比较烷、烯、炔的氢原子活泼性和比较甲基、乙烯基、乙炔基负离子稳定性的讨论中,已看到乙烯基负离子(sp2杂化碳)较甲基负离子(sp3杂化碳)稳定。
炔烃与醇亲核加成的第一步生成的是较稳定的烯基型负离子,这也说明了炔烃比较容易发生亲核加成。
氧化反应
炔烃和氧化剂反应,往往可以使碳碳叁键断裂,最后得到完全氧化的产物——羧酸或二氧化碳。
在比较缓和的氧化条件下,二取代炔烃的氧化可停止在二酮阶段。
例如
可以利用炔烃的氧化反应,检验分子中是否存在叁键,以及确定叁键在炔烃分子中的位置。
这些反应的产率一般都比较低,因而不适宜作为羧酸或二酮的制备方法。
聚合反应
炔烃只生成仅由几个分子聚合的聚合物,例如,在不同条件下乙炔可生成链状的二聚物或三聚物,也可生成环状的三聚物或四聚物。
乙炔的二聚物和氯化氢加成,得到2-氯-1,3-丁二烯。
它是氯丁橡胶(一种合成橡胶)的单体。
重要的炔烃——乙炔
乙炔是最重要的炔烃,它不仅是一种有机合成的重要基本原料,而且又大量地用作高温氧炔焰的燃料。
工业上可用煤、石油或天然气作为原料生产乙炔,所以乙炔是个可以大量生产而又成本低廉的工业产品。
(1)碳化钙法生产乙炔
焦炭和石灰在高温电炉中反应,得到碳化钙(电石)。
碳化钙作为产品出厂。
需要乙炔时,在现场使电石与水反应,即得到乙炔。
此方法在工业上使用已久,耗电量大,但生产工艺比较简单。
(2)由天然气或石油生产乙炔
甲烷是天然气的主要成分,在1500℃的高温下,甲烷能通过一系列的反应生成乙炔。
这是一个强烈的吸热反应。
因此工业上又使一部分甲烷同时被氧化(加入氧气),由此产生热量来供给由甲烷合成乙炔所需要的大量热量。
所以此法又叫做甲烷的部分氧化法。
反应的产物包括乙炔、一氧化碳和氢气。
分离乙炔后得到一氧化碳和氢气的混合物,又叫做“合成气”,可作为基本有机合成(例如合成甲醇)的基本原料。
为了避免乙炔在高温下分解为碳和氢,要求反应中生成的乙炔迅速地冷却,所以甲烷通过反应区的时间必须很短,一般只有0.01至0.l秒。
在天
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