22 芳香烃学案 人教选修5.docx
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22芳香烃学案人教选修5
2.2 芳香烃学案人教选修5
智能定位
1.以典型的芳香烃为例,比较它们与脂肪烃在组成、结构和性质上的差异。
2.根据芳香烃的组成和结构特点认识苯环上的加成和取代反应。
3.能说出芳香烃的来源,认识它们在生产和生活中的应用。
4.结合实际了解芳香烃对环境和健康的影响,关注其安全使用问题。
5.举例说明烃类物质在有机合成和有机化工中的重要作用。
情景切入
以苯为代表的芳香烃物质有哪些重要的性质和应用呢?
自主研习
一、苯的结构与性质
1.苯的分子结构
2.化学性质
二、芳香烃的来源与应用
1.来源
(1)最初来源于煤焦油。
(2)现代来源于石油化学工业中的催化重整和裂化。
2.应用
苯、乙苯和对二甲苯常用作基本有机原料。
其中生产乙苯的化学方程式为
异丙苯的生产方程式为
。
三、苯的同系物及多环芳烃
1.苯的同系物
(1)概念:
苯环上的氢原子被烷基取代后的产物。
(2)结构特点:
分子中只有1个苯环,侧链是烷基。
(3)通式:
CnH2n-6(n≥6)。
(4)常见的苯的同系物有:
甲苯:
邻二甲苯:
间二甲苯:
,
对二甲苯:
,乙苯:
。
2.芳香族化合物、芳香烃、苯的同系物的关系
3.苯的同系物的化学性质(以甲苯为例)
(1)2,4,6-三硝基甲苯的简称是三硝基甲苯,俗称TNT,是一种淡黄色针状晶体,不溶于水,可以做烈性炸药。
(2)苯的同系物使酸性KMnO4溶液褪色,必须满足与苯环直接相连的碳原子上有氢原子。
4.多环芳烃
(1)概念:
含有多个苯环的芳香烃。
(2)分类
思考讨论
1.如何证明苯的分子结构中不是单双键交替?
提示:
苯不能使溴的四氯化碳溶液和酸性KMnO4溶液褪色,苯的邻位二元取代物只有一种,这几点都说明苯不是单双键交替的结构。
2.哪些实验事实说明在苯的同系物分子中,苯环与侧链之间发生了相互影响?
提示:
(1)苯环对侧链的影响,使得苯的同系物能使酸性高锰酸钾溶液褪色,而苯不能。
(2)侧链对苯环的影响,甲苯与硝酸反应使得苯环上甲基的邻位和对位的H原子变得活泼,生成三硝基甲苯,而苯与硝酸反应只生成硝基苯。
课堂师生互动
知识点1实验室中溴苯和硝基苯的制取
1.溴苯的制取
(1)化学方程式
(2)反应装置
(3)注意事项
①冷凝管中冷凝水的流向为下进上出。
②冷凝管的作用是冷凝挥发出来的苯和液溴,并使它们流回三颈烧瓶;由于HBr气体的沸点较低,难液化,大部HBr会进入锥形瓶中。
③锥形瓶中蒸馏水的作用是吸收HBr气体。
④碱石灰的作用是吸收多余的HBr,防止其污染大气。
⑤反应结束后关闭盛有苯和液溴的分液漏斗,打开盛有NaOH溶液的分液漏斗。
⑥该反应中作催化剂的是FeBr3。
⑦溴苯是无色油状液体,在该实验中因为溶解了溴而呈褐色。
⑧应该用纯溴,苯与溴水不反应。
⑨锥形瓶中导管不能插入液面以下,否则因HBr极易溶于水而发生倒吸。
⑩溴苯中溶有溴可用NaOH溶液洗涤,再用分液的方法除溴苯中的溴。
2.硝基苯的制取
(1)化学方程式
(2)制取装置(部分装置略)
(3)注意事项
①药品的加入:
将浓硫酸慢慢加入到浓HNO3中,并不断振荡降温,冷却到50℃以下再逐滴滴入苯,边滴边振荡。
②加热方式及原因:
采用水浴加热方式,其原因是易控制反应温度在50℃~60℃范围内。
③温度计放置的位置:
温度计的下端不能触及烧杯底部及烧杯壁。
④长直玻璃导管的作用是冷凝回流。
⑤硝基苯是无色油状液体,因为溶解了NO2而呈褐色。
考例1
(1)苯和溴的取代反应的实验装置如图所示,其中A为具支试管改制成的反应容器,在其下端开了一小孔,塞好石棉绒,再加入少量铁屑。
填写下列空白:
①试管C中苯的作用是:
。
反应开始后,观察D和E两试管,看到的现象为:
。
②反应2~3min后,在B中的NaOH溶液里可观察到的现象是。
③在上述整套装置中,具有防倒吸的仪器有(填字母)。
(2)实验室制备硝基苯的主要步骤如下:
a.配制一定比例的浓H2SO4与浓HNO3的混合酸,加入反应器中;
b.向室温下的混合酸中逐滴加入一定量的苯,充分振荡,混合均匀;
c.在55℃~60℃下发生反应,直至反应结束;
d.除去混合酸后,粗产品依次用蒸馏水和5%NaOH溶液洗涤,最后再用蒸馏水洗涤。
e.将用无水CaCl2干燥后的粗硝基苯进行蒸馏,得到纯净硝基苯。
请填写下列空白:
①配制一定比例的浓H2SO4和浓HNO3的混合酸时,操作的注意事项是:
。
②步骤d中洗涤、分离粗硝基苯应使用的仪器是。
③步骤d中粗产品用5%NaOH溶液洗涤的目的是。
[解析]
(1)苯与液溴反应剧烈,生成
和HBr气体,由于反应放热升温,从导管出来的气体中会混有一定量的溴蒸气,从而干扰后面的实验,这就需要将它除去,但又不能对HBr造成影响。
混合气体进入C可将气体中的溴蒸气除去(利用相似相溶原理)。
气体在经D、E两装置时,分别可以观察到紫色石蕊试液变红,AgNO3溶液中有浅黄色沉淀生成,装置F是尾气吸收装置,以防污染环境。
D、E导管口都位于液面以上,F中导管连接了能盛较多液体的漏斗,这都有效地防止了液体倒吸。
A中反应生成的
进入B中,
不溶于NaOH溶液,成为油状液体沉于底部。
(2)苯与浓硝酸在浓H2SO4作催化剂的条件下发生反应,
,得到的
中常混有HNO3和H2SO4,故用5%的NaOH溶液洗涤,再用分液漏斗分离除去即可。
[答案]
(1)①除去HBr气体中混有的溴蒸气 D试管中石蕊试液慢慢变红,并在导管口有白雾产生,然后E试管中出现浅黄色沉淀
②在溶液底部有无色油状液体
③D、E、F
(2)①先将浓HNO3注入容器中,再慢慢注入浓H2SO4,并及时搅拌
②分液漏斗 ③除去粗产品中残留的酸
变式探究1 实验室制硝基苯时,正确的操作顺序应该是( )
A.先加入浓硫酸,再滴加苯,最后滴加浓硝酸
B.先加入苯,再加浓硝酸,最后滴入浓硫酸
C.先加入浓硝酸,再加入苯,最后加入浓硫酸
D.先加入浓硝酸,再加入浓硫酸,最后滴入苯
[答案] D
知识点2 各类烃的化学性质比较
液溴
溴水
溴的四氯
化碳溶液
高锰酸钾
酸性溶液
烷烃
与溴蒸气在光照条件下发生取代反应
不反应,液态烷烃与溴水可以发生萃取从而使溴水层褪色
不反应,互溶不褪色
不反应
烯烃
常温加成褪色
常温加成褪色
常温加成褪色
氧化褪色
炔烃
常温加成褪色
常温加成褪色
常温加成褪色
氧化褪色
苯
一般不反应,催化条件下可取代
不反应,发生萃取而使溴水层褪色
不反应,互溶不褪色
不反应
苯的
同系物
一般不反应,光照条件下发生侧链上的取代,催化条件下发生苯环上的取代
不反应,发生萃取而使溴水层褪色
不反应,互溶不褪色
氧化褪色
特别提醒应用上述性质可以鉴别不同类型的烃,同时要特别注意条件(如液溴、溴水、溴的四氯化碳溶液、光照、催化剂等)对反应的影响。
考例2 下列区分苯和己烯的实验方法和相关判断都正确的是( )
A.分别点燃,无黑烟生成的是苯
B.分别加入溴水振荡,静置后分层,下层红棕色消失的是已烯
C.分别加入溴水振荡,静置后分层,上、下两层红棕色消失的是己烯
D.分别加入酸性KMnO4溶液振荡,静置后不分层且紫色消失的是己烯
[解析] 本题考查苯和己烯的化学性质。
苯与已烯化学性质的区别包括:
苯不能因被氧化使酸性KMnO4溶液褪色,也不能使溴水因发生加成反应而褪色,但已烯可以。
在苯中加入溴水,苯会将溴从水中萃取出来,使水层褪色,而苯层(上层)则呈橙红色;苯与己烯在燃烧时都会产生浓烟。
故正确答案为CD。
[答案] CD
考例3 人们对苯及芳香烃的认识有一个不断深化的过程。
回答下列问题:
(1)由于苯的含碳量与乙炔相同,人们认为它是一种不饱和烃,写出分子式为C6H6的一种含两个叁键且无支链的链烃的结构简式。
(2)已知分子式为C6H6的结构有多种,其中的两种为:
①这两种结构的区别表现在以下两个方面:
定性方面(即化学性质方面):
Ⅱ能(填字母),而Ⅰ不能。
A.被酸性高锰酸钾溶液氧化
B.能与溴水发生加成反应
C.能与溴发生取代反应
D.能与氢气发生加成反应
定量方面(即消耗反应物的量的方面):
1molC6H6与H2加成时:
Ⅰ需 mol,而Ⅱ需mol。
②今发现C6H6还可能有另一种如图所示的立体结构,该结构的二氯代物有种。
(3)萘也是一种芳香烃,它的分子式是C10H8,请你判断它的结构简式可能是 (填字母)。
A.
B.
C.
D.
(4)萘的结构简式不能解释的事实是(填字母)。
A.萘不能使高锰酸钾酸性溶液褪色
B.萘能与H2发生加成反应
C.萘分子中所有原子在同一个平面上
D.一溴代萘(C10H7Br)只有两种同分异构体
[解析] 本题考查了有机物结构的书写及结构对性质的影响。
(1)按题中要求写出一种即可。
(2)①由于Ⅱ中存在双键,故Ⅱ可被酸性高锰酸钾溶液氧化,也能与溴水发生加成反应,而苯中存在特殊的化学键,不能发生上述反应,故应选AB;由于苯形成环己烷(C6H12)后,比苯多6个氢原子,故需3molH2,而Ⅱ中有两个双键故需2molH2,②根据对称性即可写出该结构的二氯代物(如图所示)。
(3)根据分子式可推断其结构简式。
(4)由于含有不饱和碳原子,故不能解释萘不能使酸性高锰酸钾溶液褪色的事实。
[答案]
(1)HC≡C—C≡C—CH2—CH3
(2)①AB;3;2
②3 (3)C (4)A
变式探究2已知:
①R—NO2
R—NH2;②R—Cl
R—OH;③苯环上原有的取代基对新导入的取代基进入苯环的位置有显著影响。
以下是用苯作原料制备某些化合物的转化关系图:
(1)A是一种密度比水(填“小”或“大”)的无色液体;A转化为B的化学方程式是。
(2)在“苯
C
D
”中的反应中属于取代反应的是,属于加成反应的是(填字母)。
(3)写出由
来制取
的反应过程。
[答案]
(1)大
[解析] 应用信息②和各转化关系产物中各官能团在苯环上的位置可知:
—CH3、
—Br为对位定位基,而—NO2为间位定位基。
取得这些信息是推断A、B、C、D的关键。
苯与浓硝酸和浓硫酸的混合酸作用生成
(A),它是一种密度比水大的无色油状液体。
根据信息①,结合反应:
B
可知B为
。
由反应:
,推知D为
,根据以上反应和信息②的提示推知:
—Br为对位定位基,而—NO2为间位定位基,故由
的合成路线为:
,注意前两步合成顺序不能颠倒,否则会使—Br和—NO2处于苯环的间位。
变式探究3下列物质中能使酸性KMnO4溶液褪色,但不能与溴水反应而使溴水褪色的是( )
A.C6H5—CH2CH3
B.C2H5CH===CHBr
C.C6H5—CH===CH2
D.SO2
[答案] A
变式探究4下列有关甲苯的实验事实中,能说明侧链对苯环性质有影响的是( )
A.甲苯与硝酸反应生成三硝基甲苯
B.甲苯能使酸性KMnO4溶液褪色
C.甲苯燃烧产生带浓烟的火焰
D.1mol甲苯能与3molH2发生加成反应
[答案] AB
[解析] 侧链对苯环影响,使甲苯具有一些苯不具有的性质。
知识点3 判断芳香烃同分异构体数目的方法
1.等效氢法
分子中完全对称的氢原子互为“等效氢原子”,其中引入一个新的原子或原子团时,只形成一种物质;在移动原子、原子团时,要按照一定的顺序,避免遗漏或重复。
2.定一(或二)移一法
在苯环上连有2个新原子或原子团时,可固定一个,移动另一个,从而写出邻、间、对三种异构体;在苯环上连有3个新原子或基团时,可先固定2个原子或原子团,得到3种结构,再逐一插入第三个原子或原子团,从而确定出异构体的数目。
3.换元法
苯的同系物苯环上有多少种可被取代的氢原子,就有多少种取代产物。
在苯环上的取代产物中,若有n个可被取代的氢原子,则m个取代基(m 如二甲苯与四甲苯的同分异构体数目相同;二氯苯与四氯苯的同分异构体数目相同。 4.常见的苯的同系物的同分异构体 C8H10的苯的同系物的同分异构体如下所示: 特别提醒书写苯的同系物的同分异构体时,可以采用侧链先整后散,位置由邻到间到对的方法。 考例4 二甲苯苯环上的一溴代物有六种同分异构体,可以用还原法制得三种二甲苯,它们的熔点分别如下: 六种溴二甲苯 的熔点/℃ 234 206 213 204 214 205 对应还原二甲 苯的熔点/℃ 13 -54 -27 -54 -27 -54 由此可推断熔点为234℃的分子的结构简式为,熔点为-54℃的分子的结构简式为。 [解析] 二甲苯在苯环上的一溴代物的6种同分异构体为: ①②为邻二甲苯一溴代物,③④⑤为间二甲苯一溴代物,⑥为对二甲苯一溴代物,可见邻二甲苯的一溴代物有两种,它们的沸点比较接近。 间二甲苯的一溴代物有三种,它们的沸点比较接近,对二甲苯的一溴代物有一种,那么其沸点只有一种。 [答案] 变式探究5下列烃中,一氯代物的同分异构体数目相同的是( ) ①邻二甲苯 ②间二甲苯 ③对二甲苯 ④乙苯 ⑤2,2-二甲基丁烷 ⑥甲苯 A.②③ B.①⑤ C.④⑥ D.③⑥ [答案] B [解析] 邻二甲苯一氯代物有3种: ;间二甲苯一氯代物有4种: ;对二甲苯一氯代物有2种: ;乙苯一氯代物有5种; ;2,2-二甲基丁烷的一氯代物有3种,甲苯的一氯代物有4种。 变式探究6下列有关同分异构体数目的叙述中,不正确的是( ) A.甲苯苯环上的1个氢原子被含3个碳原子的烷基取代,所得产物有6种 B.已知分子式为C12H12的物质A的结构简式为 则A苯环上的二溴代物的同分异构体数目小于A苯环上的四溴代物的同分异构体数目 C.含有5个碳原子的饱和链烃,其一氯代物有8种 D.菲的结构简式为 它与硝酸反应,可生成5种一硝基取代物 [答案] B [解析] 本题考查的是苯环中的同分异构现象。 对于选项B,若逐个书写同分异构体将非常繁琐,还容易多写或漏写,分析题中所给物质A的结构,苯环上剩下6个可被取代的氢原子,2个溴原子取代苯环上的2个氢原子时,得到的二溴代物共有9种。 若将苯环上的6个氢原子改为6个溴原子,则当其中任意2个溴原子被2个氢原子取代时,所得四溴代物(也可理解成二氢代物)的同分异构体也只可能是9种。
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