第四章芳烃_有机化学及实验
芳烃的性质实验报告
芳烃的性质实验报告
芳烃是一类含有苯环结构的碳氢化合物，具有特殊的化学性质。
本实验旨在通
过对芳烃的性质进行实验研究，以期深入了解其化学特性及应用价值。
首先，我们进行了对芳烃的物理性质的实验研究。
实验结果显示，芳烃具有较
高的沸点和熔点，这与其分子结构紧密相关。
此外，我们还测试了芳烃的溶解性，发现芳烃在非极性溶剂中溶解度较高，而在极性溶剂中溶解度较低，这与芳烃的分子极性有关。
接着，我们对芳烃的化学性质展开了实验研究。
在实验中，我们发现芳烃具有
较高的稳定性，不易发生化学反应。
但在适当的条件下，芳烃可以发生亲电取代反应和求核取代反应，这为芳烃的合成和改性提供了重要的理论基础。
此外，我们还对芳烃的燃烧性质进行了实验研究。
实验结果表明，芳烃在氧气
条件下可以发生完全燃烧，生成二氧化碳和水，释放大量的能量。
这为芳烃作为燃料的应用提供了重要的参考依据。
最后，我们对芳烃的环境影响进行了实验研究。
实验结果显示，芳烃在大气中
易发生光化学反应，产生有害的光化学污染物，对环境造成一定的影响。
因此，在芳烃的生产和使用过程中，需要采取相应的环保措施，减少对环境的影响。
综上所述，通过对芳烃的性质进行实验研究，我们深入了解了芳烃的物理性质、化学性质、燃烧性质以及环境影响等方面的特点。
这对于进一步的芳烃的应用和环境保护具有重要的理论和实践意义。
希望本实验能为相关领域的研究和应用提供一定的参考价值。
第四章芳烃_有机化学及实验
第四章芳烃一基本要求1、掌握芳烃的分类、命名和结构。
2、掌握芳烃的化学反应：氧化反应、加成反应和取代反应，重点学习芳香族化合物的亲电取代反应理论。
3、掌握芳烃亲电取代反应中的定位效应。
三类定位基的特点极其理论解释以及利用定位效应于有机合成中。
4、了解芳烃的一些物理性质和光谱特征，特别是苯环的各向异性效应在解析1HNMR谱图方面的应用。
5、了解芳香族亲电取代反应的机理和实例，学会运用付-克反应处理有机化学中的分析、合成问题。
二基本概念苯的凯库勒结构，离域结构，共振结构，休克尔规则，自由基加成，亲电取代反应，亲核取代反应，付-克反应，第一类定位基，第二类定位基，第三类定位基，共轭效应(C)，诱导效应(I)。
三重点与难点提示1苯的离域结构：苯具有平面正六边形结构，每两个相邻碳原子之间的距离是一样的，分子中每个碳原子都以sp2 杂化轨道分别与一个氢和两个碳以σ键结合，3个σ键之间的夹角都是120°，每个碳还剩一个p电子，处于和苯环平面相垂直的p轨道上。
6个p轨道彼此重叠，互相贯通成圆环。
由于苯分子的这种对称性排列，电子云是平均分布在整个环上的，6个p电子发生离域形成环状大л键(见图4.1)。
图4.1苯的离域л分子轨道2、苯的共振结构共振论认为许多化合物可以用一个结构式表示其结构，例如乙烯C CHH。
但有一些化合物却不能用单一的结构式精确表示其结构。
它的真实结构是由多个共振结构式共振而成的共振杂化体。
例如，苯的真实结构可以认为主要是由下列共振结构式共振而成的共振杂化体。
共振结构式之间用双箭头“”连接。
+_共振论认为共振结构式符合下列规定：（1）各共振结构式中原子位置无任何变动，且成对或未成对的电子数也应相同，它的差别在于电子的分布。
例如：CH 3CCH 3OCH 3C CH 2OH CH 2CHCH 2CH 2CH CH 2CH 2CHCH 2CH 2CHCH 2CH 3COOCH 3COO（2）能量越低越稳定的共振结构在共振杂化体中占较大的分量，它们的贡献越大。
有机化学第四篇芳香烃
第四章芳香烃芳烃，也叫芳香烃，一般是指分子中含苯环结构的碳氢化合物。
现代芳烃的概念是指具有芳香性的一类环状化合物，它们不必然具有香味，也不必然含有苯环结构。
分类：芳香烃按照分子中是不是含有苯环，可分为苯系芳烃和非苯系芳烃。
苯系芳烃按所含苯环的数量和结合方式分为单环芳烃、稠环芳烃和多环芳烃。
1．单环芳烃：指分子中仅含一个苯环的芳烃，包括苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃。
例如：CH3CH2CH3CH=CH2苯甲苯乙苯苯乙烯2．多环芳烃：指分子中含两个或两个以上苯环的芳烃，多环芳烃按照分子中苯环的连接方式不同分为多苯代脂肪烃，联苯烃和稠环芳烃(1)多苯代脂肪烃：能够看做脂肪烃分子中两个或两个以上氢原子被苯基取代的化合物。
CH2HC CH二苯甲烷1,2-二苯乙烯(1)联苯烃：指两个或两个以上苯环别离以单键相连而成的多环芳烃例如：联苯1,4-三联苯(2)稠环芳烃：两个或两个以上苯环彼此共用两个碳原子而成的多环芳烃，例如：萘蒽菲3．非苯芳烃：指分子中不含苯环的芳香烃，例如：环戊二烯负离子环庚三烯正离子第一节单环芳烃一，单环芳烃的异构现象和命名苯是最简单的单环芳烃。
单环芳烃包括苯、苯的同系物和苯基取代的不饱和烃。
1．异构现象（1）烃基苯有烃基的异构例如：CH2CH2CH3CHCH3CH3（2）二烃基苯有三种位置异构例如：RR'RRR'R'（3）三取代苯有三种位置异构例如： R R'RRR''R''R''R'R'2. 命名（1）苯基的概念芳烃分子去掉一个氢原子所剩下的基团称为芳基(Aryl)用Ar 表示。
重要的芳基有：CH 2(C 6H 5CH 2-)苄基（苯甲基），用Bz 表示苯基， 用Ph 或 表示ф（2）一元取代苯的命名a 当苯环上连的是烷基（R-），-NO 2，-X 等基团时，则以苯环为母体，叫做某基苯。
例如：CH CH 33NO 2Cl异丙基苯叔丁基苯硝基苯氯苯b 当苯环上连有-COOH ，-SO 3H ，-NH 2，-OH ，-CHO ，-CH=CH 2或R 较复杂时，则把苯环作为取代基。
第四章 芳香烃
目录△
2 、萘的一般性状
无色晶体 m.p 80.55℃ b.p 218℃ ，易升华
3、萘的化学性质
（1） 亲电取代
萘的亲电取代反应比苯易进行
Cl + Cl2 I2 , C6H6 + HCl
Br + Br2 CCl4 + HBr
第四章 芳 香 烃
目录△
NO2 + HNO3 H2SO4
SO 3H 0-60 75-80 % + H2SO4 160 75-80 %
COOH
注意：没有α-H的侧链不被氧化，如叔丁苯不能使高锰酸钾褪色 第四章 芳 香 烃
目录△
激烈条件下苯环也可以被氧化
O + O2 V2O5 450-500o O O
第四章 芳 香 烃
目录△
第四节
卤代： X2 + FeX3
苯环上亲电取代反应历程
X+
+ FeX4
一、 正离子的形成
亲电离子
硝化： 2H2SO4 + HNO3
CH2COOH
1. 萘的结构
萘分子中碳原子和氢原子都在同一平面内，碳－碳键的长度 不全相等，但与苯相近。
142
pm
136
pm
140 pm
123
第四章 芳 香 烃
目录△
萘分子中碳原子和氢原子都在同一平面内，碳－碳 键的长度不全相等，但与苯相近。 萘的共振式为：
共振能为 251.2 kJ/mol
第四章 芳 香 烃
薁
目录△
第一节 苯的结构
一 、苯的凯库勒（kekule）式
苯是一个很稳定的化合物，分子式为C6H6，起反应时， 六个碳原子作为一个整体转移到新化合物中，其一元取代 物只有一种，这说明其中六个H是相同的。据此，1865年 kekule 提出了苯的环状构造式。
有机化学41
第四章 芳 香 烃Ⅰ 学习要求1. 熟练掌握用系统命名法命名芳香烃和芳香族化合物。
2. 掌握和熟练应用芳环的亲电取代反应及侧链氧化反应。
3. 了解亲电取代反应的影响因素，熟练应用亲电取代反应定位规律判断反应的主要产物，芳环的化学活性和确定合成路线。
4. 了解芳香性的概念，掌握休克尔规则，熟练应用休克尔规则判断环状共轭烯烃有无芳香性。
Ⅱ 内容提要一．苯的结构与芳香性1．苯的分子式为C 6H 6，有较大的不饱和性。
苯分子中每个碳原子以sp 2杂化轨道与相邻的两个碳原子组成碳碳σ键，与一个氢原子组成碳氢σ键，六个碳原子和六个氢原子都在同一平面内，构成平面六边形。
六个碳原子上各自未杂化的含有单电子的且垂直于环平面p 轨道，相互轴向平行重叠形成闭合的离域大π键。
2．苯分子中碳碳键长完全平均化，形成的完全离域的闭合共轭体系，其离域能为150kJ ·mol ﹣1，使得苯环具有很好的热力学稳定性。
在通常的反应条件下，苯环的结构保持不变，不易被氧化，不易被加成，较易于发生苯环上的取代反应。
3．苯环上具有较多的π电子且具有较大的可极化性，可与缺电子的亲电试剂作用，发生亲电取代反应。
苯环上连有供电子基（致活基团）时，亲电取代反应活性增加，主要产物为邻、对位取代产物；苯环上连有吸电子基（致钝基团）时，亲电取代反应的活性降低，主要产物为间位取代产物。
4．苯分子的特定结构及特殊性质称为芳香性，芳香性是芳香烃化合物的共性，其他芳环具有和苯环相似的化学性质。
如果符合以下两点条件，则该体系具有芳香性：①具有平面环状的闭合共轭体系。
②该闭合共轭体系中离域的π电子数等于(4n + 2)个（n = 0,1,2,3…。
一般n ≤6）。
这就是休克尔(Hückel)规则。
二．芳烃的化学性质1．苯环上的亲电取代反应FeX 3NO 2S O 3H X AlCl 3R (RCO)2AlCl 3COR+ X 2+ 浓HNO + 浓H 2SO + R X+ RC OX卤代反应，反应不可逆，通常用Cl 2，Br 2。
有机化学：第四章芳香烃
治学善质疑,心灵悟真谛
2.稠环芳香烃 分子中无独立苯环，两个或多个苯环稠合。
C C
萘
C
C
C
C
蒽
C
C
C
C
菲
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二、单环芳烃的构造异构和命名
1.苯的同系列，通式是CnH2n-6（4个不饱和度） 具有侧连异构和位置异构。
CH2CH2CH3
H3C
CH3
CH
CH2CH3
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2)付-克烃基化反应的重排
卤代烷具有三个碳以上时，常产生重排产物。
H3C Cl
AlCl 3
CH3
+
CH3
CH3
重排由不稳定碳正离子中间体稳定性引起。
H
CH3 CH CH2
重排
CH3 CH CH3
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治学善质疑,心灵悟真谛
没有更稳定的离子中间体产生，就没有重排产物。
5）卤代苯亲电取代生成邻对位两种产物
Br
HNO 3
H2SO 4
Cl Cl Br
FeCl 3
Br H2SO 4
+ Br Br NO 2
+ Br Br Cl
+ Br Br SO 3H
NO 2 Cl SO 3H
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6）硝基苯亲电取代只生成一种间位产物
NO 2
NO 2
HNO 3 H2SO 4
NO 2
Cl Cl FeCl 3
O2N
NO 2 Cl
NO 2
有机化学第四章 芳 香 烃
（2） 酰基化反应 酰基化反应的特点：产物纯、产量高。
二、氧化反应
1．苯环的氧化
苯环在激烈的条件下被氧化破坏，例如：
2. 烷基苯的氧化( 侧链氧化 )：
无论烷基侧链的长短，其氧化产物都是苯甲酸。
第五节 苯环上亲电取代反应的定位规律
一、一元取代苯的定位规律
1．邻、对位定位基（第一类定位基） 使新引入的取代基主要进入其邻位和对位，且多
第四章 芳 香 烃
第一节 芳烃的分类与命名 第二节 苯的结构 第三节 单环芳烃的物理性质 第四节 单环芳烃的化学性质 第五节 苯环上亲电取代反应的定位规律 第六节 其他芳烃
芳香化合物的定义
第一阶段：从植物胶中取得的具有芳香气味的物质称 为芳香化合物。 第二阶段：将苯和含有苯环的化合物称为芳香化合物。 第三阶段：将具有芳香性的化合物称为芳香化合物。
CH3CH2CHCH2CHCH3 CH3
COOH
SO3H
2-甲基-4-苯基己烷 苯甲酸
苯磺酸
CH3CH2CHCH2CHCH3 CH3
COO
2-甲基-4-苯基己烷 苯甲酸
第二节 苯的结构
一、苯的凯库勒式
H
H
H
1825年 法拉第发现了苯
H
H
H
1834年 经元素分析、分子量测定 分子式为 C6H6
C6H5Br 只得到一种——苯中的六个H原子完全等价
1857年 凯库勒提出碳四价（平面）
1858年 Kèkulè提出苯的结构式
凯库勒式是被广泛被接受，但仍面临下列难题：
Br
Br
1.只有一种邻二溴代苯
Br
Br
2.特殊的稳定性：
不发生加成反应 不与氧化剂反应；
2022新第四章 芳香烃
第四章芳香烃芳香烃中“芳香”二字的由来，最初是指那些从天然的香树脂、香精油中提取而且具有芳香气味的物质，因而称为“芳香烃”或“芳烃”。
随着有机化学的发展，人们发现许多具有芳香族化合物特性的物质，却没有芳香味，而具有芳香味的化合物却不具备芳香族化合物的特性，所以“芳香烃”一词只是沿用了历史的名词。
芳香烃一般是指含有苯环结构并具有特殊化学性质的碳氢化合物。
但某些碳环烃（如环戊二烯负离子）不含苯环，却具有苯的类似性质。
因此，芳香烃是指苯及其化学性质类似于苯的化合物。
根据分子中是否含水量有苯环可将芳香烃分为两大类：苯系芳香烃（含有苯环）和非苯芳香烃。
1．苯系芳香烃：根据苯环的连接情况苯系芳香烃可分为：单环芳烃：分子中只含有一个苯环的芳烃。
多环芳烃：分子中含有两个或两个以上独立苯环的芳烃。
稠环芳烃：分子中含有两个或两个以上苯环通过共用两个相邻碳原子稠合而成的芳烃。
2．非苯芳烃：分子中不存在苯环结构，但具有与苯相似的电子结构和化学性质的芳香环，并具有芳香族化合物的共同特性。
第一节单环芳烃单环芳香烃的命名(Nomenclature of Aromati Compounds)：一般以苯环为母体，烷基作为取代基命名为某烷基苯；有多个取代基时，以某一个取代基所连的碳原子作为1编号，必须使取代基位置数字之和最小。
不同取代基时，小取代基优先。
二取代时，也可用邻、间、对表示位置。
对于复杂的取代基或不饱和碳链，则把苯作为取代基：若苯环上连有非烷基取代基时，按以下顺序命名：—SO3H, —COOH, —CHO, —CN, —OH, —NH2, —R, —NO2, —X顺序靠前的为母体，靠后的为取代基。
苯的同分异构现象更复杂，有碳链异构，取代基异构，位置异构。
苯的结构(The Structure of Benzene)：1825年从煤焦油中发现了一种无色液体，分子式为C6H6命名为苯。
但直到1931年才确定了苯的结构。
苯的结构稳定，不易发生加成反应、氧化反应，却易发生取代反应，不具备其它不饱和烃的性质。
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F.A.Kekulé (1829-1896) 德国化学家
1. 存在共轭效应 2. 环合大π键 ,稳定
KJ/mol
苯的氢化热
苯非常稳定，难以发生氧化、加成反应
2.共振结构－共振论
0.139nm
LC Pauling (1901-1994) 美国 1954，1963年 获奖
共振结构式 共振式表示方式
类
单环芳烃
型
定
义
实
CH3
例
甲苯
含一个苯环的芳烃
多个苯环共用两个以上碳原子
稠环芳烃
多环 芳烃 联苯
萘
联苯
CH 2
多个苯环以单键相连
多苯代脂 苯环之间相隔一个以上碳原子 肪烃 含有结构及性质与苯环 非苯芳烃 相似的芳烃
甲烷
薁
4.1.2 芳烃的命名
1.单环芳烃和多苯代脂肪烃的命名 如-NO2,卤素、简单烷基等作取代基, 苯为母体, 读作某(基)苯
4.2.2 芳烃分子中π电子的特性
电子分散在两个成ຫໍສະໝຸດ 碳原子核连线的 上下方，受原子核的束缚作用较小，容 易发生亲电加成反应.
电子成圆柱形对称地分布在两个碳原 子之间，受原子核约束力增加，与亲 电试剂加成反应的速度较慢.
大键非常稳定，难与亲电试剂发生 加成反应,也难发生氧化反应，而容 易发生取代反应.
SO 3H NH 2 对氨基苯磺酸 CHO Br 间溴苯甲醛 COOH NO 2 对硝基苯甲酸
CH3 o m p 对 o 邻 m 间
OH O2N NO2 NO2 2,4,6-三硝基苯酚
2. 联苯类化合物的命名 以联苯为母体来命名，读作某联苯.
3 2 O2N 4 5 6 2' 1 1' 3' 4' NO2
Ha Ha NH N Ha Ha N HN
4.3.1 芳烃的物理常数
苯及其同系物大多为液体，有特殊香气，但有毒 苯由于其高度对称性而具有相对较高的熔点 苯及其同系物的密度比开链烃、环烷烃和环烯烃大 苯及同系物都是非极性或极性很小的化合物， 故不溶于水
4.3.2 芳烃的光谱特征
1. 红外光谱 取代类型 苯 单取代 1,2-二取代 1,3-二取代 1,4-取代 1,2,3-三取代 1,2,4-三取代 1,3,5-三取代 δ外=CH频率(cm-1 )(强度) 670(s) 770~730(s) 770~735(s) 810~750(s) 900~860(m) 860~800(s) 800~770(s) 860~800(s) 900~860(m) 900~860(m)
共振式书写遵循的规则 1)共振结构式中原子排列相同，只有电子排布不同
CH2＝CH－OH CH3CH＝O
2) 共振式中配对的电子或未配对的电子数相等
[ CH2=CHCH2 CH2CH=CH2 ]
[ CH2=CHCH2
CH2CHCH2 ]
3) 中性分子也可表示为电荷式，但电子的转移与 原子电负性吻合
三个特征吸收：1)1600和1500 cm-1(共轭双键伸 缩振动吸收), 2) 3100~3000cm-1 (C―H键伸缩振动), 3)950~650cm-1(C―H键面外弯曲振动)
2. 质子核磁共振谱
苯环的各向异性效应
Ha Hb
[18]-轮烯是芳香性分子，环内的 4 个氢 Hb 均为 -0.6ppm ，而环外的 10 个氢Ha为7.6ppm。
8 7 6 5
9 10
1 2
4 3 菲
Cl
O
O 9- 氯蒽 9,10-蒽醌
Br 9-溴菲
4.1.3 芳烃的异构现象
二取代苯有三种异构体，邻、对、间二取代苯
CH3 CH3
CH3
CH3
邻二甲苯
CH3 对二甲苯
H3C 间二甲苯
4.2 苯的异构和休克尔规则
4.2.1 苯的结构
1.凯库勒结构和离域结构
大 键
6' 5'
4,4’-二硝基联苯
3.稠环类化合物的命名——以萘或蒽或菲为母体来命名
8 7 6 5 萘
1 2 3 4 1， 4， 5， 8位又称α位； 2， 3， 6， 7位又称为β位。
NO2
NO 2
α- 硝基萘
NO2 1， 5-二硝基萘
7 6
8
9
1
5 10 4 蒽
2 3
1，4，5，8位为α位 2，3，6，7位为β位 9，10位为γ位
O [ CH2=CHC CH3 O CH2-CH-C ] CH3
4) 越稳定的共振式对共振杂化体的贡献越大
O CH3 C OH O CH3 C OH
贡献较大
贡献较小
稳定的共振式 1）没有正负电荷分离 2）原子均满足惰性气体电子构型 3）电荷分布与电负性一致
CH2CHCl
共振杂化体的能量比能量最低的共振结构还要低。 这种能量之间的差叫共振能(离域能)。
NO2 Br CH(CH3)2
硝基苯
溴苯
异丙基苯
取代基为复杂烃基、不饱和烃、-NH2、-OH、-CHO和 -COOH等时, 苯为取代基.
CH CH2 CHO NH2 OH
苯甲醛
苯胺
苯酚
当苯环上有多个取代基时, 按顺序规则，排在后面的 为母体，排在前面的为取代基 -NO2，-X ，－R，－OR， －R， －NH2， －OH， －COR(酰基)， －CHO， －CN， －CONH2(酰胺)， －COX(酰卤)， －COOR， －COOH
Chapter 4
芳烃
本 章内容
1 2
芳烃的分类、命名和异构 苯的异构和休克尔规则
芳烃的物理性质 芳烃的化学性质
3
4 5 6
芳香族化合物的亲电取代反应理论
稠环芳烃的亲电取代反应 芳烃的来源与制备
7
4.1 芳烃的分类、命名和异构
4.1.1 芳烃的分类 芳烃是一类在结构上具有单、双键相间的环状化合物
能量 π* 反键轨道
圆心－非键轨道
非键轨道 π 成键轨道
成键轨道和非 键轨道具有全 充满或者全空 结构的环多烯 烃或环多烯离 子具有芳香性。
n=
4
5
6
8
联苯
萘
蒽
菲
3. 非苯芳烃的芳香性
环丙烯正离子 环戊二烯负离子 环庚三烯正离子
H H H H
2-
H H
环辛四烯负离子
[18]－轮烯
薁(yù )
4.3 芳烃的物理性质
4.2.3 Hü ckel规则及量子化学基础
1. 芳香性的判断 具有4n+2个电子的单环共轭体系具有 芳香性 1）单环体系π电子符合4n+2 (n=0,1,2,3…) 2）环状共轭体系——每个原子需有p轨道 3）π电子所在原子共平面 Erich Hückel (1896–1980) 德国
2.休克尔规则的量化基础