2020高中化学 芳香烃（基础）知识讲解学案 新人教版选修5

2020高中化学 芳香烃（基础）知识讲解学案 新人教版选修5

芳香烃 ‎【学习目标】‎ ‎1、认识芳香烃的组成、结构；‎ ‎2、了解苯的卤代、硝化及加氢的反应，知道苯的同系物的性质、苯的同系物与苯性质的差异；‎ ‎3、结合生产、生活实际了解某些烃、烃的衍生物的重要作用及对环境和健康可能产生的影响，芳香烃类物质在有机合成和有机化工中的重要作用。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、苯的结构和性质 ‎ 分子中含有一个或多个苯环的碳氢化合物都属于芳香烃。我们已学习过最简单、最基本的芳香烃——苯。‎ ‎ 1．分子结构。‎ ‎ 苯的分子式为C6H6，结构式为，结构简式为 或 。‎ ‎ 大量实验表明，苯分子里6个碳原子之间的价键完全相同，是一种介于单键和双键之间的独特的键。苯分子里的所有原子都在同—平面内，具有平面正六边形结构，键角为120°，是非极性分子。‎ ‎ 2．物理性质。‎ ‎ 苯是无色有特殊气味的液体，不溶于水，密度比水小，熔点‎5.5℃‎，沸点‎80.1℃‎，苯用冰冷却可凝结成无色的晶体，苯有毒。‎ ‎ 3．化学性质。‎ ‎【高清课堂：芳香烃#苯的化学性质】‎ ‎ 苯的化学性质比较稳定，但在一定条件下，如在催化剂作用下，苯可以发生取代反应和加成反应。‎ ‎ （1）取代反应。‎ ‎ ‎ ‎ （溴苯是无色液体，不溶于水，密度比水大）‎ ‎ ‎ ‎（硝基苯是无色，有苦杏仁味的油状液体，密度比水大，不溶于水，有毒）‎ ‎（2）加成反应。‎ ‎ （3）氧化反应。‎ ‎①苯在空气中燃烧发出明亮的带有浓烟的火焰：‎ ‎2 +15O212CO2+6H2O ‎ ②苯不能使酸性KMnO4溶液褪色；苯也不能使溴水褪色，但苯能将溴从溴水中萃取出来。‎ ‎ 4．苯的用途。‎ ‎ 苯是一种重要的化工原料，它广泛应用于生产合成纤维、合成橡胶、塑料、农药、医药、染料和香料等，苯也常用作有机溶剂。‎ 7‎ ‎ 特别提示 （1）苯的结构简式： 并不能反映苯的真实分子结构，只是由于习惯才沿用至今。实际上苯分子中的碳碳键是完全相同的。‎ ‎ （如与是同种物质）‎ ‎ （2）由于苯环结构的特殊性，在判断苯体现什么性质时要特别注意反应条件和反应物的状态。‎ 要点二、苯的同系物 ‎【高清课堂：芳香烃#苯的同系物及其性质】‎ ‎ 1．苯的同系物是苯环上的氢原子被烷基取代的产物，其结构特点是：分子中只有一个苯环，苯环上的侧链全部为烷基。甲苯、二甲苯是较重要的苯的同系物。‎ ‎ 2．苯的同系物的分子通式为CnH2n－6（n≥6，n∈N）。苯的同系物由于所连侧链的不同和不同的侧链在苯环上的相对位置的不同而具有多种同分异构体，如分子式为C8H10的对应的苯的同系物有下列4种同分异构体。‎ ‎ ‎ ‎ 3．简单的苯的同系物（如甲苯、二甲苯、乙苯等），在通常状况下都是无色液体，有特殊的气味，不溶于水，密度比水小，易溶于有机溶剂，其本身也是有机溶剂。‎ ‎ 4．由于苯环与侧链的相互影响，使苯的同系物与苯相比，既有相似之处也有不同之处。‎ ‎ （1）苯的同系物与苯在化学性质上的相似之处：‎ ‎ ①都能燃烧，燃烧时发出明亮的带浓烟的火焰，其燃烧通式为：CnH2n－6+O2nCO2+(n－3)H2O。‎ ‎ ②都能与卤素单质（X2）、硝酸、硫酸等发生取代反应。‎ ‎ ③都能与氢气等发生加成反应。‎ ‎ （2）苯的同系物与苯在化学性质上的不同之处：‎ ‎①由于侧链对苯环的影响，使苯的同系物的苯环上氢原子的活性增强，发生的取代反应有所不同。‎ ‎ ②由于苯环对侧链的影响，使苯的同系物的侧链易被氧化。在苯的同系物中，如果侧链烃基中与苯环直接相连的碳原子上有氢原子，它就能被热的酸性KMnO4溶液氧化，侧链烃基通常被氧化为羧基（—COOH）。‎ 7‎ ‎ ‎ 要点三、芳香烃的来源及其应用 ‎ 1．通常煤是获取一切芳香烃的主要来源，现在还通过石油化学工业中的催化重整等工艺获得芳香烃。‎ ‎2．一些简单的芳香烃，如苯、甲苯、二甲苯、乙苯等是基本的有机原料。可用于合成炸药、染料、农药、药品、合成材料等。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一：苯及苯的同系物的结构 例1 下列分子中的14个碳原子不可能处在同一平面上的是（ ）。‎ ‎ A．①② B．②③ C．③④ D．②④‎ ‎ 【答案】D ‎ 【解析】②中—(CH3)3的中心碳位于一个四面体的中心，故—C(CH3)3的4个碳原子不可能在同一平面上。此外，④中同时连接两个苯环上的那个碳原子，如果它跟苯环共平面，与它连接的—CH3上的碳原子和H原子，必然一个在环前、一个在环后，因此该甲基碳原子不可能在苯环平面上。请注意③项中的两个甲基的碳原子是可以同时处在两个苯环所共有的平面上的。有人怀疑两个甲基过于拥挤，必须翘起一个，但如果我们以连接两个苯环的单键为轴旋转180°，由此“空间拥挤”现象就可以消除，也就是两个甲基一个在上、一个在下，都在苯环平面上。综上可知该题应选②④。‎ ‎【总结升华】应注重知识的迁移，、 所有原子均共面，而有—CH3的有机物，所有原子均不共面；即一个C周围连接4个C原子，则这5个C原子不可能共面。‎ 举一反三：‎ ‎【高清课堂：芳香烃#例3】‎ ‎ 【变式1】苯环结构中不存在C-C单键与C=C双键的交替结构，可以作为证据的是 ‎ ‎①苯不能使溴水褪色 ‎②苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色 ‎③苯在一定条件下既能发生取代反应，又能发生加成反应 ‎④经测定，邻二甲苯只有一种结构 ‎⑤经测定，苯环上碳碳键的键长相等，都是1.40×10‎‎-10m A．①②④⑤ B．①②③⑤‎ C．①②③ D．①②‎ ‎　　【答案】A 类型二：苯及其同系物的性质 ‎ 例2 对于苯乙烯（）的下列叙述：‎ 7‎ ‎ ①能使酸性KMnO4溶液褪色；②可发生加聚反应；③可溶于水；④可溶于苯中；⑤能与浓硝酸发生取代反应；⑥所有的原子可能共平面，其中正确的是（ ）。‎ ‎ A．仅①②④⑤ B．仅①②⑤⑥ C．仅①②④⑤⑥ D．全部正确 ‎ 【答案】C ‎ 【解析】物质的性质推测可根据其结构特征和物质的相似性来分析解答，苯乙烯分子中含有苯环和碳碳双键，其性质应与苯、乙烯有相似之处，从分子结构看，是两个平面结构的组合，而这两个平面有可能重合，故⑥的说法正确；苯环上可发生取代反应，故⑤的说法正确；碳碳双键可被酸性KMnO4溶液氧化，也可发生加聚反应，故①②说法正确；苯乙烯属于烃类，而烃类都难溶于水而易溶于有机溶剂，故③的说法不正确而④的说法正确。‎ ‎【总结升华】解答本题需将苯、乙烯的性质迁移到对苯乙烯性质的预测上。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】美国康乃尔大学的魏考克斯（C．Wilcox）所合成的一种有机分子，就像一尊释迦牟尼佛，因而称为释迦牟尼分子（所有原子在同一平面）。有关该有机分子的说法正确的是（ ）。‎ ‎ ‎ ‎ A．该有机物不属于芳香烃 B．该有机物属于苯的同系物 ‎ C．该有机物分子中含有22个碳原子 D．该有机物一氯代物只有3种 ‎　　【答案】C ‎ 例3 请认真阅读下列三个反应：‎ ‎ ‎ ‎ 利用这些反应，按以下步骤（试剂和条件已略去）可从某烃A合成一种染料中间体DSD酸：‎ ‎ ‎ 请写出A、B、C、D的结构简式。‎ 7‎ ‎【答案】 ‎ ‎ 【解析】本题主要考查苯和苯的同系物的取代反应（磺化反应和硝化反应），同时考查学生对知识的迁移能力和题给新知识的运用能力。如苯胺具有弱碱性，易被氧化，所以必须在磺化反应后在NaClO的条件下合成1，2-二苯乙烯后才能将还原成，否则易与磺酸基（—SO3H）反应或被NaClO氧化。根据DSD酸的结构写出A、B、C、D的结构简式，利用逆推法：‎ 由反应②可知—NH2易被氧化，故该反应应在最后进行。由此推知D为，由转化关系可知A→B应为硝化反应，由B→C应为反应①，故由C→D应为反应③。从而再确定C的结构为。再进一步确定B为，A为。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】请认真阅读分析下列四个反应：‎ 利用这些有关反应原理，按以下步骤（反应条件及有关试剂已略去），可以从某烃A合成甲基橙 ‎[]指示剂：‎ ‎ （1）写出A、B、C的结构简式A________、B________、C________。‎ ‎ （2）写出反应①、⑤的化学方程式：①________、⑤________。‎ ‎【答案】‎ 7‎ ‎ ‎ 类型三：苯及其同系物的同分异构现象 ‎ 例4 某液态烃的分子式为C8H10，实验证明它能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但不能使溴水褪色。‎ ‎ （1）试判断该有机物属于哪类烃，并写出其可能的同分异构体的结构简式。‎ ‎ （2）若苯环上的氢原子被溴原子取代，所得一溴代物有3种同分异构体，则该烃的结构简式为________。‎ ‎【答案】（1）该有机物属于苯的同系物。支链为乙基时，，支链是2个甲基时，、或。‎ ‎（2）‎ ‎ 【解析】（1）由该烃能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但不能使溴水褪色，分子式为C8H10与烷烃C8H18相比少8个H，说明它应属于苯的同系物，所以分子中应有1个苯环结构，支链上有2个碳原子。书写苯的同系物的同分异构体时应首先按照支链的种类和数目的不同分别讨论，2个碳原子形成一个支链（—CH2CH3）的情况；2个碳原子形成两个支链的情况（—CH3），再根据支链的位置不同确定同分异构体的结构简式。‎ ‎（2）本题考查苯的同系物、苯环上的取代及同分异构体种数的确定等知识。解决这类问题时，最好从苯环上碳原子的轴对称性入手。如 ，当苯环上发生一溴取代时，虽然有5个位置上的H原子可被Br原子代替，但实际上与—C2H5相邻的两个位置上的H原子是等效的（即α—H），或者说这两个位置上的H原子呈轴对称，同理与—C2H5相间的两个位置上的H原子也是等效的（即β—H），加上对位碳原子上的γ—H，的一溴代物的同分异构体共有3种，分别为。同理 7‎ 中苯环上只有两种不同位置的H原子，故其一溴取代产物有两种。中苯环上有3种不同位置的H原子，其苯环上的一溴取代产物有3种同分异构体，分别为、。中苯环上的一溴取代产物只有一种，即。‎ ‎ 【总结升华】有机物分子中，位置等同的氢原子叫等效氢，显然有多少种等效氢，其一元取代物就有多少种。这种通过等效氢来确定一元取代物同分异构体数目的方法，叫等效氢法。‎ ‎ 等效氢的判断方法是：（1）同一个碳原子上的氢原子是等效的。如分子中—CH3上的3个氢原子等效。‎ ‎（2）同一分子中处于轴对称位置或镜面对称位置上的氢原子是等效的。如分子中，在苯环所在的平面内有两条互相垂直的对称轴，故有两类等效氢。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】某有机化合物A的结构简式如下：‎ ‎ （1）A的分子式是________；‎ ‎ （2）A在NaOH水溶液中加热反应得到B和C，C是芳香化合物。B和C的结构简式是B：________、C：________。该反应属于________反应；‎ ‎　　【答案】（1）C16H21O4N ‎ ‎ 7‎