sp杂化:碳碳三键由 1个σ键 + 2个π键组成,两个sp杂化碳原子呈直线形(键角180°)。
| 杂化 | 键长(C-C) | 键能 | s成分 | 电负性 |
|---|---|---|---|---|
| sp (C≡C) | 0.120 nm | 837 kJ/mol | 50% | 最大 |
| sp2 (C=C) | 0.134 nm | 611 kJ/mol | 33% | 中等 |
| sp3 (C-C) | 0.154 nm | 347 kJ/mol | 25% | 最小 |
| 化合物 | 杂化 | pKa |
|---|---|---|
| RC≡CH(端炔) | sp | ≈ 25 |
| R2C=CH2(烯烃) | sp2 | ≈ 44 |
| R3CH(烷烃) | sp3 | ≈ 50 |
| H2O | — | 15.7 |
| NH3 | — | 38 |
RC≡C−Na+ + R'CH2X → RC≡C-CH2R'(SN2反应)
例:HC≡CH ⟶NaNH₂; HC≡C−Na+ ⟶CH₃CH₂Br; HC≡C-CH2CH3(1-丁炔)
• 1 mol Br2 → 反式二溴烯烃(反式加成)
• 过量 Br2 → 四溴烷烃(完全加成)
RC≡CR' + Br2 → 反式-RCBr=CR'Br ⟶Br₂; RCBr2-CR'Br2
为什么炔烃加 HX 比烯烃慢:Step 1 生成的乙烯基阳离子(vinyl C+,sp 杂化)比烷基 C+ (sp²) 还不稳定 → 能垒高 → 加成慢。但生成后立刻被 Br⁻ 抓住,整体仍走 Markov。
• 1 mol HX → 卤代烯烃(马氏,X加在含H较少的C上)
• 过量 HX → 偕二卤代烷(两个X在同一碳上)
条件:HgSO4 / H2SO4 / H2O
端炔 + R2BH → 烯基硼烷 ⟶H₂O₂/NaOH; 醛(反马氏,OH加到端碳)
炔烃经硼氢化后,用CH3COOH(而非H2O2/NaOH)处理烯基硼烷,可得到顺式烯烃。
RC≡CR' ⟶R₂BH; 烯基硼烷 ⟶CH₃COOH; (Z)-RCH=CHR'(顺式烯烃)
炔烃 + HBr + 过氧化物(ROOR) → 反马氏产物(自由基加成机理)
RC≡CH + HBr ⟶ROOR; RCH=CHBr(Br加在端碳上,反马氏)
炔烃能发生亲核加成,而烯烃不能。原因:三键的π电子云密度大,且sp碳电负性大,有利于亲核试剂进攻。反应需碱催化或高温高压条件。
| 反应物 | 条件 | 产物 | 应用 |
|---|---|---|---|
| HC≡CH + CH3OH | KOH催化,160-165°C | CH2=CH-OCH3(甲基乙烯基醚) | 有机合成中间体 |
| HC≡CH + CH3COOH | 催化剂 | CH2=CH-OOCCH3(醋酸乙烯酯) | 乳胶漆、粘合剂原料 |
| HC≡CH + HCN | 催化剂 | CH2=CH-CN(丙烯腈) | 合成腈纶纤维 |
虽然炔烃有更多的π电子,但其亲电加成反应速率反而比烯烃慢,原因有二:
| 还原条件 | 产物 | 立体化学 | 机理 |
|---|---|---|---|
| H2 / Lindlar催化剂 | Z-烯烃(顺式) | 顺式加氢 | 催化表面同侧加H |
| Na / 液NH3 | E-烯烃(反式) | 反式还原 | 自由基阴离子中间体 |
| H2(过量) / Pt或Pd | 烷烃 | 完全加氢 | 两步加氢 |
看图重点:左边产物两个 CH3 在同侧(Z 构型),右边在反侧(E 构型)。机理差异:Lindlar 是金属表面吸附,两个 H 必从同侧加;Na/NH3 是单电子还原经自由基阴离子,反式中间体更稳。
| 试剂 | 反应 | 现象 |
|---|---|---|
| Ag(NH3)2+(银氨溶液) | RC≡CH → RC≡CAg↓ | 白色沉淀(炔化银) |
| Cu(NH3)2+(铜氨溶液) | RC≡CH → RC≡CCu↓ | 红棕色沉淀(炔化亚铜) |
• 端炔 + KMnO4(酸性/热) → RCOOH + CO2
• 内炔 + KMnO4(酸性/热) → 两个羧酸
例:CH3C≡CCH3 ⟶KMnO₄/H⁺; 2 CH3COOH
例:CH3CH2CH(CH3)CH2CH=CHCH3(含双键) ⟶KMnO₄/H⁺; 相应羧酸
| 类型 | 结构特征 | 例子 | 稳定性 |
|---|---|---|---|
| 累积二烯 | C=C=C(相邻) | 丙二烯 CH2=C=CH2 | 不稳定 |
| 共轭二烯 | C=C-C=C(交替) | 1,3-丁二烯 | 最稳定(离域能) |
| 孤立二烯 | C=C-(CH2)n-C=C | 1,4-戊二烯 | 中等 |
• 1,3-丁二烯的氢化热 = 237 kJ/mol,而两个孤立双键预期 = 2×127 = 254 kJ/mol
• 离域能(共轭能) = 254 - 237 = 17 kJ/mol,说明共轭体系更稳定
| 类型 | 特征 | 典型例子 |
|---|---|---|
| π-π共轭 | 单键两侧各有一个π键,π电子通过p轨道连续重叠而离域 | 1,3-丁二烯 CH2=CH-CH=CH2 |
| p-π共轭 | 单键一侧为π键,另一侧原子提供p轨道(含孤对电子或空轨道)参与共轭 | 烯丙基碳正离子 CH2=CH-CH2+(空p轨道);氯乙烯中Cl的p轨道与C=C共轭 |
| σ-π超共轭 | C-H的σ键与相邻碳上的π键(或空p轨道)发生部分重叠 | 丙烯中甲基C-H与C=C的超共轭;碳正离子稳定性解释 |
共轭二烯加HX的第一步:H+加到C1,生成烯丙基碳正离子(p轨道与双键共轭,正电荷离域在C2和C4上)
• Br−进攻C2 → 1,2-加成产物
• Br−进攻C4 → 1,4-加成产物
六元环过渡态:3 对电子在同一个椅式过渡态里同步移动(2 个双键电子 + 1 个 σ 键形成 + 1 个 σ 键形成 + 1 个 π 键迁移),无中间体,所以严格保留底物的立体化学。这就是 D-A 被称为"协同"反应的本质。
| 二烯 | 亲双烯体 | 产物 |
|---|---|---|
| 1,3-丁二烯 | 顺丁烯二酸酐 | 四氢邻苯二甲酸酐 |
| 1,3-丁二烯 | 丙烯醛 CH2=CHCHO | 环己烯-4-甲醛 |
| 环戊二烯 | 顺丁烯二酸酐 | 降冰片烯二酸酐 |
| 1,3-丁二烯 | DEAD(丁炔二酸二乙酯) | 环己二烯二酸二乙酯 |
在六元环产物中找到双键,从双键两侧"切开",还原回二烯和亲双烯体。
考点:D-A 环加成(s-cis 双烯 + 吸电子亲双烯体)。
第①步:呋喃是被"锁"在 s-cis 的富电子双烯(5 元杂环,两个 C=C 同侧);丙烯醛 CH₂=CH−CHO 带 −CHO 吸电子基,是好的亲双烯体。
第②步:[4+2] 协同环加成,双烯 4π + 亲双烯体 2π 在同一椅式过渡态同步成两根新 σ 键 → 六元环。
产物:7-氧杂二环[2.2.1]庚烯-2-甲醛(桥环加成物,O 在桥头)。endo 为动力学主产物;底物上取代基相对构型在产物中保持(cis 规则)。
考点:炔烃的反式还原(Na/液NH₃)是"翻转顺反"的钥匙。
路线:顺-2-丁烯 ─Br₂→ 2,3-二溴丁烷 ─NaNH₂(过量)→ 2-丁炔(两次脱 HBr 成内炔,抹掉原顺反信息)─Na/液NH₃→ 反(E)-2-丁烯(答案 C)。
关键:必须先炔化把双键的顺反"清零",再用 Na/液NH₃ 反式还原定出 E。若用 Lindlar 则得回顺式,错。
考点:端炔专属鉴别(pK_a≈25 的端炔 C−H 被金属取代)。
判法:只有端炔 RC≡CH 能与 Cu(NH₃)₂⁺ 反应 → RC≡CCu↓(红棕色);与 Ag(NH₃)₂⁺ 反应 → RC≡CAg↓(白色)。内炔、烯烃、烷烃都不反应。答案 = 端炔(C)。
考点:动力学 vs 热力学控制。
结论:1,2-加成 = 动力学产物(活化能低、低温/短时为主);1,4-加成 = 热力学产物(产物更稳定的内烯烃、高温/长时为主)。能量图上 1,2 路径过渡态更低(B)。
本质:H⁺(或 Br⁺)先生成烯丙基碳正离子(正电荷离域在 C2、C4),Br⁻ 进攻 C2 得 1,2、进攻 C4 得 1,4。
端炔 $pK_a\approx 25$(sp 碳 s 成分大)→ NaNH₂ 拔 H 成炔钠;炔钠 + 1° RX (SN2) 或 + 环氧乙烷增碳(仲/叔 RX 会 E2,不能用)。
H₂/Lindlar(Pd/CaCO₃) → Z(顺)烯;Na/液NH₃ → E(反)烯;H₂(过量)/Pt → 烷烃。口诀"L=Lin=顺"。
Kucherov 水合 (HgSO₄/H₂SO₄/H₂O,马氏) → 端炔得甲基酮,乙炔是唯一得醛(乙醛)的特例;BH₃→H₂O₂/OH⁻(反马)→ 端炔得醛。HX 二次马氏 → 偕二卤。
端炔:Ag(NH₃)₂⁺ 白沉 / Cu(NH₃)₂⁺ 红棕沉。D-A:双烯须 s-cis、亲双烯体带吸电子基、endo 为主、cis 规则(取代基相对构型保持)。休克尔:平面单环共轭 + π $=4n+2$ 才芳香。
共轭效应:π电子或孤对电子通过共轭体系发生电子离域化的现象,使分子更稳定。
互变异构:两种异构体通过原子/基团迁移相互转化(如酮-烯醇互变异构)。
1,4-加成:共轭二烯中试剂加到1位和4位,双键移到2,3位。
双烯合成(Diels-Alder):共轭二烯与亲双烯体发生[4+2]环加成生成六元环。
二烯亲和物:D-A反应中与二烯反应的缺电子化合物(如顺丁烯二酸酐)。
(1) CH3CH2C≡CH ⟶KMnO₄/H⁺; CH3CH2COOH + CO2(端碳氧化为CO₂)
(2) CH3CH2C≡CH ⟶H₂/Pt; CH3CH2CH2CH3(完全加氢→正丁烷)
(3) CH3CH2C≡CH ⟶2Br₂; CH3CH2CBr2CHBr2(四溴代物)
(4) CH3CH2C≡CH + Ag(NH3)2+ → CH3CH2C≡CAg↓(白色沉淀)
(5) CH3CH2C≡CH + Cu(NH3)2+ → CH3CH2C≡CCu↓(红棕色沉淀)
(6) CH3CH2C≡CH ⟶Hg²⁺/H⁺/H₂O; CH3CH2COCH3(马氏水合→2-丁酮)
(1) CH3C≡CH ⟶HgSO₄/H₂SO₄/H₂O; CH3COCH3(Kucherov水合→丙酮)
(2) CH3C≡CH ⟶HBr; CH3CBr=CH2 ⟶Ni/H₂; CH3CHBrCH3
(3) CH3C≡CH ⟶2HBr; CH3CBr2CH3(马氏,两个Br在同一碳)
(4) CH3C≡CH ⟶BH₃; ⟶H₂O₂/NaOH; CH3CH=CH(OH) → CH3CH2CHO ⟶NaBH₄; CH3CH2CH2OH
(5) CH3C≡CH ⟶NaNH₂; CH3C≡CNa ⟶CH₃CH₂Br; CH3C≡CCH2CH3 ⟶H₂/Ni; CH3(CH2)4CH3
(1) 1,3-丁二烯 + 丙烯醛 ⟶D-A; 4-甲醛基环己烯
(2) 1,3-丁二烯 + 顺丁烯二酸酐 ⟶D-A; 四氢邻苯二甲酸酐
(3) CH2=C(Cl)-CH=CH2 ⟶聚合; 氯丁橡胶 [-CH2-C(Cl)=CH-CH2-]n
(4) 2-甲基-1,3-丁二烯 + HBr(1mol) → 1,2-加成 + 1,4-加成 + 3,4-加成多种产物
(5) HC≡C-CH2CH3 ⟶BH₃; ⟶H₂O₂/OH⁻; CH3CH2CH2CHO(反马氏→醛)
(6) (CH3)2CHCH2CH=CHCH3 ⟶KMnO₄/H⁺; CH3CH2CH(CH3)COOH + CH3COOH
(7) 环戊二烯 + Br2 → 3,4-二溴环戊烯(1,2-加成) + 3,5-二溴环戊烯(1,4-加成)
(8) 环己烯 ⟶KMnO₄/H⁺; HOOC(CH2)4COOH(己二酸)
(9) 环戊二烯 + DEAD(丁炔二酸二乙酯) ⟶D-A; 降冰片二烯二酸二乙酯
(1) CH3CH2-CH(OH)-CH3:HC≡CH ⟶NaNH₂; HC≡CNa ⟶CH₃CH₂Br; HC≡CCH₂CH₃ ⟶Hg²⁺/H₂O; CH₃COCH₂CH₃ ⟶H₂/Ni; 产物
(2) CH3CH2CH2CH2Br:HC≡CH ⟶NaNH₂; NaC≡CH ⟶CH₃CH₂Br; CH₃CH₂C≡CH ⟶HBr/ROOR; CH₃CH₂CH=CHBr ⟶H₂/Ni; 产物
(3) HC≡CH ⟶CuCl/NH₄Cl; H₂C=C(H)-C≡CH(乙烯基乙炔)→ 进一步反应
(4) 环氧乙烷:HC≡CH ⟶Br₂(低温); CHBr=CHBr ⟶2KOH; → NaO⁻ → 环氧
(5) CH3CH2CCl2CH3:HC≡CNa + CH₃CH₂Br → 1-丁炔 → HCl(2mol)
(6) 1-己醇路线:HC≡CH + Na → NaC≡CH + 丙基溴 → 戊-1-炔 → Pd/BaSO₄ → OH
(1) 乙烷、乙烯、乙炔:
Step 1:取样加Br2/CCl4 → 乙烷不褪色(饱和),乙烯和乙炔褪色
Step 2:褪色的两个样加Ag(NH3)2+ → 乙炔产生白色沉淀,乙烯无现象
(2) 端炔、共轭二烯、内炔:
Step 1:Cu(NH3)2+ → 端炔产生红棕色沉淀
Step 2:剩余两者加顺丁烯二酸酐 → 共轭二烯发生D-A反应生成沉淀,内炔无反应
(1)(2)均可通过AgNO3/NH3·H2O 或 CuCl/NH3·H2O 溶液除去。
原理:端炔与银氨/铜氨溶液生成不溶沉淀,而乙烷/乙烯不反应。
1,4-加成产物为内烯烃,双键两侧有更多的烷基,σ-π*超共轭效应更强,分子更稳定。
1,2-加成产物为端烯烃,超共轭效应弱,稳定性较低。
分子式 C6H8(12×6+8=80),不饱和度=3(吸收3mol H₂)
臭氧化产物:HCHO + OHC-CHO → 还原回去 → CH2=CH-CH=CH-CH=CH2
结论:己-1,3,5-三烯(三个共轭双键)
• C₆H₁₀ + H₂ → 2-甲基戊烷 → 碳骨架为异己基
• Hg²⁺水合 → 4-甲基-2-戊酮 → 马氏水合,三键在C1-C2
• CuCl红色沉淀 → 端炔
结论:4-甲基戊-1-炔 (CH3)2CHCH2C≡CH
A:戊-1-炔 CH≡C-CH₂CH₂CH₃(AgNO₃白色沉淀→端炔;加氢→正戊烷)
B:戊-2-炔 CH₃C≡CCH₂CH₃(无Ag沉淀→内炔;KMnO₄→醋酸+丙酸)
C:戊-1,3-二烯 CH₂=CH-CH=CHCH₃(与顺丁烯二酸酐D-A反应→白色固体)
D:环戊烯(只吸收1mol H₂→C₅H₁₀环烷烃;臭氧化→一种醛即戊二醛)
低温 → 动力学控制 → 1,2-加成为主 → 3-氯环戊烯
H⁺加到C1后,生成烯丙基碳正离子。碳正离子(2)比(1)更稳定(烯丙型),反应主要按路径(2)进行,Cl⁻进攻C3 → 3-氯环戊烯。
关键:手性碳连接炔基和烯基。
A:含一个内炔和一个(E)-双键的手性分子
Lindlar加氢→(Z)-烯烃(C),与原有(E)-双键不同→仍有手性→有旋光性
Na/NH₃→(E)-烯烃(D),与原有(E)-双键相同→形成对称结构→内消旋→无旋光性
B(完全加氢)→烷烃,碳骨架对称→无旋光性