第2课时 芳香烃的来源与应用
【课程标准】
1.知道芳香烃的来源。
2.能通过实验探究认识苯的同系物的化学性质。
3.能举例说明反应条件对有机反应产物的影响与意义。
【素养目标】
1.通过实验认识苯及其同系物的性质,能从基团之间相互影响进行分析,形成“结构决定性质”的观念。(宏观辨识与微观探析)
2.认识芳香烃是重要的化工原料,知道安全使用芳香烃的重要性,感受化学在科技进步和社会发展中的作用。(科学态度与社会责任)
一、芳香烃及其来源
1.芳香烃是分子里含有一个或多个苯环的烃。
2.芳香烃最初来源于煤焦油中,现代工业生产中芳香烃主要来源于石油化学工业中的催化重整和裂化。
二、苯的同系物的组成和结构特点
1.结构特点:只含有一个苯环,且侧链均为烷基的芳香烃。
2.通式:CnH2n-6(n≥7)。如甲苯()、乙苯()、对二甲苯()等。
三、苯的同系物的性质
1.物理性质:
具有类似苯气味的无色液体,不溶于水,易溶于有机溶剂,密度比水的小。
2.化学性质:
(1)氧化反应:
①可燃性:
CnH2n-6+O2nCO2+(n-3)H2O
②与苯环直接相连的碳原子上连有氢原子的苯的同系物可使酸性高锰酸钾溶液褪色:
应用:区别苯和苯的同系物。
(2)取代反应
①卤代反应:
+Br2(或)+HBr
+Cl2
②硝化反应:
+3HNO3+3H2O
(3)加成反应
+3H2
3.乙苯的制取:
化学方程式:
+CH2=CH2。
用途:制苯乙烯的原料。
四、多环芳烃
1.概念:分子中含有多个苯环的芳香烃称为多环芳烃。
2.分类:苯环之间通过脂肪烃基连接的称为多苯代脂肪烃,苯环之间通过碳碳单键直接相连的称为联苯或联多苯;苯环之间通过共用苯环的若干条环边而形成的称为稠环芳烃。
3.简单的多环芳烃的结构简式:
二苯甲烷()、联苯()、萘()、
蒽()等。
【知识点一】苯与苯的同系物
1.常见的苯的同系物
名称 结构简式
甲苯
乙苯
二甲苯 邻二甲苯
间二甲苯
对二甲苯
2.苯和苯的同系物的比较
类别 苯 苯的同系物
相 同 点 组成与 结构 ①分子中都含有一个苯环 ②都符合分子式通式CnH2n-6(n≥6)
化学 性质 ①燃烧时现象相同,火焰明亮,伴有浓烟,燃烧通式CnH2n-6+(n-1)O2nCO2+(n-3)H2O ②都易发生苯环上的取代反应 ③都能发生加成反应,但反应都比较困难
不 同 点 取代 反应 易发生取代反应主要得到一元取代产物 更容易发生取代反应常得到多元取代产物
氧化 反应 难被氧化,不能使酸性KMnO4溶液褪色 易被氧化剂氧化,能使酸性KMnO4溶液褪色
差异 原因 苯的同系物分子中,苯环与侧链相互影响,苯环影响侧链,使侧链烃基性质活泼而易被氧化。侧链烃基影响苯环,使苯环邻、对位的氢更活泼而易被取代
3.各类烃性质比较
类别 溴单质 溴水 溴的四氯 化碳溶液 酸性高锰 酸钾溶液
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褪色 不反应,互溶不褪色 不反应
烯烃 加成 加成褪色 加成褪色 氧化褪色
炔烃 加成 加成褪色 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,发生萃取而使溴水褪色 不反应,互 溶不褪色 氧化褪色
【合作探究】
(情境应用)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 (科学探究与创新意识)
提示:苯环对侧链的影响,使苯的同系物能使酸性KMnO4溶液褪色,而烷烃不能。侧链对苯环的影响,如甲苯与硝酸反应使苯环上甲基的邻位和对位的氢原子变得活泼,生成三硝基甲苯,而苯与硝酸反应只生成硝基苯。
【典例引导】
【典例】甲苯是苯的同系物,化学性质与苯相似,但由于基团之间的相互影响,使甲苯的某些性质又与苯不同。下列有关推断及解释都正确的是 ( )
A.苯不能通过化学反应使溴水褪色,但甲苯可以,这是甲基对苯环影响的结果
B.苯不能在光照下与Cl2发生取代反应,但甲苯可以,这是苯环对甲基影响的结果
C.苯的一氯代物只有一种,而甲苯的苯环上一氯代物有3种,这是苯环对甲基影响的结果
D.甲烷不能使酸性KMnO4溶液褪色,但甲苯可以,这是苯环对甲基影响的结果
【解析】选D。苯与甲苯不含碳碳双键,都不能通过化学反应使溴水褪色,故A错误;苯不能在光照下与Cl2发生取代反应,但甲苯可以,是因为甲基上的氢原子容易被取代,与苯环的影响无关,故B错误;苯的一氯代物只有一种,而甲苯的一氯代物有3种,是因为苯环上氢原子完全相同,而甲苯苯环上有3种不同环境下的氢原子,与苯环对甲基的影响无关,故C错误;甲烷不能使酸性KMnO4溶液褪色,但甲苯可以,这是苯环对甲基影响的结果,故D正确。
[母题追问]
(1)乙苯()和甲苯的化学性质相似,请分析其原因。
提示:乙苯和甲苯侧链都为烷基,苯环与侧链相互影响。苯环影响侧链,使侧链烷基性质活泼而易被氧化;侧链烷基影响苯环,使苯环上烷基邻、对位的氢更活泼而易被取代。
(2)能否被酸性高锰酸钾溶液氧化 如能,产物是什么
提示:能被酸性高锰酸钾溶液氧化,产物为。
规律方法 苯的同系物或芳香烃侧链为烃基时,不管烃基碳原子数为多少,只要直接与苯环相连的碳原子上有氢原子,就能被酸性高锰酸钾溶液氧化为羧基,且羧基直接与苯环相连。
【针对训练】
(2024·盐城高二检测)如图所示为甲苯的有关转化关系(部分产物没有标出),下列叙述正确的是 ( )
A.反应①为取代反应,其产物可能是
B.反应②的现象是火焰明亮并伴有浓烟
C.甲基环己烷与甲烷互为同系物
D.苯和甲苯均不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
【解析】选B。氯气与甲苯在光照条件下,取代甲基上的H,在催化剂条件下,取代苯环上的H,故A错误;由于甲苯分子中碳含量非常高,故甲苯燃烧时,燃烧不充分有浓烟,所以燃烧现象为火焰明亮并伴有浓烟,故B正确;甲基环己烷与甲烷结构不相似,不是同系物,故C错误;甲苯能被高锰酸钾氧化,能够使酸性高锰酸钾溶液褪色,故D错误。
【知识点二】苯的同系物同分异构体数目的判断
由于苯环的结构特殊并具有高度对称性,因此含有苯环结构的有机物同分异构体也有其特殊的地方。
1.对称法:
苯分子中所有的氢原子的化学环境相同,含有多条对称轴,但是如果苯环上连有取代基,其对称性就会受到影响,如邻二甲苯有1条对称轴,间二甲苯有1条对称轴,而对二甲苯有2条对称轴,故邻二甲苯苯环上的一氯代物有2种,而间二甲苯苯环上的一氯代物有3种,对二甲苯苯环上的一氯代物有1种。如图所示:(箭头方向表示可以被氯原子取代的氢原子位置)
2.换元法:
对于芳香烃,若苯环上氢原子数为m,且有a+b=m,则该芳香烃苯环上的a元卤代物和b元卤代物的同分异构体种类相同。如对二甲苯苯环上的一氯取代物共有1种,则其苯环上的三氯取代物也为1种。
3.定一(或二)移一法:
苯环上连有两个取代基时,可固定一个,移动另一个,从而写出邻、间、对三种同分异构体;苯环上连有三个取代基时,可先固定两个取代基,得到几种结构,再逐一插入第三个取代基,从而确定出同分异构体的数目。
【合作探究】
分子式为C10H14的苯的同系物,共有2个甲基,符合条件的结构有多少种 (宏观辨识与微观探析)
提示:8种。分子式为C10H14的苯的同系物,共有2个甲基,可能为苯环上连有只有1种;苯环连有,只有1种;苯环上连有—CH2CH3、—CH2CH3,有邻、间、对3种;苯环上连有—CH3、—CH2CH2CH3,有邻、间、对3种;因此总共有8种。
【典例引导】
【典例】分子式为C10H14的苯的同系物,共有3个甲基,符合条件的结构有( )
A.3种 B.6种
C.9种 D.10种
[解题指南]解答本题时需要注意C10H14的苯的同系物,共有3个甲基,可以是连有—C(CH3)3,或连有—CH3、—CH(CH3)2,或连有—CH3、—CH3、—CH2CH3。
【解析】选D。分子式为C10H14的苯的同系物,共有3个甲基,可能为苯环上连有—C(CH3)3,只有1种;苯环上连有—CH3、—CH(CH3)2,有邻、间、对3种;苯环上连有—CH3、—CH3、—CH2CH3,先固定—CH3、—CH3,在苯环上分别相邻、间、对,再移动—CH2CH3,分别有2种、3种、1种,共6种,因此总共有10种。
[母题追问]
(1)分子式为C10H14的苯的同系物,其苯环上有4个甲基,符合条件的结构有多少种
提示:3种。取代2个氢原子和取代4个氢原子所得到的同分异构体数目是相同的。若取代2个氢原子,则有邻、间、对3种,所以若苯环上有4个甲基时,其同分异构体就应该也是3种。
(2)分子式为C10H14的苯的同系物,苯环上只有一个取代基,符合条件的结构有多少种
提示:4种。—C4H9有—CH2CH2CH2CH3、、、4种结构。
【针对训练】
(2024·淮北高二检测)有机物的结构共有(不考虑立体异构)
( )
A.24种 B.28种 C.32种 D.36种
【解析】选D。C4H9—有4种结构,—C3H5Cl2存在9种结构,所以有机物的结构有4×9=36种。
【课堂小结】
三言两语话重点
1.苯的同系物的结构
(1)结构:含1个苯环,侧链为烷基。
(2)通式:CnH2n-6(n≥7)。
2.苯的同系物的性质
苯的同系物的化学性质可概括为“易取代、难加成、可氧化”。
3.多环芳烃
多环芳烃含有多个苯环,可分为多苯代脂肪烃,联苯或联多苯、稠环芳烃。
1.下列说法正确的是 ( )
A.苯和甲苯均不能使酸性KMnO4溶液褪色
B.乙烯能使酸性高锰酸钾溶液和溴的四氯化碳溶液褪色,且原理相同
C.邻二甲苯和溴蒸气在光照下取代产物可能为
D.鉴别己烯和苯,向己烯和苯中分别滴入酸性KMnO4溶液,振荡,观察是否褪色
【解析】选D。A.甲苯可被酸性KMnO4溶液氧化为苯甲酸,使溶液褪色,A错误;B.乙烯能使酸性高锰酸钾溶液褪色原因是乙烯被氧化,乙烯能使溴的四氯化碳溶液褪色原因是乙烯与Br2发生加成反应,原理不同,B错误;C.邻二甲苯和溴蒸气在光照下应是甲基上的氢原子被取代,C错误;D.向己烯和苯中分别滴入酸性KMnO4溶液,振荡,己烯因含碳碳双键能被酸性KMnO4溶液氧化而使之褪色,溶液分层但不褪色的是苯,D正确。
2.(2024·苏州高二检测)分子式为C9H12的苯的同系物,已知苯环上只有一个取代基,下列说法中正确的是 ( )
A.该有机物能发生加成反应,但不能发生取代反应
B.该有机物不能使酸性高锰酸钾溶液和溴水褪色
C.该有机物分子中的所有原子不可能在同一平面上
D.该有机物的一溴代物最多有5种同分异构体
【解析】选C。该有机物为或,苯环可以和H2发生加成反应,在光照条件下可发生侧链上的取代反应,也可发生苯环上的硝化反应,硝化反应属于取代反应,A不正确;苯环侧链可以被酸性KMnO4溶液氧化而使其褪色,B不正确;甲基(—CH3)上所有原子不可能共面,C正确;
有6种一溴代物,有5种一溴代物,D不正
确。
【补偿训练】某烃的结构如图所示。下列有关说法正确的是 ( )
A.该烃的分子式为C12H22
B.该烃常温下呈气态,难溶于水
C.该烃的一氯代物有5种
D.该烃与H2充分加成后的产物中含有2个手性碳原子
【解析】选D。A.根据该物质的结构可知,该物质的分子式为C14H20,A错误;B.一般来说,C数目超过5个的烃,常温常压下都不是气体,B错误;C.由结构可知,该烃上下对称,一共有4个等效氢,所以其一氯代物有4种,C错误;D.该烃与H2充分加成后的产物两个环连接处的碳原子是手性碳原子,D正确。
3.(2024·泰州高二检测)某有机物的结构简式如图所示:
(1)该物质的分子式是____________,该物质中的官能团名称为______________。
(2)该物质苯环上的一氯代物有____________种。
(3)1 mol该物质与溴水混合,最多消耗Br2的物质的量为____________mol,可能得到的产物有____________种。
(4)1 mol该物质和H2加成最多需H2______________mol;H2足量时,写出加成产物的结构简式: ____________________。
(5)下列关于该物质的说法不正确的是________(填序号)。
①可发生加成、取代、氧化等反应
②难溶于水
③能使酸性KMnO4溶液褪色,且发生的是加成反应
④能使溴水褪色
【解析】(1)由结构简式可知,的分子式为C15H18,官能团为碳碳双键。(2)由结构简式可知,分子中苯环上含有4类氢原子,则苯环上的一氯代物有4种。(3)由结构简式可知,分子中含有的碳碳双键能与溴水发生加成反应,则1 mol分子最多能消耗2 mol Br2;与溴水可以发生加成反应,加成反应产物的结构简式可能为、、,共有3种。(4)由结构简式可知,分子中含有的碳碳双键和苯环一定条件下能与氢气发生加成反应,则1 mol该分子最多能消耗5 mol氢气,反应所得产物结构简式为。(5)由结构简式可知,属于烃类,难溶于水,分子中含有的碳碳双键能与溴水发生加成反应使溶液褪色,与酸性高锰酸钾溶液发生氧化反应使溶液褪色,分子中含有的苯环和饱和碳原子,一定条件下能与氯气发生取代反应,故选③。
答案:(1) C15H18 碳碳双键 (2)4 (3) 2 3 (4) 5
(5)③第2课时 芳香烃的来源与应用
【课程标准】
1.知道芳香烃的来源。
2.能通过实验探究认识苯的同系物的化学性质。
3.能举例说明反应条件对有机反应产物的影响与意义。
【素养目标】
1.通过实验认识苯及其同系物的性质,能从基团之间相互影响进行分析,形成“结构决定性质”的观念。(宏观辨识与微观探析)
2.认识芳香烃是重要的化工原料,知道安全使用芳香烃的重要性,感受化学在科技进步和社会发展中的作用。(科学态度与社会责任)
一、芳香烃及其来源
1.芳香烃是分子里含有一个或多个 的烃。
2.芳香烃最初来源于煤焦油中,现代工业生产中芳香烃主要来源于石油化学工业中的催化重整和裂化。
二、苯的同系物的组成和结构特点
1.结构特点:只含有一个苯环,且侧链均为烷基的芳香烃。
2.通式: 。如甲苯()、乙苯()、对二甲苯()等。
三、苯的同系物的性质
1.物理性质:
具有类似苯气味的无色液体, 溶于水, 溶于有机溶剂,密度比水的 。
2.化学性质:
(1)氧化反应:
①可燃性:
②与苯环直接相连的碳原子上连有氢原子的苯的同系物可使酸性高锰酸钾溶液褪色:
应用:区别苯和苯的同系物。
(2)取代反应
①卤代反应:
+Br2
+Cl2
②硝化反应:
(3)加成反应
+3H2
3.乙苯的制取:
化学方程式:
。
用途:制苯乙烯的原料。
四、多环芳烃
1.概念:分子中含有多个 的芳香烃称为多环芳烃。
2.分类:苯环之间通过 连接的称为多苯代脂肪烃,苯环之间通过 直接相连的称为联苯或联多苯;苯环之间通过 而形成的称为稠环芳烃。
3.简单的多环芳烃的结构简式:
二苯甲烷()、联苯( )、萘( )、
蒽()等。
【知识点一】苯与苯的同系物
1.常见的苯的同系物
名称 结构简式
甲苯
乙苯
二甲苯 邻二甲苯
间二甲苯
对二甲苯
2.苯和苯的同系物的比较
类别 苯 苯的同系物
相 同 点 组成与 结构 ①分子中都含有一个苯环 ②都符合分子式通式CnH2n-6(n≥6)
化学 性质 ①燃烧时现象相同,火焰明亮,伴有浓烟,燃烧通式CnH2n-6+(n-1)O2nCO2+(n-3)H2O ②都易发生苯环上的取代反应 ③都能发生加成反应,但反应都比较困难
不 同 点 取代 反应 易发生取代反应主要得到一元取代产物 更容易发生取代反应常得到多元取代产物
氧化 反应 难被氧化,不能使酸性KMnO4溶液褪色 易被氧化剂氧化,能使酸性KMnO4溶液褪色
差异 原因 苯的同系物分子中,苯环与侧链相互影响,苯环影响侧链,使侧链烃基性质活泼而易被氧化。侧链烃基影响苯环,使苯环邻、对位的氢更活泼而易被取代
3.各类烃性质比较
类别 溴单质 溴水 溴的四氯 化碳溶液 酸性高锰 酸钾溶液
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褪色 不反应,互溶不褪色 不反应
烯烃 加成 加成褪色 加成褪色 氧化褪色
炔烃 加成 加成褪色 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,发生萃取而使溴水褪色 不反应,互 溶不褪色 氧化褪色
【合作探究】
(情境应用)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 (科学探究与创新意识)
提示:苯环对侧链的影响,使苯的同系物能使酸性KMnO4溶液褪色,而烷烃不能。侧链对苯环的影响,如甲苯与硝酸反应使苯环上甲基的邻位和对位的氢原子变得活泼,生成三硝基甲苯,而苯与硝酸反应只生成硝基苯。
【典例引导】
【典例】甲苯是苯的同系物,化学性质与苯相似,但由于基团之间的相互影响,使甲苯的某些性质又与苯不同。下列有关推断及解释都正确的是 ( )
A.苯不能通过化学反应使溴水褪色,但甲苯可以,这是甲基对苯环影响的结果
B.苯不能在光照下与Cl2发生取代反应,但甲苯可以,这是苯环对甲基影响的结果
C.苯的一氯代物只有一种,而甲苯的苯环上一氯代物有3种,这是苯环对甲基影响的结果
D.甲烷不能使酸性KMnO4溶液褪色,但甲苯可以,这是苯环对甲基影响的结果
[母题追问]
(1)乙苯()和甲苯的化学性质相似,请分析其原因。
提示:乙苯和甲苯侧链都为烷基,苯环与侧链相互影响。苯环影响侧链,使侧链烷基性质活泼而易被氧化;侧链烷基影响苯环,使苯环上烷基邻、对位的氢更活泼而易被取代。
(2)能否被酸性高锰酸钾溶液氧化 如能,产物是什么
【针对训练】
(2024·盐城高二检测)如图所示为甲苯的有关转化关系(部分产物没有标出),下列叙述正确的是 ( )
A.反应①为取代反应,其产物可能是
B.反应②的现象是火焰明亮并伴有浓烟
C.甲基环己烷与甲烷互为同系物
D.苯和甲苯均不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
【知识点二】苯的同系物同分异构体数目的判断
由于苯环的结构特殊并具有高度对称性,因此含有苯环结构的有机物同分异构体也有其特殊的地方。
1.对称法:
苯分子中所有的氢原子的化学环境相同,含有多条对称轴,但是如果苯环上连有取代基,其对称性就会受到影响,如邻二甲苯有1条对称轴,间二甲苯有1条对称轴,而对二甲苯有2条对称轴,故邻二甲苯苯环上的一氯代物有2种,而间二甲苯苯环上的一氯代物有3种,对二甲苯苯环上的一氯代物有1种。如图所示:(箭头方向表示可以被氯原子取代的氢原子位置)
2.换元法:
对于芳香烃,若苯环上氢原子数为m,且有a+b=m,则该芳香烃苯环上的a元卤代物和b元卤代物的同分异构体种类相同。如对二甲苯苯环上的一氯取代物共有1种,则其苯环上的三氯取代物也为1种。
3.定一(或二)移一法:
苯环上连有两个取代基时,可固定一个,移动另一个,从而写出邻、间、对三种同分异构体;苯环上连有三个取代基时,可先固定两个取代基,得到几种结构,再逐一插入第三个取代基,从而确定出同分异构体的数目。
【合作探究】
分子式为C10H14的苯的同系物,共有2个甲基,符合条件的结构有多少种 (宏观辨识与微观探析)
【典例引导】
【典例】分子式为C10H14的苯的同系物,共有3个甲基,符合条件的结构有( )
A.3种 B.6种
C.9种 D.10种
[解题指南]解答本题时需要注意C10H14的苯的同系物,共有3个甲基,可以是连有—C(CH3)3,或连有—CH3、—CH(CH3)2,或连有—CH3、—CH3、—CH2CH3。
[母题追问]
(1)分子式为C10H14的苯的同系物,其苯环上有4个甲基,符合条件的结构有多少种
(2)分子式为C10H14的苯的同系物,苯环上只有一个取代基,符合条件的结构有多少种
【针对训练】
(2024·淮北高二检测)有机物的结构共有(不考虑立体异构)
( )
A.24种 B.28种 C.32种 D.36种
【课堂小结】
三言两语话重点
1.苯的同系物的结构
(1)结构:含1个苯环,侧链为烷基。
(2)通式:CnH2n-6(n≥7)。
2.苯的同系物的性质
苯的同系物的化学性质可概括为“易取代、难加成、可氧化”。
3.多环芳烃
多环芳烃含有多个苯环,可分为多苯代脂肪烃,联苯或联多苯、稠环芳烃。
1.下列说法正确的是 ( )
A.苯和甲苯均不能使酸性KMnO4溶液褪色
B.乙烯能使酸性高锰酸钾溶液和溴的四氯化碳溶液褪色,且原理相同
C.邻二甲苯和溴蒸气在光照下取代产物可能为
D.鉴别己烯和苯,向己烯和苯中分别滴入酸性KMnO4溶液,振荡,观察是否褪色
2.(2024·苏州高二检测)分子式为C9H12的苯的同系物,已知苯环上只有一个取代基,下列说法中正确的是 ( )
A.该有机物能发生加成反应,但不能发生取代反应
B.该有机物不能使酸性高锰酸钾溶液和溴水褪色
C.该有机物分子中的所有原子不可能在同一平面上
D.该有机物的一溴代物最多有5种同分异构体
【补偿训练】某烃的结构如图所示。下列有关说法正确的是 ( )
A.该烃的分子式为C12H22
B.该烃常温下呈气态,难溶于水
C.该烃的一氯代物有5种
D.该烃与H2充分加成后的产物中含有2个手性碳原子
3.(2024·泰州高二检测)某有机物的结构简式如图所示:
(1)该物质的分子式是____________,该物质中的官能团名称为______________。
(2)该物质苯环上的一氯代物有____________种。
(3)1 mol该物质与溴水混合,最多消耗Br2的物质的量为____________mol,可能得到的产物有____________种。
(4)1 mol该物质和H2加成最多需H2______________mol;H2足量时,写出加成产物的结构简式: ____________________。
(5)下列关于该物质的说法不正确的是________(填序号)。
①可发生加成、取代、氧化等反应
②难溶于水
③能使酸性KMnO4溶液褪色,且发生的是加成反应
④能使溴水褪色
