第十七章 二烯烃与共轭体系 (Dienes and Conjugated Systems)


17.1 二烯烃的分类

二烯烃按双键的相对位置分为三类:

类型特征稳定性
累积二烯 (Cumulated),双键相邻(累积)最不稳定
共轭二烯 (Conjugated),单双键交替最稳定
隔离二烯 (Isolated),双键被 个饱和碳隔开中等
# 累积二烯 — 丙二烯 (Allene)
C(=C)=C
# 累积二烯 — 1,2-丁二烯
CC=C=C
# 累积二烯 — 3-甲基-1,2-丁二烯
CC(=C=C)C
# 累积二烯 — 2,3-戊二烯
CC=C=CC
 
# 共轭二烯 — 1,3-戊二烯
CC=CC=C
# 共轭二烯 — 异戊二烯 (2-甲基-1,3-丁二烯)
CC(=C)C=C
 
# 隔离二烯 — 1,4-戊二烯
C=CCC=C
结构式名称类型
1,2-戊二烯累积
3-甲基-1,2-丁二烯累积
2,3-戊二烯累积
1,3-戊二烯共轭
异戊二烯(2-甲基-1,3-丁二烯)共轭
1,4-戊二烯隔离

17.2 累积二烯——丙二烯的结构

丙二烯(Allene)是最简单的累积二烯:

结构特征

  • 中心碳为 杂化,两端碳为 杂化
  • 中心碳的 两个未参与杂化的 轨道互相垂直
  • 两端碳的 轨道分别与中心碳的两个垂直 轨道肩并肩重叠
  • 结果:两个 键互相垂直
# 丙二烯 — 中心碳sp杂化,两个π键互相垂直
C(=C)=C

丙二烯不稳定,容易转化为更稳定的异构体。


17.3 共轭二烯的结构特征

以 1,3-丁二烯为例:

17.3.1 实验事实

(a) 键长数据

类型典型键长1,3-丁二烯实测值
双键134 pm> 134 pm
单键154 pm< 154 pm
双键134 pm> 134 pm

键长趋于平均化:双键变长、单键变短,说明 具有部分双键性质

(b) 氢化热

共轭二烯的氢化热比非共轭二烯低 28 kJ/mol——共轭二烯更稳定。

(c) 醇脱水实验

产物以共轭二烯为主,而非隔离二烯——共轭体系更稳定。

17.3.2 结构特征总结

特征说明
键长趋于平均化单双键键长差值减小
四个双键碳共平面所有碳原子在同一平面
体系能量降低共轭体系比隔离体系更稳定

17.3.3 价键理论 (VB) 解释

  • 每个碳原子均为 杂化
  • 形成 3 个 键和 6 个 键,同一平面,夹角
  • 四个 轨道平行,形成 (4 中心 4 电子)
  • 电子离域 电子不固定在某两个碳原子之间,而是分布在共轭体系中的几个原子上
# 1,3-丁二烯 — 共轭体系,键长平均化
C=CC=C

电子离域 (Electron Delocalization) 电子不是固定在两个双键碳原子之间,而是分布在共轭体系中的几个原子上。

17.3.4 分子轨道 (MO) 处理

1,3-丁二烯的四个 轨道组合成四个 分子轨道:

轨道能级节点数填充
(成键)最低0
(成键)HOMO1
(反键)LUMO2
(反键)最高3

HOMO-LUMO 能隙较小 → 共轭体系容易发生电子跃迁。


17.4 共轭体系与共轭效应

17.4.1 共轭体系的定义

共轭体系:不饱和键与单键交替存在的体系。

- 共轭体系

单双键交替排列:

# π-π共轭:1,3-丁二烯
C=CC=C
# π-π共轭:1,3,5-己三烯
C=CC=CC=C
# π-π共轭:乙烯基乙炔
C=CC#C

- 共轭体系

广义共轭体系:凡是与不饱和键相邻的原子上有 轨道的体系。

轨道来源:

类型示例 轨道特征
碳正离子 轨道
碳自由基单电子 轨道
杂原子孤对电子在 轨道
# p-π共轭:烯丙基碳正离子 (空p轨道)
[CH2]=[CH]-[CH2+]
# p-π共轭:氯乙烯 (Cl孤对电子)
C=CCl

17.4.2 共轭体系的特点

特点含义
各中心原子共平面共轭原子在同一平面, 轨道才能有效重叠
键长趋于平均化电子离域使键级平均化
能量降低离域使体系更稳定(离域能)

17.4.3 离域能 (Delocalization Energy)

化合物氢化热 (kJ/mol)预期值离域能
(1-丁烯)127
(1,3-丁二烯)23915 kJ/mol
(1,2-戊二烯)297—(不稳定)
(1,4-戊二烯)2540

离域能 (1,3-丁二烯)

累积二烯氢化热 > 预期值(不稳定),隔离二烯氢化热 = 预期值。


17.4.4 共轭效应 ( 效应)

共轭效应 (Conjugative Effect):共轭体系中,由于原子间的相互影响而使体系内 电子或 电子分布发生变化的效应。

共轭效应的特点

  1. 前提:必须存在共轭体系
  2. 方向性:有一定的方向
  3. 核心:电子离域 → 共轭链上正负电荷极性交替
  4. 远程效应:受外电场的影响沿共轭链传递不减弱

共轭效应的表示

箭头 表示电子离域方向:

  • 起于双键,止于与双键相连的原子(或单键)
  • 起于未共用电子对,止于单键
CH₂ = CH — Cl     ←   π 电子云向 Cl 偏移
CH₂ = CH — CHO    ←   π 电子云向羰基偏移

共轭效应的类型

共轭效应
├── π-π 共轭效应
├── p-π 共轭效应
├── σ-π 超共轭效应
└── σ-p 超共轭效应

吸电子共轭 ()

使体系中 电子云密度降低:

规律比较
带正电荷更强
同周期随电负性增大而愈强
同主族

\ce{CH2=CH-CHO}\quad (\ce{-CHO} 为 $-C$ 取代基,吸电子共轭)

供电子共轭 ()

使体系中 电子云密度增大:

规律比较
带负电荷更强
同周期随原子序数增大而减弱
同主族
同族随周期增大而减弱

\ce{CH2=CH-Cl}\quad (\ce{-Cl} 为 $+C$ 取代基,供电子共轭)


17.4.5 极性交替 (Polarity Alternation)

共轭体系中由于电子离域产生正负电荷交替分布:

δ⊕     δ⊖     δ⊕
H₂C = CH — CH₂⁺    (p-π 共轭)

δ⊖     δ⊕     δ⊖
H₂C = CH — Cl      (+C > -I,净供电子)

δ⊕     δ⊖     δ⊕
H₂C = CH — CHO     (-C 吸电子共轭)

共轭链上正负电荷交替分布,是共轭效应的核心特征。

练习:分析电子效应

化合物取代基电子效应

:N 电负性 > C → (吸电子诱导);N 有孤对电子 → (供电子共轭)


17.5 超共轭效应 (Hyperconjugation)

定义:与含 轨道的原子相邻的 键与 轨道平行时, 键上的电子和相邻 轨道的离域。

17.5.1 - 超共轭

甲基中 轨道与 键的 轨道侧面交盖, 电子偏离原来轨道产生电子离域。

- 共轭效应,但不可忽略。

参与超共轭的 键越多,效应越大。

# 超共轭越多越稳定
CC=C      # 丙烯 — 3个C-H σ键参与σ-π
CC=CC     # 2-丁烯 — 6个C-H σ键参与σ-π
CC(=C)C   # 异丁烯

烯烃稳定性排序

双键碳上连接的烷基数越多 → - 超共轭越多 → 烯烃越稳定。

对 Markovnikov 规则的解释

效应外,还有 - 超共轭的作用(供电子性):

\ce{CH2=CH-CH3}\quad (\ce{-CH3}\ 对双键有 $\sigma$-$\pi$ 超共轭的供电作用)


17.5.2 - 超共轭

轨道与空 轨道(或带有一个电子的 轨道)有交盖,产生电子离域。

适用于碳自由基和碳正离子的稳定化。

碳正离子/自由基稳定性

参与超共轭的 键越多,碳正离子/自由基越稳定

离子/自由基可参与 -稳定性
9最稳定
6
3
0最不稳定
# 叔丁基碳正离子 — 9个C-H σ键参与σ-p超共轭,最稳定
[C+](C)(C)C
# 异丙基碳正离子 — 6个
C[C+](C)
# 乙基碳正离子 — 3个
C[C+]
# 甲基碳正离子 — 0个,最不稳定
[C+]

稳定性顺序


17.5.3 共轭体系类型总结

共轭类型示例轨道
- 共轭
- 共轭
- 共轭(烯丙基自由基)单电子
- 共轭孤对电子
- 超共轭
- 超共轭 与空

17.6 共轭二烯烃的化学性质

共轭二烯烃兼具烯烃的一般性质,但由于共轭效应具有特征反应

反应类型特点
亲电加成1,2-加成 + 1,4-加成(特征)
双烯合成Diels-Alder 反应
聚合反应合成橡胶等

17.6.1 1,2-加成与 1,4-加成

共轭二烯亲电加成可产生 1,2-加成1,4-加成两种产物。

反应条件的影响

以 1,3-丁二烯与 加成为例:

温度1,2-加成1,4-加成主产物
-80°C(低温)80%20%1,2-加成
40°C(高温)15%85%1,4-加成

低温有利于 1,2-加成(动力学控制),高温有利于 1,4-加成(热力学控制)


17.6.2 1,4-加成的机理

速度决定步骤:生成碳正离子(亲电加成第一步)。

反应历程

优先进攻 C1 而非 C2(生成的碳正离子通过 - 共轭更稳定)。

δ⊕      δ⊖     δ⊕
H₂C = CH — CH = CH₂    (亲电试剂优先进攻C1)
 1      2      3      4

关键:碳正离子中间体的稳定性

碳正离子共轭方式稳定性
碳正离子 + - 共轭较稳定
碳正离子,无 - 共轭不稳定

- 共轭稳定的烯丙基型碳正离子 → 正电荷分布于 C2 和 C4 → 可进攻 C2(1,2-加成)或 C4(1,4-加成)。

# 1,3-丁二烯亲电加成 — 烯丙基型碳正离子中间体
C=CC=C

17.6.3 双烯合成(Diels-Alder 反应)

共轭二烯烃及其衍生物与具有碳碳双键或三键的化合物进行 1,4-加成反应,生成环状化合物。1950 年获诺贝尔化学奖

Diene (双烯体)  +  Dienophile (亲双烯体)  →  环己烯衍生物

# Diels-Alder: 丁二烯 + 乙烯 → 环己烯
C=CC=C
C=C
C1CC=CCC1

常见的亲双烯体 (Dienophiles)

化合物结构特性
顺丁烯二酸酐(顺酐,马来酸酐)最常用,鉴别共轭二烯
丙烯醛 吸电子
丙烯酸甲酯 吸电子
丙烯腈 吸电子
对苯醌环状亲双烯体
丁炔二酸二甲酯炔基亲双烯体
# 顺丁烯二酸酐 — 最常用亲双烯体
O=C1OC(=O)C=C1
# 丙烯醛
C=CC=O
# 丙烯酸甲酯
C=CC(=O)OC
# 丙烯腈
C=CC#N

反应条件的影响

亲双烯体含吸电基有利,二烯体含供电基有利。

反应温度产率
丁二烯 + 乙烯200°C20%
丁二烯 + 丙烯醛100°C100%

丙烯醛上 效应使反应极易进行。


17.6.4 Diels-Alder 反应的应用

共轭二烯烃的鉴别

这是鉴别共轭二烯烃的常用方法。隔离二烯不发生此反应。

合成环状化合物

Diels-Alder 反应是合成六元环化合物的核心方法之一:

# Diels-Alder: 丁二烯 + 丁炔二酸二甲酯 → 取代环己二烯
C=CC=C
COC(=O)C#CC(=O)OC

本章核心框架

二烯烃分类
├── 累积二烯 (C=C=C) — 丙二烯,sp+sp²,两个π键⊥,不稳定
├── 共轭二烯 (C=C-C=C) — 单双键交替,最稳定 ⭐
└── 隔离二烯 (C=C-(CH₂)ₙ-C=C) — 性质类似单烯烃
      ↓
共轭二烯结构特征
├── 键长平均化(双键>134pm,单键<154pm)
├── 4中心4电子 Π₄⁴ 大π键 (VB)
├── MO: ψ₁~ψ₄,HOMO-LUMO gap小
└── 离域能:15 kJ/mol (氢化热法)
      ↓
共轭体系与共轭效应
├── π-π共轭:单双键交替
├── p-π共轭:C⁺/C·/孤对电子与π键
├── 共轭效应 (C effect)
│   ├── -C (吸电子共轭):=O > =NR > =CR₂
│   └── +C (供电子共轭):-NR₂ > -OR > -F
├── 极性交替 (δ⊕/δ⊖/δ⊕)
└── 远程效应:沿共轭链传递不减弱
      ↓
超共轭效应
├── σ-π超共轭:C-H σ与π键 → 解释烯烃稳定性 + Markovnikov规则
├── σ-p超共轭:C-H σ与p轨道 → 解释R₃C⁺/R₃C·稳定性
└── 稳定性:3° > 2° > 1° > CH₃
      ↓
共轭二烯化学性质
├── 1,2-加成 (低温,动力学控制) vs 1,4-加成 (高温,热力学控制)
│   — H⁺进攻C1 → p-π共轭稳定烯丙基碳正离子
├── Diels-Alder 反应 (双烯合成, 1950 Nobel)
│   — 亲双烯体含吸电基有利 (O=C-O-C=O > CHO > COOCH₃ > CN)
│   — 二烯体含供电基有利
│   — 应用:鉴别共轭二烯 (马来酸酐→白色结晶)
└── 聚合反应 → 合成橡胶

本章关键词

二烯烃 · 累积二烯 · 共轭二烯 · 隔离二烯 · 丙二烯 · 键长平均化 · 离域能 · 氢化热 · 键 · 电子离域 · 共轭体系 · - 共轭 · - 共轭 · 共轭效应 · 极性交替 · 远程效应 · 吸电子共轭 () · 供电子共轭 () · 超共轭效应 · - 超共轭 · - 超共轭 · Markovnikov 规则 · 碳正离子稳定性 · 1,2-加成 · 1,4-加成 · 动力学控制 · 热力学控制 · 烯丙基碳正离子 · Diels-Alder 反应 · 双烯合成 · 亲双烯体 · 顺丁烯二酸酐


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