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
| 键 | 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 大 键(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) | HOMO | 1 | |
| (反键) | LUMO | 2 | — |
| (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 | 空 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=CCl17.4.2 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) | 239 | 15 kJ/mol | |
| (1,2-戊二烯) | 297 | —(不稳定) | |
| (1,4-戊二烯) | 254 | 0 |
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
- 前提:必须存在共轭体系
- 方向性:有一定的方向
- 核心:电子离域 → 共轭链上正负电荷极性交替
- 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。
比 - 共轭效应弱,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
除 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 - 的 数 | 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 | 与 | |
| - 共轭 | 空 与 | |
| - 共轭 | (烯丙基自由基) | 单电子 与 |
| - 共轭 | 孤对电子 与 | |
| - 超共轭 | 与 | |
| - 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-加成和 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 |
经 - 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=C17.6.3 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°C | 20% |
| 丁二烯 + 丙烯醛 | 100°C | 100% |
丙烯醛上 的 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 · 大 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