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烯烃

烯烃是含有一个 C=C 双键的烃,通式为 CnH2n。双键由一个 σ 键和一个 π 键组成,所以双键周围的原子在同一平面上,而且不能自由旋转,这就产生了顺式和反式异构体。制备烯烃,一是从分子中脱去小分子(H₂O、HX、X₂),二是让炔烃只加成一半的 H₂。烯烃主要发生加成反应:与 H₂、X₂、HX(马氏规则;有过氧化物时是反马氏加成)、水、臭氧、KMnO₄ 反应,还能聚合。

🎬 分步故事

  1. 乙烯有一个双键:一个 σ 键沿着两个碳的连线,另有一个 π 电子云在上方和下方。C=C 周围的原子都在同一平面上,键角是 120°。
  2. 这里两个 CH₃ 在同一侧(顺式)。想把一端转过去:π 电子云会被扭断。所以顺式和反式不能轻易互变,它们是两种不同的物质。
  3. 制备烯烃,就是从相邻的两个碳上各拿走一个原子或基团。这里 OH 和 H 从乙醇上离开,变成水,于是形成双键。
  4. 溴水是红棕色的。通入乙烯:每个碳上各连一个 Br,双键打开,颜色褪去。
  5. 丙烯 + HBr:H 加到本来氢更多的那个碳上,中间的碳得到 Br。这就是马氏规则。
  6. 轮到你了:加入过氧化物再玩一次。这时 Br 连到末端的碳上。也可以从菜单里选别的反应试试。

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🤔 常见疑问,一次讲清

乙烯为什么是平面的?

π 键的 p–p 侧面重叠,只有两个 p 轨道互相平行时才能进行。这就把六个原子都锁在同一个平面上。

为什么 C=C 不能像单键那样旋转?

转动一端会让两个 p 轨道错开,π 键就断了。这需要约 250 kJ/mol 的能量,远比室温下分子碰撞给的多。

为什么用 KOH 醇溶液,而不是 KOH 水溶液?

在水中,OH⁻ 主要是和 X 互换,得到醇。在醇中,乙氧基离子/OH⁻ 起碱的作用,拉走一个 β-H,于是生成烯烃。

溴水怎样区分烯烃和烷烃?

烯烃很快加上 Br₂,红棕色褪去。烷烃在暗处不反应,颜色保持不变。

是什么决定哪个碳得到 H?

H⁺ 加到能留下更稳定碳正离子的位置。对丙烯来说,就是 CH₂ 一端,把 + 留在中间的 2° 碳上。

为什么过氧化物会改变产物?

过氧化物产生 Br• 自由基。Br• 先加到末端的碳上,这样形成更稳定的 2° 自由基。然后再加上 H。顺序反过来了,所以 Br 最后在末端的碳上。

双键的结构

烯烃含有一个 C=C 双键。通式:CₙH₂ₙ(乙烯 C₂H₄,丙烯 C₃H₆)。烯烃是不饱和烃:它还能再结合别的原子。旧名叫成油气(olefin,意思是"生成油的气体"),因为乙烯和氯气反应会得到油状液体。

命名

选含有 C=C 的最长碳链。从离双键近的一端开始编号。把"烷"改成"烯",并标出双键的位置:CH₃–CH=CH–CH₃ 叫 2-丁烯(but-2-ene)。CH₂=C(CH₃)–CH₃ 叫 2-甲基丙烯(2-methylprop-1-ene)。

烯烃的异构现象

构造异构

从 C₄H₈ 开始,烯烃有碳链异构和位置异构:1-丁烯(CH₂=CH–CH₂–CH₃)、2-丁烯(CH₃–CH=CH–CH₃)和 2-甲基丙烯((CH₃)₂C=CH₂)。

几何异构(顺反异构)

π 键使 C=C 不能旋转。如果双键上的每个碳都连着两个不同的基团,这些基团就可以固定在同一侧,或固定在相反的两侧。

顺式和反式有什么不同

烯烃的制备

  1. 由炔烃制备(部分还原):H₂ 配合林德拉催化剂(Pd 负载在 BaSO₄/CaCO₃ 上,并用喹啉或硫"毒化")会停在烯烃这一步,得到顺式烯烃。钠在液氨中反应则得到反式烯烃。
  2. 由卤代烷制备(脱卤化氢):与醇溶液的 KOH 共热。β-碳上的 H 和 α-碳上的 X 一起离去:CH₃CH₂Br + KOH(醇) → CH₂=CH₂ + KBr + H₂O。这是 β-消除。反应难易:I > Br > Cl;3° > 2° > 1°。
  3. 由邻二卤代烷制备(脱卤素):相邻两个碳上的两个 X 被锌粉除去:BrCH₂–CH₂Br + Zn → CH₂=CH₂ + ZnBr₂。
  4. 由醇制备(酸性脱水):与浓 H₂SO₄ 在 443 K 下加热:CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O。这也是 β-消除。

物理性质

C2–C4 是气体,C5–C17 是液体,更高的是固体。乙烯无色,有淡淡的甜味。烯烃不溶于水,但能溶于非极性溶剂。沸点随分子变大而升高,随支链增多而降低,和烷烃一样。

烯烃的加成反应

1. 加氢

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃(Ni、Pt 或 Pd)。

2. 加卤素

CH₂=CH₂ + Br₂ → BrCH₂–CH₂Br(1,2-二溴乙烷)。红棕色的溴水(或 Br₂ 的 CCl₄ 溶液)会褪色。这是实验室里检验 C=C 的方法。反应活性:Cl₂ > Br₂ > I₂。

3. 加卤化氢与马氏规则

反应活性:HI > HBr > HCl。对称的烯烃只有一种产物。像丙烯这样不对称的烯烃,可能有两种产物。

马氏规则:试剂中带负电的部分(Br)加到双键中氢较少的那个碳上。CH₃–CH=CH₂ + HBr → CH₃–CHBr–CH₃(2-溴丙烷,主要产物)。

原因:先是 H⁺ 加上去,形成碳正离子。如果 H⁺ 连到 CH₂ 一端,正电荷就在中间的碳上(2° 碳正离子)。如果连到中间的碳,正电荷就在末端(1°)。2° 碳正离子更稳定(更多的烷基向它推电子),所以这条路径占优势。然后 Br⁻ 连到带正电的碳上。

4. 过氧化物效应(反马氏加成,卡拉施效应)

有有机过氧化物(如过氧化苯甲酰)时,HBr 的加成方向相反:CH₃–CH=CH₂ + HBr → CH₃–CH₂–CH₂Br(1-溴丙烷)。它按自由基历程进行:过氧化物产生 Br•,Br• 连到 CH₂ 一端,留下更稳定的 2° 自由基。HCl 和 HI 没有这种效应(H–Cl 键太牢固;I• 自由基会重新结合成 I₂)。

5. 加水(酸催化水合)

加几滴浓 H₂SO₄,水按马氏规则加成:(CH₃)₂C=CH₂ + H₂O → (CH₃)₃C–OH。冷的浓 H₂SO₄ 本身也能加成,生成硫酸氢烷基酯。

6. 氧化

7. 臭氧化反应

臭氧加到 C=C 上,形成臭氧化物。再用 Zn 和水处理,就被切成两个羰基化合物。口诀:把 C=C 切开,在每一端各加上 =O。CH₃–CH=CH₂ → CH₃CHO + HCHO。看这些碎片,就能推出双键原来的位置。

8. 聚合反应

在高压、加热和催化剂作用下,许多乙烯分子连成一条长链:n CH₂=CH₂ → –(CH₂–CH₂)ₙ–(聚乙烯)。丙烯得到聚丙烯。

重点公式和概念

例题讲解

1. 下面哪些有顺反异构:(a) 丙烯,(b) 2-丁烯,(c) 2-甲基丙烯?

检查双键上的每个碳是否连着两个不同的基团。(a) CH₂=CH–CH₃:第一个碳上是 H 和 H(相同)→ 没有。(b) CH₃–CH=CH–CH₃:每个碳上都是 H 和 CH₃ → 有。(c) (CH₃)₂C=CH₂:两端都是相同的一对 → 没有。只有 2-丁烯有。

2. 写出 2-溴丁烷与 KOH 醇溶液共热时的主要产物。

β-H 可以从 C1 或 C3 上脱去。从 C3 脱去得到 2-丁烯(CH₃CH=CHCH₃,取代基更多);从 C1 脱去得到 1-丁烯。取代基更多的烯烃是主要产物(札依采夫规则):2-丁烯。

3. 写出丙烯与 HBr 反应的产物:(a) 没有过氧化苯甲酰,(b) 有过氧化苯甲酰。

(a) 马氏加成:H 加到 CH₂ 上,Br 加到中间的 C 上 → CH₃CHBrCH₃(2-溴丙烷)。(b) 过氧化物效应:Br 加到末端的 C 上 → CH₃CH₂CH₂Br(1-溴丙烷)。

4. 某烯烃臭氧化后得到乙醛(CH₃CHO)和丙酮(CH₃COCH₃)。求这个烯烃。

去掉两个 =O,把两个碳用双键连起来:CH₃CH= 和 =C(CH₃)₂ → CH₃–CH=C(CH₃)–CH₃。它是 2-甲基-2-丁烯。

5. 烯烃 C₄H₈ 臭氧化后只得到一种产物,乙醛。写出它的名称。

只有一种产物,说明两半相同:CH₃CH= + =CHCH₃ → CH₃CH=CHCH₃。它是 2-丁烯。

6. 5.6 g 乙烯能与多少摩尔 H₂ 反应?生成多少质量的乙烷?

C₂H₄ 的摩尔质量 = 28 g/mol,所以 5.6 g = 0.2 mol。一个 C=C 加一个 H₂,所以需要 0.2 mol H₂。乙烷 C₂H₆ = 30 g/mol → 0.2 × 30 = 6.0 g。

常见错误

练习测验

1. C=C 双键由什么组成:
2. 下面哪个有几何异构(顺反异构)?
3. 丙烯 + HBr(无过氧化物)主要得到:
4. 哪种试剂能把炔烃变成顺式烯烃?
5. 红棕色的溴水遇到什么会变成无色:

练习:自己动手回答

输入或选择你的答案,然后点“检查”。卡住了就看提示;回答后会显示完整解答。

常见问题

什么是马氏规则?

HX 加到不对称烯烃上时,H 加到氢更多的双键碳上,X 加到氢较少的那个碳上,因为这条路径形成更稳定的碳正离子。

什么是过氧化物效应?

有有机过氧化物时,HBr 通过自由基历程,以违背马氏规则的方式加到不对称烯烃上。它也叫卡拉施效应,只对 HBr 有效。

烯烃为什么有几何异构?

π 键使 C=C 不能旋转。如果双键上的每个碳都有两个不同的基团,这些基团就可以固定在同一侧(顺式)或相反两侧(反式)。

哪里会学到

RomaniaClasa a X-aHydrocarbons
Ukraine10 класHydrocarbons
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CBSE (India)Class 11Hydrocarbons
England (GCSE, A level)Year 123.3 Organic chemistry
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