有机化学/烯烃/环烯烃
环烯烃(有时也称为环烯烃)是一种含有闭环碳原子链的烯烃烃。前缀环-来自古希腊语,在这种情况下表示圆形。每当碳链的两端连接在一起时,该分子就被称为环状,烯烃在这方面与其他碳链没有什么不同。
环烯烃也许是生物和工业用途最重要的有机物质之一,因为它们用于生产对广泛应用至关重要的分子。了解环烯烃是理解有机化学及其在生物学、医学、工业和所有其他相关领域的应用的关键部分。
如上所述,环烯烃仅仅是碳分子链,其中至少有两个碳原子之间存在一个双键,并且两个末端连接在一起形成某种环状结构。所涉及的碳原子数和共享的双键数会影响分子的稳定性和其他性质,但这些因素不会影响环烯烃的定义。
如果一位有机化学家知道一个分子的经验式,并且还知道它是一个环状分子,那么她就可以从这些信息中推导出该分子的形状。她使用不饱和度的概念来做到这一点。正如你从关于烷烃的章节中所知,饱和的烃链是指在碳原子之间只有单键且附着足够的氢原子以使每个碳原子总共具有四个分子键。如果存在四个碳原子,那么使用下面的饱和公式,我们可以计算出将附着十个氢原子。
- nC * 2 + 2 = nH
其中nC等于碳原子数,nH等于氢原子数。
但是如果我们给出的经验式没有显示出每四个碳原子有十个氢原子呢?如果它只显示了八个?你可能会猜到存在错误,但更有可能的是,该分子具有一个不饱和度,其中要么形成了双键(如在烯烃中),要么分子是环状的(其中两个末端连接在一起形成环)。用于计算烯烃中双键数和用于考虑环状结构的公式如下
- 烯烃 (nC * 2 + 2) - (2 * nDBL) = nH
- 环烯烃 (nC * 2 + 2) - (2 * nDBL) - 2 = nH
其中nC等于碳原子数,nH等于氢原子数,nDBL等于双键数。对于环烯烃,等于号之前的- 2表示在碳链从头到尾连接以形成环时,两个氢原子被取代的事实。
环烯烃的键数略少于等效的直链烯烃,这意味着它们具有较低的内能。由于环的存在,额外的的不饱和度意味着分子上少两个氢原子,这就是为什么环烯烃中的键数少于直链烯烃的原因。
在宏观尺度上,环烯烃在标准温度和压力下最常见于液体状态。这是因为形成环状结构需要一定数量的碳原子,这意味着这些分子通常太重而无法在 STP 下呈气态。同样,碳原子过多会导致环过大,因此环烯烃在 STP 下也极少呈固态。
根据分子可能具有的官能团和侧链,一些环烯烃可以在 STP 下聚合,从而形成固体物质,但这应该被认为是上述一般性的合理例外。
烯烃根据定义包含双键,如果双键是共轭的,则环烯烃会受益于增强的稳定性。环己烯就是这样一个例子,如果它总共包含三个双键,它就不再被称为环己烯。一个包含三个交替(因此是共轭的)双键的六碳环被称为苯,苯是一个如此稳定的分子,它表现出与其他非芳香环烯烃完全不同的化学性质。
苯是有机化学研究中的一个关键分子。它是一种在 STP 下无色易燃的致癌液体,具有令人愉悦的甜味。
苯存在一个特殊的问题,即为了解释所有键,必须存在交替的双碳键。使用 X 射线衍射,20 世纪初的研究人员发现苯中的所有碳-碳键长度相同,但当时众所周知,单键应该比双键长。在苯中,两个键合原子之间的距离大于双键的长度,但小于单键的长度。似乎每个碳之间都有一个半键!
如今,这个事实可以通过电子离域的概念来解释。从本质上讲,电子不会被一个碳原子或另一个碳原子牢牢地束缚,而是它们会在一定程度上“分散”开来,就像奶油芝士在百吉饼边缘周围一样。这种情况的实际物理情况比早餐食物类比所能描述的要复杂得多,但基本概念是一样的。苯环的电子(以及因此的电负性)均匀地分布在整个分子周围。
这种电子离域赋予苯许多有趣且有用的特性,你将在后面的章节中看到。当然,苯不是有机化学中唯一具有“分散”电子的分子;电子密度的离域在讨论其他分子时也很有用,这些分子被称为芳香族化合物。
芳香性是一种化学性质,其中不饱和键、孤对电子或空电子轨道的共轭环表现出比其他因素单独预期更强的稳定性。芳香性也可以被认为是共振的一种表现形式,因为芳香族分子的多种可能的构象有助于其稳定性。
芳香族化合物包含一组具有非常具体特征的共价键合原子,即:离域共轭π体系、共平面结构、排列在一个或多个环中的原子,以及π离域电子的数量是偶数但不是四的倍数。
芳香族结构中允许的π电子数通常是不可被四整除的偶数,包括 6、10、14 等等。芳香性最常使用休克尔规则来估计
- 当π电子数等于 4n + 2 时,一个环状环状分子应该是芳香族的,其中 n 是任何正整数或零。
但在近几十年来,人们发现了这条规则的例外情况。
芳香族分子在有机反应中表现出特殊的反应性 - 例如亲电芳香取代和亲核芳香取代 - 这可以用来将它们与其他环烯烃区分开来。
苯是一种重要的工业溶剂,也是工业生产多种药物、塑料、合成橡胶和染料的前体。它在大多数具有商业价值的有机化合物中都有应用,因为它非常通用并且具有许多理想的化学性质。它也被用作某些有机化学实验室实验中的溶剂,但由于其致癌性,在使用时应格外小心。
苯可以在原油中自然存在,但如今它也经常由其他化合物合成,而这些化合物可以在未精炼的石油中找到。苯的另一个来源是苯甲酸和其他一些生物化合物,但苯的第一个工业来源是煤焦油的蒸馏。