高中化学鲁科版 (2019)选择性必修3第1章 有机化合物的结构与性质 烃第3节 烃学案设计

第3课时　苯、苯的同系物及其性质

【必备知识·素养奠基】

一、苯及其同系物的组成和结构比较

由苯的结构可知邻二甲苯有几种结构?

提示:一种。苯环中的六个碳碳键完全一样,没有单双键之分,所以邻二甲苯只有一种。

二、苯及其同系物的命名

1.原则:以苯为母体命名。

2.方法

(1)一个取代基

苯分子中的一个氢原子被烷基取代,称为某苯,如甲苯、乙苯。

(2)两个取代基

苯分子中的两个氢原子被烷基取代,取代基的位置可用邻、间、对来表示。如为邻二甲苯,

为间二甲苯,为对二甲苯。

(3)苯分子中的两个或两个以上氢原子被烷基取代,可将苯环上的6个碳原子编号,以某个最简单的取代基所在的碳原子的位置编为1号,并使支链的编号和最小给其他取代基编号,例如:

已知三甲苯有多种,试写出其结构简式,并进行系统命名。

提示:三甲苯有三种,分别是

,名称:1,2,3-三甲苯;

,名称:1,2,4-三甲苯;

,名称:1,3,5-三甲苯。

三、苯及其同系物的物理性质

1.苯是无色,有毒的液体;沸点80 ℃,熔点5.5 ℃,密度比水小;不溶于水,是一种重要的有机溶剂。

2.甲苯、乙苯等苯的同系物在溶解性上与苯相似,毒性比苯稍小。

四、苯及其同系物的化学性质

1.氧化反应

(1)可燃性

苯及其同系物都能燃烧,完全燃烧生成CO2和H2O。

(2)苯的同系物与酸性KMnO4溶液的反应

苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,在苯的同系物中,如果侧链烃基与苯环直接相连的碳原子上有氢原子,侧链烃基就能被酸性高锰酸钾溶液氧化为羧基。

①

②

(1)苯的同系物均能使酸性高锰酸钾溶液褪色。 (　　)

提示:×。与苯环直接相连的碳原子上有氢原子的苯的同系物才能使酸性高锰酸钾溶液褪色。

(2)苯能使溴水褪色,但苯和溴水不反应。 (　　)

提示:√。苯能萃取溴水中的溴而使溴水褪色,但萃取后溶液分层,有机层仍然有颜色。

2.与卤素单质、硝酸、浓硫酸的取代反应

(1)+Br2。

(2)+HNO3。

(3)+H2SO4(浓)。

(4)

+3H2O。

3.与氢气的加成反应

(1)苯:+3H2。

(2)甲苯:。

日用化学洗涤剂正逐步成为当今人们的生活必需品,不管是在公共场所,还是在家庭中,都可以看到洗涤剂的踪迹。十二烷基苯磺酸钠是一种常用的洗涤剂,其结构简式是,它是由十二烷基苯与浓硫酸或三氧化硫磺化,再用碱中和制得。

试写出由十二烷基苯制备十二烷基苯磺酸钠的化学方程式。

提示:十二烷基苯与发烟硫酸发生磺化反应:

+HO—SO3H(浓)

;

十二烷基苯磺酸与碱中和:

+NaOH

H2O。

【关键能力·素养形成】

知识点一　芳香族化合物同分异构体的书写方法

1.侧链有一个取代基:把苯环看作取代基,先写侧链的碳骨架异构,再加官能团。如,先写四个碳的碳骨架,再加苯环,共四种:,。

2.侧链有两个取代基:利用“等效氢”法,“等效氢”就是在有机物分子中处于相同位置的氢原子,等效氢任一原子若被相同取代基取代所得产物都属于同一物质。例如甲苯和乙苯的在苯环上一卤代物的同分异构体分别都有三种(邻、间、对):

3.侧链有三个取代基:采取“定二移一”的方法。

(1)三个相同的取代基

先固定两个取代基,即邻、间、对三种,再加另一个,从第一个开始书写,去掉重复的即可。例如三甲苯的一卤代物的同分异构体的写法与数目的判断,先写出二甲苯三种,再加另一个甲基,共三种。

A中三种,B中两种均和A重复,C中一种也和A中重复,所以共三种。

(2)三个取代基两个相同,一个不同

先固定两个相同的取代基,即邻、间、对三种,再加另一个,从第一个开始书写,去掉重复的即可。

例如二氯一溴苯的种数,第一步先在苯上进行二氯取代,得三种(邻、间、对)二氯苯,然后分别对这三种二氯苯进行一溴取代,共有(2+3+1=6)六种。

。

(3)三个取代基完全不同

方法一样,这时间位和邻位四种位置完全不一样,对位两种,共十种。

　【易错提醒】苯的同系物的同分异构体的书写注意事项

(1)注意判断等效氢原子,防止重复。

(2)注意侧链的同分异构现象,防止遗漏。

(3)书写苯的同系物的同分异构体时,可以采用侧链先整后散、位置由邻到对到间的方法,写完后再命名验证。

　【思考·讨论】

　(1)某液态烃的分子式为C8H10,实验证明它能使酸性高锰酸钾溶液褪色,但不能使溴水褪色。

①该有机物可能的同分异构体的结构简式有哪些?

提示:、、或。由该烃能使酸性高锰酸钾溶液褪色,但不能使溴水褪色,分子式为C8H10,说明它应属于苯的同系物,所以分子中应有1个苯环,支链上有2个碳原子。如果一个支链为乙苯,两个支链为二甲苯,有三种。

②若苯环上的氢原子被溴原子取代,所得一溴代物有3种同分异构体,则该烃的结构简式是什么?

提示:或。苯环上有几类氢原子,取代物就有几种。

(2)二甲苯有三种同分异构体,四甲苯可能有几种?

提示:二甲苯的三种同分异构体分别是两个甲基处于邻、间、对三个位置;将邻、间、对三个位置上的甲基分别替换为氢原子,将H替换为甲基,则得到四甲苯的同分异构体,也为三种。

【典例】分子式为C8H8O2的芳香族化合物能与NaHCO3反应生成CO2,该化合物中连在碳原子上的氢原子被氯原子取代后的一氯代物共有(不含立体异构)              (　　)

A.15种　　　　B.16种　　　　C.17种　　　　D.18种

【解题指南】解答本题需注意以下两点:

(1)含有羧基的C8H8O2的芳香族化合物的同分异构体;

(2)利用等效氢原理确定一氯代物的数量。

【解析】选C。能与NaHCO3反应生成CO2,说明含有羧基,当苯环上有两个取代基时,分别为—CH3、—COOH,可取代的不同氢原子的位置有:

、、;当苯环上只有一个取代基时,可取代的不同氢原子的位置有:,所以该化合物连在碳原子上的氢原子被氯原子取代后的一氯代物共有5+5+3+4=17种,C项正确。

　【规律方法】同分异构体数目的判断方法

(1)记忆法:记住已掌握的常见的异构体数目,例如:

①没有同分异构体的常见有机物:甲烷、乙烷、新戊烷、2,2,3,3-四甲基丁烷、苯、环己烷、C2H2、C2H4等分子的一卤代物只有1种;

②丁烷、戊烷和己烷分别有2、3、5种;

(2)基元法:如丁基有4种,则丁醇、戊醛、戊酸都有4种。

(3)换元法:即有机物A的n溴代物和m溴代物,当m+n等于A中的氢原子数(不含支链)时,则n溴代物和m溴代物的同分异构体数目相等。例如二氯苯(C6H4Cl2)有3种,当二氯苯中的H和Cl互换后,每种二氯苯对应一种四氯苯,故四氯苯也有3种。

(4)等效氢法:即有机物中有几种氢原子,其一元取代物就有几种,这是判断该有机物一元取代物种数的方法之一。等效氢一般判断原则:①同一碳原子上的H是等效的;②同一碳原子上所连甲基上的H是等效的;③处于镜面对称位置上的氢原子是等效的。

　【迁移·应用】

1.分子式为C8H10的芳香烃苯环上的一个氢原子被氯原子取代,其生成物有 (　　)

A.7种　　　　B.8种　　　　C.9种　　　　D.10种

【解析】选C。、、

、,各有机物的对称结构和苯环上的不同化学环境的氢原子数如下图所示:

其苯环上的一氯代物依次有3种、2种、3种、1种,共9种。

2.烷基取代苯,可以被酸性高锰酸钾溶液氧化生成,但若烷基R中直接与苯环连接的碳原子没有C—H键,则不容易被氧化得到。现有分子式是C11H16的烷基取代苯。已知它的同分异构体中可以被氧化成为的共有7种。其中3种是

、、,请写出其他4种的结构简式:

__________________________、________________________、 

__________________________、________________________。 

【解析】继续向右移动—CH3得:

;然后再取两个碳原子分别作为一个乙基和两个甲基分别依次写出同分异构体。

答案:

　美国康奈尔大学的魏考克斯(C·Wilcox)所合成的一种有机分子,就像一尊释迦牟尼佛像,因而称为释迦牟尼分子(所有原子在同一平面上)。

该物质属于苯的同系物吗?它有几种一氯代物?

提示:同系物的概念是指结构上相似,组成上仅相差一个或若干个“CH2”原子团的一系列物质的互称。从图中可看出它有3个苯环结构,不属于苯的同系物;作为对称结构,根据等效氢原理,可以确定该物质的一氯代物为6种,具体位置如图:

知识点二　苯及其同系物性质的比较、各类烃性质的比较

1.苯及其同系物性质的比较

2.各类烃的化学性质比较

【思考·讨论】

　(1)怎样从实验的角度分析苯与液溴发生的是取代反应而不是加成反应?

提示:依据产物的不同进行判断,若是加成反应,生成物中则不存在HBr,若是取代反应,则产物中存在HBr,因此可以用稀硝酸酸化的硝酸银溶液检测。

(2)哪些实验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?

提示:①苯环对侧链的影响,使得苯的某些同系物能使酸性高锰酸钾溶液褪色,而烷烃不能。

②侧链对苯环的影响,甲苯与硝酸反应使得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】(2019·全国卷Ⅰ)关于化合物2-苯基丙烯(),下列说法正确的是 (　　)

A.不能使稀高锰酸钾溶液褪色

B.可以发生加成聚合反应

C.分子中所有原子共平面

D.易溶于水及甲苯

【解题指南】解答本题应注意以下两点:

(1)碳碳双键能发生氧化、加聚反应;

(2)碳碳单键在空间能够旋转。

【解析】选B。化合物2-苯基丙烯中含有苯环和碳碳双键,所以可以使稀高锰酸钾溶液褪色,A不正确;含有碳碳双键可以发生加成聚合反应,B正确;由于碳碳双键和苯环之间是单键且分子中含有甲基,所以所有原子不可能共平面,C不正确;该有机物属于烃,不易溶于水。

　【迁移·应用】

1.下列各组有机化合物既可用酸性KMnO4溶液鉴别又可用溴水鉴别开来的是 (　　)

A.苯、甲苯　　　　　　　　　B.丁烯、二甲苯

C.乙烯、乙烷     D.乙烯、乙炔

【解析】选C。A中溴水不与苯及甲苯反应;B中两种物质都可使酸性KMnO4溶液褪色,而不能鉴别;C中乙烯与酸性KMnO4溶液反应,也可与溴水发生加成反应,两种溶液颜色都会褪去,乙烷与两者都不反应,可以鉴别;D中两者都能使酸性KMnO4溶液或溴水褪色。

2.(2020·临沂高二检测)对于苯乙烯()的下列叙述:①能使酸性KMnO4溶液褪色;②可发生加聚反应;③可溶于水;④可溶于苯;⑤能与浓硝酸发生取代反应;⑥所有的原子可能共平面,其中正确的是              (　　)

A.①②④⑤    B.①②⑤⑥

C.①②④⑤⑥   D.全部

【解析】选C。物质的性质推测可根据其结构特征和物质的相似性来分析解答,苯乙烯分子中含有苯环和碳碳双键,其性质应与苯、乙烯有相似之处,从分子结构看,是两个平面结构的组合,而这两个平面有可能重合,故⑥正确;苯环上可发生取代反应,故⑤正确;碳碳双键可被酸性KMnO4溶液氧化,使酸性KMnO4溶液褪色,也能发生加聚反应,故①②正确;有机物易溶于有机物而不易溶于水,④正确,③错误。

3.(2020·天津等级考)关于的说法正确的是 (　　)

A.分子中有3种杂化轨道类型的碳原子

B.分子中共平面的原子数目最多为14

C.分子中的苯环由单双键交替组成

D.与Cl2发生取代反应生成两种产物

【解析】选A。甲基碳原子为sp3杂化,苯环上碳原子为sp2杂

化,三键碳原子为sp杂化,A项正确;苯环、—C≡CH、甲基碳原子一定共面,甲基上3个氢原子最多只有1个氢原子与苯环、—C≡CH、甲基碳原子共面,故共平面的原子数目最多为15,B项错误;苯环中碳碳键为介于单键和双键之间独特的键,C项错误;与氯气发生取代反应,可以是苯环上碳原子的氢原子发生取代,也可以是甲基上碳原子的氢原子发生取代,可以生成超过两种产物,D项错误。

　【补偿训练】

　　某有机物的结构简式为

,下列说法正确的是 (　　)

A.该有机物使溴水褪色和在催化剂作用下与液溴反应的原理一样

B.该有机物的所有原子都在同一平面内

C.该有机物在一定条件下与浓硝酸发生反应生成的一硝基有机物可能有3种

D.1 mol该有机物在一定条件下最多与4 mol H2发生加成反应

【解析】选D。A项,该有机物分子中含有碳碳双键和苯环,Br2能与碳碳双键发生加成反应,在催化剂作用下苯环上的氢原子被溴原子取代,二者反应原理不一样;B项,苯和乙烯基中所有原子共面,但苯环上的—CH3最多有2个原子与苯环和—CHCH2共面;C项,该有机物与浓硝酸反应生成的一硝基有机物有2种:

、;

D项,该有机物分子中的苯环和碳碳双键均可在一定条件下与H2发生加成反应,1 mol该有机物最多与4 mol H2加成。

【课堂检测·素养达标】

1.有关芳香烃的下列说法正确的是 (　　)

A.具有芳香气味的烃

B.分子里含有苯环的各种有机物的总称

C.苯和苯的同系物的总称

D.分子里含有一个或多个苯环的烃

【解析】选D。分子里含有苯环的各种有机物应为芳香族化合物;苯及苯的同系物属于芳香烃,但芳香烃不一定是苯或苯的同系物,如。

2.苯和甲苯相比较,下列叙述中不正确的是 (　　)

A.都属于芳香烃

B.都能使KMnO4酸性溶液褪色

C.都能在空气中燃烧

D.都能发生取代反应

【解析】选B。苯不能使酸性KMnO4溶液褪色。

3.下列说法不正确的是 (　　)

A.苯和浓硫酸在加热时发生磺化反应

B.芳香烃是分子组成符合CnH2n-6(n≥6)的一类物质

C.甲苯可以和浓硝酸与浓硫酸的混合物发生硝化反应

D.等质量的烃(CxHy)耗氧量取决于的值,越大则耗氧越多

【解析】选B。芳香烃中苯及其同系物的通式为CnH2n-6(n≥6),但是并非分子组成符合CnH2n-6(n≥6)的就是芳香烃。比如含有4个双键的链状烯烃。

4.四联苯的一氯代物有 (　　)

A.3种　　　B.4种　　　C.5种　　　　D.6种

【解析】选C。由图可知,利用对称法判断四联苯有5种等效氢,所以一氯代物有5种。

5.鉴别苯和甲苯的试剂或方法是 (　　)

A.液溴和铁粉　　　　　　B.浓溴水

C.酸性高锰酸钾溶液  D.在空气中点燃

【解析】选C。苯和甲苯的共同性质:①与液溴或硝酸在催化剂作用下发生取代反应;②在空气中燃烧且现象相似;③与H2能发生加成反应。不同点:甲苯能被酸性KMnO4溶液氧化,而苯不能。

6.某同学要以“研究苯分子的结构”为题目做一次探究活动,下面是其活动记录,请你补全所缺内容。

(1)理论推测:他根据苯的凯库勒式__________,推测苯分子中有两种不同的碳碳键,即__________和__________,因此它可以使紫色的__________溶液褪色。 

(2)实验验证:他取少量的上述溶液加入试管中,然后加入苯,充分振荡,发现______________________________________________________________。 

(3)实验结论:上述理论推测是__________(填“正确”或“错误”)的。 

(4)查询资料:经查阅有关资料,发现苯分子中六个碳原子间的键__________(填“相同”或“不同”),是一种特殊的化学键,苯分子中的六个碳原子和六个氢原子__________(填“在”或“不在”)同一个平面上,应该用__________表示苯分子的结构更合理。 

(5)发现问题:当他将苯加入溴水中时,充分振荡,发现能使溴水褪色,于是该同学认为所查资料有误,你同意他的结论吗?请说明理由。__________________________。 

【解析】由于苯的凯库勒式为,看似分子内存在和,但实际苯分子内不存在简单的和,因此苯不能与酸性KMnO4溶液反应。

答案:(1)　　　酸性KMnO4

(2)溶液分层,且紫色不褪去　(3)错误

(4)相同　在　

(5)不同意。由于苯是一种有机溶剂且不溶于水,而溴单质在苯中的溶解度比其在水中的溶解度大得多,故将苯与溴水混合振荡后,苯将溴单质从其水溶液中萃取出来,从而使溴水褪色,与此同时,苯中因溶有溴而使其颜色加深