HSC 化学:饱和烃的卤素取代反应

学习饱和烃如何透过取代反应与氯和溴反应,包括所需的紫外线条件、配平方程式、产物预测,以及 HSC 类型的例题解析。

一瓶氯气和一瓶甲烷即使一起放在黑暗中,也几乎不会发生任何反应。然而,只要用紫外线照射混合物,甲烷便会开始转变成氯甲烷。奇怪的是,甲烷并没有可以打开的双键。那么,氯究竟去了哪里?

在继续阅读之前,先预测一下产物。氯是以额外的原子形式接到甲烷上,还是原本连接在碳上的某个原子必须先离开?

甲烷中的碳已经形成四个键,因此不能直接再接上一个氯,成为第五个键结对象。相反地,一个氢原子会被氯取代。这种取代正是饱和烃卤素取代反应的核心概念。

01实际上被取代的是甚么?

以甲烷 \(\ce{CH4}\) 为例。每一个碳-氢键都把碳原子与一个氢原子连接起来。

在紫外线照射下,甲烷可以与氯气反应:

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

其中一个 \(\ce{C-H}\) 键实际上被一个 \(\ce{C-Cl}\) 键取代。碳骨架并没有增加另一个碳原子,而且反应中也没有涉及碳-碳多重键。

这是一个取代反应,因为原本连接在碳上的一个原子被另一个原子取代。

反应图显示甲烷与氯气在紫外线照射下生成氯甲烷和氯化氢,其中甲烷的一个氢被氯取代。
在紫外线照射下,氯取代甲烷中的一个氢;被移走的氢与另一个氯原子形成 HCl。

用一个稍微有点滑稽的方式来想像整体变化,可以把它看成约会节目中的重新配对。碳已经有四个「伴侣」,所以氯不能直接加入成为第五个。相反地,一个氢被氯取代,而被移走的氢最后形成氯化氢。

但这个比喻到此为止。分子并不是透过一步骤「决定」交换伴侣。真正的反应会经过具有高反应性的自由基物种。对于要求写出方程式和反应条件的 HSC 题目而言,重要的是掌握上面所示的整体取代变化。

02你需要辨认的反应模式

当饱和烃与氯气或溴反应时,HSC 中常见的反应模式为:

\[ \ce{R-H + X2 ->[UV] R-X + H-X} \]

其中:

  • \(\ce{R-H}\) 代表含有将被取代之氢原子的饱和烃
  • \(\ce{X2}\) 代表卤素分子,通常是 \(\ce{Cl2}\) 或 \(\ce{Br2}\)
  • \(\ce{R-X}\) 是卤代烷产物
  • \(\ce{H-X}\) 是副产物卤化氢
  • UV 代表紫外线照射

对于分子式为 \(\ce{C_{n}H_{2n+2}}\) 的烷烃,一次取代可表示为:

\[ \ce{C_{n}H_{2n+2} + X2 ->[UV] C_{n}H_{2n+1}X + HX} \]

这个方程式描述的是单取代:恰好只有一个氢原子被取代。

例如:

\[ \ce{C2H6 + Br2 ->[UV] C2H5Br + HBr} \]

乙烷变成溴乙烷,同时也会生成溴化氢。

03为甚么需要紫外线照射?

学生可能会合理地想:「既然氯的反应性很高,为甚么它不立即攻击烷烃?」

问题在于如何启动反应。\(\ce{Cl-Cl}\) 或 \(\ce{Br-Br}\) 键必须先断裂,产生反应性很高的自由基物种。紫外线提供能量,可以启动这个过程。

如果题目只是要求写出方程式和反应条件,通常不需要完整写出自由基反应机理。考试中最重要的反应条件是:

紫外线照射,通常也写作 UV 光。

阳光也可以启动反应,因为阳光含有紫外线。如果 HSC 题目要求写出标准反应条件,写「紫外线照射」是最清楚的答案。

UV 并不是化学催化剂。催化剂是一种参与反应途径并在过程中重新生成的物质。紫外线则是为启动反应而提供的能量。

04氯和溴是 HSC 中最重要的例子

你通常会遇到涉及氯或溴的取代反应。

卤素典型的烷烃反应HSC 实用重点
\(\ce{Cl2}\)氯化反应在紫外线照射下发生
\(\ce{Br2}\)溴化反应在紫外线照射下发生
\(\ce{F2}\)氟化反应反应性极高,而且难以控制
\(\ce{I2}\)碘化反应在一般烷烃卤化条件下通常不利于反应进行

因此,虽然氟、氯、溴和碘全部都是卤素,但不应假设它们的反应行为完全相同。

对一般 HSC 取代反应方程式而言,最常预期的反应物是氯和溴。

05写取代反应方程式的方法

当你看到饱和烃与氯气或溴反应时,可以依照以下步骤处理。

  1. 确认该烃是饱和烃。
  2. 选择一个要被取代的氢原子。
  3. 在该位置接上卤素原子。
  4. 将被移走的氢写入 \(\ce{HCl}\) 或 \(\ce{HBr}\)。
  5. 检查方程式是否配平,从而把第二个卤素原子也计算在内。
  6. 把紫外线照射写成反应条件。
  7. 检查不同的氢原子位置是否可能产生不同的构造异构物。

当烃分子比乙烷更大时,最后一步便会变得很重要。

例题:甲烷与氯气反应

写出甲烷与氯气之间发生单取代反应的方程式,并包括反应条件。

步骤 1

甲烷是 \(\ce{CH4}\)。其中一个氢原子会被氯取代。

因此,有机产物是氯甲烷 \(\ce{CH3Cl}\)。

步骤 2

从甲烷移走的氢会形成氯化氢 \(\ce{HCl}\)。

步骤 3

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

方程式两侧各有一个碳原子、四个氢原子和两个氯原子。

步骤 4

甲烷中的一个 \(\ce{C-H}\) 键被一个 \(\ce{C-Cl}\) 键取代。需要紫外线照射来启动这个取代反应。

一个常见错误是只把 \(\ce{CH3Cl}\) 写成产物。这样会少掉一个氢原子和一个氯原子。缺少的原子应存在于 \(\ce{HCl}\) 中。

06较大的烷烃可以产生多于一种产物

现在考虑丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3} \]

八个氢原子是否全都等效?

不是。它们存在于两种不同的环境中。

任何一端碳原子上的氢都属于同一种环境。中间碳原子上的氢则属于另一种环境。

以溴取代末端的氢会产生 1-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2CH2Br + HBr} \]

以溴取代中间碳原子上的氢会产生 2-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CHBrCH3 + HBr} \]

这两个方程式都是有效的单取代反应。

这是对简单思考模型的一项重要补充。「取代一个氢」这个概念很有用,但并不总能指定唯一的产物。你必须判断:在不同碳原子位置取代氢,是否会产生不同的分子。

例题:预测丙烷溴化的产物

丙烷在紫外线照射下与溴反应。写出恰好取代一个氢原子时所形成的所有不同构造产物的反应方程式。

步骤 1

丙烷是:

\[ \ce{CH3CH2CH3} \]

两端的碳原子彼此等效。中间的碳原子则不同。

步骤 2

这会得到 1-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2CH2Br + HBr} \]

取代另一端的一个氢会得到相同的化合物,只是从相反方向画出而已。

步骤 3

这会得到 2-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CHBrCH3 + HBr} \]

步骤 4

会形成两种不同的单取代构造产物,因为丙烷含有两种不同的氢原子环境。

一个很容易犯的错误是把左端和右端分开计算,因而预测有三种产物。它们并不是不同的分子。把丙烷的结构旋转后便可看出,两个末端位置是等效的。

07取代反应不是加成反应

卤素也会与不饱和烃反应,但反应类型不同。

假设溴与乙烯反应。乙烯含有碳-碳双键。溴可以跨越这个双键进行加成,而不是取代氢。

这个反应是加成反应:

\[ \ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2BrCH2Br} \]

注意其中的差异:没有形成 \(\ce{HBr}\) 产物。

对于乙烷这类烷烃,溴则会在紫外线照射下发生取代反应:

\[ \ce{CH3CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2Br + HBr} \]

因此,一个实用的判断规则是:

起始分子卤素会发生甚么变化?反应类型
烷烃一个 H 被卤素取代取代反应
烯烃卤素原子跨越 \(\ce{C=C}\) 加成加成反应

如果你正在处理碳-碳双键,相关的不饱和烃加成反应会遵循不同的反应模式。

不要死记「溴就代表加成反应」。溴可以参与这两种反应中的任何一种。烃的结构和反应条件才决定实际会发生甚么反应。

08一次取代并不一定代表反应会停止

考虑由甲烷形成的氯甲烷 \(\ce{CH3Cl}\)。

它仍然含有三个氢原子。在有氯气存在并持续接受紫外线照射时,另一个氢还可以再被取代:

\[ \ce{CH3Cl + Cl2 ->[UV] CH2Cl2 + HCl} \]

二氯甲烷可以再次反应:

\[ \ce{CH2Cl2 + Cl2 ->[UV] CHCl3 + HCl} \]

而氯甲烷的取代最终可以继续进行,直至形成四氯化碳:

\[ \ce{CHCl3 + Cl2 ->[UV] CCl4 + HCl} \]

这说明了一个简单方程式的重要限制,例如

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

这个方程式正确描述了一个取代步骤,但并不能证明真实的反应混合物中只有氯甲烷。

如果题目明确指出「单取代」,就假设只有一个氢被取代。如果题目描述长时间卤化或卤素过量,便可能需要考虑进一步取代。

09如何检查你的方程式

在继续之前,检查四件事。

第一,碳骨架是否仍然保留?在取代反应中,通常会保持相同的碳原子排列。

第二,每加入一个卤素原子,有机分子中是否相应少了一个氢?

第三,你是否形成了正确的卤化氢,例如 \(\ce{HCl}\) 或 \(\ce{HBr}\)?

第四,如果反应是烷烃卤化,你是否写出了紫外线照射这个条件?

例如,以下方程式是错误的:

\[ \ce{C2H6 + Br2 -> C2H5Br} \]

原子数目没有配平。一个氢原子和一个溴原子凭空消失了。

正确的方程式是:

\[ \ce{C2H6 + Br2 ->[UV] C2H5Br + HBr} \]

10问题与解答

问题 1

乙烷与氯气反应,透过单取代形成氯乙烷。

写出此反应的配平化学方程式,并指出所需的反应条件。

解答 1

反应为:

\[ \ce{C2H6 + Cl2 ->[UV] C2H5Cl + HCl} \]

所需条件是紫外线照射。

乙烷中的一个氢原子被一个氯原子取代。被移走的氢与剩余的氯原子结合,形成氯化氢。

一个很容易犯的错误是只把氯乙烷写成产物。这样的方程式不能守恒氢原子和氯原子的数目。取代反应会同时生成卤代烷和卤化氢。

问题 2

丙烷在紫外线照射下与溴反应。

如果恰好只有一个氢原子被取代,写出所有可能形成之不同构造产物的反应方程式。并解释为甚么产物数目少于丙烷中的氢原子数目。

解答 2

可以形成两种不同的构造产物:1-溴丙烷和 2-溴丙烷。

在末端碳原子发生取代时:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2CH2Br + HBr} \]

在中间碳原子发生取代时:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CHBrCH3 + HBr} \]

丙烷有八个氢原子,但由于分子的对称性,其中有多个氢原子在化学上是等效的。

两个末端碳原子上的氢会形成相同的构造产物,即 1-溴丙烷。中间碳原子上的氢则会形成 2-溴丙烷。

一个很容易想到但错误的方法,是把每一个氢原子的位置分开计算。这样会重复计算产物。真正重要的不是氢原子的数量,而是不同碳原子环境的数量,也就是在该位置发生取代时,是否会形成结构不同的分子。

问题 3

一个反应混合物含有 \(0.120\ \mathrm{mol}\) 的乙烷和 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯气。混合物接受紫外线照射。

假设只会按照以下方程式发生单取代:

\[ \ce{C2H6 + Cl2 -> C2H5Cl + HCl} \]

求:

a. 限量反应物
b. 最多可形成多少摩尔的氯乙烷
c. 形成多少摩尔的氯化氢
d. 剩余乙烷的物质的量

解答 3

氯气是限量反应物,可形成 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯乙烷和 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯化氢,并剩余 \(0.0350\ \mathrm{mol}\) 的乙烷。

配平后的方程式为:

\[ \ce{C2H6 + Cl2 ->[UV] C2H5Cl + HCl} \]

摩尔比为:

\[ \ce{C2H6 : Cl2 : C2H5Cl : HCl} = 1:1:1:1 \]

对于 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯气,所需乙烷的物质的量为:

\[ n(\ce{C2H6}) = 0.0850\ \mathrm{mol} \]

现有 \(0.120\ \mathrm{mol}\) 的乙烷,因此氯气会先耗尽。

所以:

\[ n(\ce{C2H5Cl}) = 0.0850\ \mathrm{mol} \]

以及

\[ n(\ce{HCl}) = 0.0850\ \mathrm{mol} \]

剩余乙烷为:

\[ \begin{aligned} n(\ce{C2H6},\ \text{剩余}) &=0.120-0.0850\\ &=0.0350\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

一个很容易犯的错误,是因为乙烷是被取代的烃,所以直接用最初的 \(0.120\ \mathrm{mol}\) 乙烷来计算产物。实际上,产物的形成量受最先耗尽的反应物所限制。

这项计算也高度依赖「只发生单取代」这个条件。如果允许进一步取代,那么起始乙烷分子与消耗的总氯气之间简单的 \(1:1\) 关系便不能再描述整个反应混合物。

问题 4

一个密封容器最初含有 \(0.100\ \mathrm{mol}\) 的甲烷和 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 的氯气。容器接受紫外线照射足够长的时间,因此可能发生重复取代。

一名学生认为:

甲烷是限量反应物,所以形成的 HCl 不可能超过 \(0.100\ \mathrm{mol}\)。

这名学生是否正确?假设每一个发生反应的氯气分子都会造成一次取代,且没有其他反应,求由上述物质的量最多可形成多少 HCl。

根据所提供的资料,最终混合物中氯甲烷 \(\ce{CH3Cl}\) 的物质的量能否被唯一确定?

解答 4

这名学生不正确。最多可以形成 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 的 HCl,但最终 \(\ce{CH3Cl}\) 的物质的量无法唯一确定。

每一次取代都会消耗一个 \(\ce{Cl2}\) 分子,并形成一个 \(\ce{HCl}\) 分子。

第一次取代为:

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

但氯甲烷还可以进行另一次取代:

\[ \ce{CH3Cl + Cl2 ->[UV] CH2Cl2 + HCl} \]

进一步的取代可以继续形成 \(\ce{CHCl3}\),最终甚至形成 \(\ce{CCl4}\)。

由于有 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 的氯气可供反应,最多可发生 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 次取代。因此:

\[ n(\ce{HCl})_{\text{最大}}=0.250\ \mathrm{mol} \]

可供取代的氢原子数量足够。每个甲烷分子含有四个可被取代的氢原子,因此 \(0.100\ \mathrm{mol}\) 的甲烷最初含有:

\[ 4(0.100)=0.400\ \mathrm{mol} \]

个连接在碳上的氢原子。实际上只需要进行 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 次取代。

然而,题目资料没有告诉我们这 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 次取代是如何分布在由甲烷衍生而来的各个分子之间。有些分子可能只被取代一次,另一些则可能被取代两次、三次或四次。

一个很容易采用的错误方法,是把整个过程当作只有第一条反应方程式存在。这样会把 HCl 的产量上限错误地限制在 \(0.100\ \mathrm{mol}\)。关键限制在于,第一次取代的产物仍然含有 \(\ce{C-H}\) 键,所以它可以再次反应。

在这个情况下,化学计量可以决定取代事件总数的最大值,但不能决定完整的产物分布。

问题 5

一名化学家用紫外线照射 \(0.0500\ \mathrm{mol}\) 的丁烷,并使用过量氯气。反应后,所有原本的丁烷都已经反应。

分析显示:

  • 有机产物只含有经一次或两次氯取代形成的分子
  • 没有任何有机分子发生三次或四次取代
  • 恰好生成了 \(0.0750\ \mathrm{mol}\) 的 HCl

求一氯取代有机产物和二氯取代有机产物的总物质的量。

然后判断这些测量结果是否足以确定有机混合物的确切结构组成。解释你的推理。

解答 5

混合物含有 \(0.0250\ \mathrm{mol}\) 的一氯取代产物和 \(0.0250\ \mathrm{mol}\) 的二氯取代产物,但这些测量结果不足以确定其确切结构组成。

令:

  • \(x\) 为所有由丁烷衍生的一氯取代分子的总物质的量,单位为 mol
  • \(y\) 为所有由丁烷衍生的二氯取代分子的总物质的量,单位为 mol

每一个原本的丁烷分子都变成了一个有机产物分子。由于全部 \(0.0500\ \mathrm{mol}\) 的丁烷都已反应:

\[ x+y=0.0500 \]

一个一氯取代分子需要发生一次取代,因此会产生一个 \(\ce{HCl}\)。

一个二氯取代分子需要发生两次取代,因此会产生两个 \(\ce{HCl}\)。

所以,测得的氯化氢物质的量给出:

\[ x+2y=0.0750 \]

用第二条方程式减去第一条:

\[ \begin{aligned} x+2y-(x+y)&=0.0750-0.0500\\ y&=0.0250\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

因此:

\[ \begin{aligned} x&=0.0500-0.0250\\ &=0.0250\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

所以总物质的量为:

\[ n(\text{一氯取代产物})=0.0250\ \mathrm{mol} \]

\[ n(\text{二氯取代产物})=0.0250\ \mathrm{mol} \]

然而,这并不能确定混合物中各个分子的具体结构。

丁烷中的氢原子位于不同的碳原子环境。即使只是单取代,也能产生不同的构造产物,包括 1-氯丁烷和 2-氯丁烷。二氯取代则会有更多可能性,取决于哪两个氢被取代。

一个很容易得出的错误结论是:只要知道加入了多少个氯原子,就应该能知道形成了哪些分子。事实并非如此。HCl 的测量结果告诉我们总共发生了多少次取代,而分子的结构身分则取决于这些取代发生在哪些位置。

这项区别正是关键所在:反应的化学计量可以揭示取代程度,但不能唯一揭示分子结构。

一旦你能够把这两个概念分开–发生了多少次取代,以及取代发生在甚么位置–你便已准备好利用结构式和异构现象,预测取代反应可能形成的各种卤代烷。