不饱和烃的加成反应详解
学习如何预测并建立烯烃和炔烃与氢、卤素、卤化氢及水进行加成反应的模型。内容包括完整例题、常见误解及具挑战性的 HSC 类型题目。
两个烧瓶中都装有无色烃。其中一个装有己烷,另一个装有 1-己烯。在黑暗中分别加入溴,1-己烯会迅速使溴的颜色消失,而己烷则不会。
先别急著记反应名称,先预测 1-己烯中的 \(\ce{C=C}\) 键会发生甚么变化。碳链会断成两截吗?
不会。两个碳原子仍然连接在一起。相反,双键的一部分会被两条与新加入原子形成的键取代。这一个基本概念就能解释氢化、卤化、氢卤化和水合反应。
01加成反应背后的模型
碳通常形成四条共价键。在烯烃中,两个碳原子由双键连接:
\[ \ce{C=C} \]
碳-碳双键包含一条强的 \(\sigma\) 键,以及一条较弱、较暴露的 \(\pi\) 键。在加成反应中,\(\pi\) 键会被消耗,而连接两个碳原子的 \(\sigma\) 键仍然保留。
结果很简单:
\[ \ce{C=C -> C-C} \]
原本形成双键的两个碳现在各自都有位置形成一条新键。
一个有点滑稽的比喻会很有帮助。想像两个碳原子是一对用两双手互相牵著的伴侣。加成反应发生时,它们并不会分开。它们松开其中一双手,仍用另一双手互相牵著,而各自空出来的一只手则抓住进入反应物的一部分。
这个比喻有助于想像键的数目,但它并不是字面上的反应机理。化学键是共享的电子密度,不是真的手,而且不同试剂会透过不同的微观步骤发生反应。

由此可以得到一套可靠的分子模型建构方法。
- 找出 \(\ce{C=C}\) 或 \(\ce{C#C}\)。
- 保持碳骨架不变。
- 将多重键的键级降低一级:\(\ce{C=C}\) 变成 \(\ce{C-C}\),或 \(\ce{C#C}\) 变成 \(\ce{C=C}\)。
- 将试剂的一部分分别接到这两个碳上。
- 检查每个碳现在是否都有四条键。
第三步尤其重要。学生有时看到双键消失,就会不小心把两个碳原子分开。碳-碳 \(\sigma\) 键其实仍然存在。
02四种试剂,一个基本模式
对烯烃而言,四种加成反应可以整理如下。
| 试剂 | 跨越 \(\ce{C=C}\) 加入的是甚么? | 主要产物类型 | 重要条件或概念 |
|---|---|---|---|
| \(\ce{H2}\) | H 和 H | 烷烃 | Ni、Pd 或 Pt 催化剂 |
| \(\ce{X2}\) | X 和 X | 二卤代烷 | \(X\) 通常是 Cl 或 Br |
| \(\ce{HX}\) | H 和 X | 卤代烷 | 对不对称烯烃而言,位置可能很重要 |
| \(\ce{H2O}\) | H 和 OH | 醇 | 酸催化剂 |
重点不是死记四条互不相关的方程式,而是看清楚甚么会接到原本形成双键的两个碳上。
03氢化:加入 \(\ce{H2}\)
假设乙烯与氢气反应。
去除 \(\pi\) 键后,乙烯中的每个碳都需要多形成一条键。\(\ce{H2}\) 分子会向每个碳提供一个 H 原子。
\[ \ce{CH2=CH2 + H2 ->[Ni] CH3-CH3} \]
乙烯变成乙烷。
这个反应称为氢化。通常需要镍、钯或铂等金属催化剂。
这里没有位置选择的问题。加入的两个原子都是氢,因此即使互换位置也没有差别。
同样的推理适用于任何烯烃:
\[ \text{烯烃} + \ce{H2} \rightarrow \text{烷烃} \]
因此,氢化会从分子中移除一个碳-碳双键。
04卤化:加入 \(\ce{X2}\)
现在把 \(\ce{H2}\) 换成 \(\ce{Br2}\) 之类的卤素分子。
两个原本形成双键的碳,各自接上一个 Br 原子:
\[ \ce{CH2=CH2 + Br2 -> BrCH2-CH2Br} \]
产物是 1,2-二溴乙烷。
两个溴原子位于相邻的碳上,因为这两个碳正是原本形成双键的碳。
丙烯也遵循相同模式:
\[ \ce{CH3-CH=CH2 + Br2 -> CH3-CHBr-CH2Br} \]
产物是 1,2-二溴丙烷。
同样地,这里没有选择哪一端接试剂哪一部分的问题,因为加入的两个原子完全相同。
这个反应也解释了为甚么溴可用来检验不饱和性。烯烃可以透过在 \(\ce{C=C}\) 键上进行加成来消耗溴,因此溴的颜色会消失。在标准的 HSC 烃类比较中,如果反应条件不会发生取代反应,这可用来区分不饱和烃和烷烃。
不过,不要夸大这项测试的能力。使溴褪色表示存在某种能与溴反应的物质。单靠这项测试,不能确定它究竟是哪一种烃。
05氢卤化:加入 \(\ce{HX}\)
卤化氢的通式是 \(\ce{HX}\),其中 \(X\) 是卤素。例如 \(\ce{HCl}\) 和 \(\ce{HBr}\)。
对乙烯而言,产物很容易预测,因为两个碳是等效的:
\[ \ce{CH2=CH2 + HBr -> CH3-CH2Br} \]
一个碳接上 H,另一个接上 Br。
较有趣的是像丙烯这样的不对称烯烃:
\[ \ce{CH3-CH=CH2} \]
这时,形成双键的两个碳并不相同。如果 H 接到其中一个碳,Br 就会接到另一个碳。若把位置反过来,就会得到不同的结构产物。
那么应该预测哪一种产物?
在这些反应所采用的标准条件下,主要产物遵循马可夫尼可夫规则:
当 \(\ce{HX}\) 加成到不对称烯烃时,H 会优先接到原本已带有较多 H 原子的双键碳上。卤素则接到另一个碳上。
你也可以把它理解为:卤素倾向最后接到取代程度较高的碳上,也就是原本已连接较多碳基团的双键碳。
这是一条预测主要产物的规则,并不是说另一种加成方向在物理上完全不可能。
范例:HBr 加成到 1-丁烯
1-丁烯与 \(\ce{HBr}\) 反应。预测主要有机产物,并写出结构方程式。
步骤 1:找出双键。
1-丁烯可写成:
\[ \ce{CH2=CH-CH2-CH3} \]
参与反应的是 C1 和 C2。
步骤 2:判断加入的是甚么。
\(\ce{HBr}\) 提供 H 和 Br。两个双键碳各自接上一个。
步骤 3:比较这两个碳原本已连接的 H 原子数目。
C1 是 \(\ce{CH2}\),所以带有两个 H 原子。
C2 是 \(\ce{CH}\),所以带有一个 H 原子。
依照马可夫尼可夫加成,进入反应的 H 会接到原本已有较多 H 原子的 C1。因此 Br 会接到 C2。
步骤 4:把双键换成单键,并加入新原子。
\[ \ce{CH2=CH-CH2-CH3 + HBr -> CH3-CHBr-CH2-CH3} \]
步骤 5:命名并解读产物。
主要产物是 2-溴丁烷。
很容易让人选错的答案是 1-溴丁烷。这个结构确实保存了所有原子,因此看起来完全合理。缺少的关键是方向性:当不对称烯烃与 \(\ce{HBr}\) 这类不对称试剂反应时,两种可能的加成方向一般不会产生相同的比例。
06水合:加入水
水合反应把水的组成部分加到碳-碳双键两侧。
不要想像一个完整的 \(\ce{H2O}\) 分子直接黏到其中一个碳上。预测产物时,把净加成视为:
- H 加到一个碳
- OH 加到另一个碳
以乙烯为例:
\[ \ce{CH2=CH2 + H2O ->[H^+] CH3-CH2OH} \]
产物是乙醇。
\(\mathrm{H}^{+}\) 表示酸催化。催化剂有助提供可行的反应途径,但之后会再生,而不是像反应物一样被消耗掉。
对不对称烯烃而言,位置再次变得重要。在一般的酸催化水合条件下,主要产物遵循与马可夫尼可夫加成相同的方向模式:H 会优先加到原本已带有较多 H 原子的双键碳上,而 OH 则加到取代程度较高的碳上。
范例:2-甲基丙烯的水合
2-甲基丙烯在酸催化条件下与水反应。预测主要的醇类产物。
步骤 1:清楚写出碳骨架。
\[ \ce{CH2=C(CH3)2} \]
其中一个双键碳是 \(\ce{CH2}\)。另一个则连接两个 \(\ce{CH3}\) 基团,而且没有氢原子。
步骤 2:把净加成拆成 H 和 OH。
水合会把 H 加到其中一个双键碳,把 OH 加到另一个。
步骤 3:套用方向规则。
\(\ce{CH2}\) 碳原本已有较多 H 原子,因此它会接上新加入的 H。
所以 OH 基团会接到取代程度较高的碳上。
步骤 4:把 \(\ce{C=C}\) 降为 \(\ce{C-C}\),并完成新键。
\[ \ce{CH2=C(CH3)2 + H2O ->[H^+] (CH3)3COH} \]
步骤 5:命名并检查产物。
主要产物是 2-甲基-2-丙醇。
检查碳骨架。没有任何碳原子凭空出现或消失。改变的只有键级,以及新接上的 H/OH 基团。
常见错误是把 OH 放在末端碳上,因为像乙醇这类醇的名称可能令人觉得末端 OH 比较熟悉。OH 的位置取决于起始烯烃和所发生的反应,而不是哪一种醇看起来比较简单。
07甚么时候方向性才真正重要?
你不需要在每一个加成反应中都使用马可夫尼可夫规则。
问两个问题。
第一:加入的两部分是否不同?
- \(\ce{H2}\):否
- \(\ce{Br2}\) 或 \(\ce{Cl2}\):否
- \(\ce{HBr}\) 或 \(\ce{HCl}\):是
- \(\ce{H2O}\),若视为 H 和 OH:是
第二:两个烯烃碳是否不同?
如果试剂或两个烯烃碳中的任何一方具有对称性,把加成位置反过来都不会形成不同的结构异构产物。
例如,2-丁烯在双键两侧是对称的:
\[ \ce{CH3-CH=CH-CH3} \]
加入 \(\ce{HBr}\) 时,不论先把哪一个双键碳标作第一个,都会得到相同的结构产物:
\[ \ce{CH3-CH=CH-CH3 + HBr -> CH3-CHBr-CH2-CH3} \]
因此,这里没有实际需要作出的马可夫尼可夫方向判断。
08炔烃有甚么不同?
炔烃含有碳-碳三键:
\[ \ce{C#C} \]
三键包含一条 \(\sigma\) 键和两条 \(\pi\) 键。这令它与烯烃之间出现一项重要差异。
烯烃有一条 \(\pi\) 键可进行加成。
炔烃则有两条。
因此,对 \(\ce{H2}\)、\(\ce{X2}\) 和 \(\ce{HX}\) 等试剂而言,如果提供足够试剂,炔烃通常可以进行两次加成。

炔烃的完全氢化
以乙炔为例:
\[ \ce{HC#CH} \]
1 mol \(\ce{H2}\) 会把三键还原成双键。
第二 mol \(\ce{H2}\) 可以再把剩下的双键还原成单键。
完全氢化时:
\[ \ce{HC#CH + 2H2 ->[catalyst] CH3-CH3} \]
重要的比例是:
\[ 1\ \mathrm{mol}\ \text{炔烃} : 2\ \mathrm{mol}\ \ce{H2} \]
适用于含有一个三键,而且被完全氢化的炔烃。
这个化学计量关系在计算中非常有用。
卤素加成到炔烃
加入 1 当量溴时,乙炔会进行一次加成:
\[ \ce{HC#CH + Br2 -> BrCH=CHBr} \]
注意,产物仍然是不饱和的。三键已变成双键。
再加入第二当量溴:
\[ \ce{BrCH=CHBr + Br2 -> CHBr2-CHBr2} \]
总反应为:
\[ \ce{HC#CH + 2Br2 -> CHBr2-CHBr2} \]
最终产物 1,1,2,2-四溴乙烷含有碳-碳单键。
这就是为甚么「过量溴」这个条件很重要。对炔烃而言,1 mol \(\ce{Br2}\) 和 2 mol \(\ce{Br2}\) 所代表的反应并不相同。
范例:丙炔的溴化
1 mol 丙炔 \(\ce{CH3-C#CH}\) 与 2 mol \(\ce{Br2}\) 反应。建构最终的有机产物。
步骤 1:计算可反应的 \(\pi\) 键数目。
一个三键含有两条 \(\pi\) 键,因此可以进行两次加成。
步骤 2:进行第一次加成。
每个炔键碳各接上一个 Br 原子,而三键变成双键:
\[ \ce{CH3-C#CH + Br2 -> CH3-CBr=CHBr} \]
步骤 3:使用第二 mol 溴。
剩下的 \(\ce{C=C}\) 可以再进行一次卤素加成:
\[ \ce{CH3-CBr=CHBr + Br2 -> CH3-CBr2-CHBr2} \]
步骤 4:写出总方程式。
\[ \ce{CH3-C#CH + 2Br2 -> CH3-CBr2-CHBr2} \]
步骤 5:检查结果代表甚么。
最终产物是 1,1,2,2-四溴丙烷。
碳骨架没有改变。由于消耗了两个 \(\ce{Br2}\) 分子,所以总共加入四个 Br 原子,而碳-碳三键最后变成了单键。
常见陷阱是看到「溴的加成」就自动只加入一个 \(\ce{Br2}\)。对炔烃而言,试剂的量很重要。
09炔烃的氢卤化
同样的「加成一次还是两次」概念也适用于 \(\ce{HX}\)。
乙炔与过量 \(\ce{HCl}\) 反应时:
\[ \ce{HC#CH + 2HCl -> CH3-CHCl2} \]
最终产物是 1,1-二氯乙烷。
第一次加成之后,分子仍含有双键,因此可以再次反应。按照标准的方向性,重复进行氢卤化可令两个卤素最后接到同一个碳上。
你不需要想像两个 \(\ce{HCl}\) 分子同时与炔烃碰撞。把它看成两次连续的加成即可。
10炔烃水合是重要的例外
很容易令人作出以下推理:
炔烃有两条 \(\pi\) 键,所以水应该只要加成两次,就会形成带有两个 OH 基团的物质。
这个预测把前面的模型延伸得太远了。
水的确可以加成到炔烃上,但最初形成的产物含有一个与碳-碳双键上的碳相连的 OH 基团。这类结构称为烯醇。在反应条件下,烯醇会重排成较稳定的羰基化合物。
对乙炔而言,净反应为:
\[ \ce{HC#CH + H2O -> CH3CHO} \]
产物是乙醛,而不是乙醇。
预测产物时,重要的一点是:炔烃水合是一个特殊情况。对 \(\ce{H2}\)、\(\ce{X2}\) 和 \(\ce{HX}\) 的完全加成而言,简单的「重复加成两次」模型很有效,但它不能描述炔烃水合最后形成的稳定产物。
这正好说明,一个有用的模型最终也应该有其适用界限。
11快速预测加成产物的方法
当 HSC 题目给你一个不熟悉的结构时,按照以下次序处理,不要尝试一次过凭记忆画出整个产物。
1. 找出所有碳-碳多重键
特别寻找 \(\ce{C=C}\) 或 \(\ce{C#C}\)。
普通的 \(\ce{C-C}\) 键不是加成反应的位置。
2. 辨认试剂
把它转化成将会加入的基团。
| 试剂 | 把它想成 |
|---|---|
| \(\ce{H2}\) | H + H |
| \(\ce{Cl2}\) | Cl + Cl |
| \(\ce{Br2}\) | Br + Br |
| \(\ce{HCl}\) | H + Cl |
| \(\ce{HBr}\) | H + Br |
| \(\ce{H2O}\) 加到烯烃 | H + OH |
3. 降低键级
进行一次加成时:
\[ \ce{C#C -> C=C} \]
或
\[ \ce{C=C -> C-C} \]
4. 在每个参与反应的碳上接上一个进入反应的基团
不要重新排列其余的碳骨架。
5. 只有在必要时才处理方向性
如果烯烃和试剂都不对称,就使用标准方向规则预测主要产物。
6. 检查碳的价数和原子守恒
在这些结构中,每个中性碳都应有四条键。
同时检查反应物中的每个原子是否都出现在产物中。加成反应不应该莫名其妙地排出一个 H 原子或卤素原子。
12最常导致错误产物的误解
「双键断裂,所以碳链也断裂」
在普通的烯烃加成中,只有双键中的 \(\pi\) 部分被消耗。碳-碳 \(\sigma\) 键仍然保留。
「水会令两个碳都接上 OH」
水在烯烃双键两侧所提供的净加成是 H 和 OH,而不是两个 OH 基团。
「每一种加成反应都需要马可夫尼可夫规则」
只有在不同方向会产生不同结构产物时,这条规则才有帮助。加入 \(\ce{H2}\) 或 \(\ce{Br2}\) 时没有方向选择;如果两个烯烃碳等效,也没有实际需要作出的方向选择。
「炔烃一定会在一次加成后停止」
如果有足够而合适的试剂,就不一定如此。三键可以透过两次连续加成,先变成双键,再变成单键。
「如果一种烃消耗 2 mol 氢,它一定含有三键」
不一定。一个三键含有两条 \(\pi\) 键,但两个分开的双键也含有两条 \(\pi\) 键。加成反应的化学计量可以告诉你有多少不饱和性,却不一定能告诉你这些不饱和性如何排列。
这个区别会在下面较困难的问题中变得重要。
13问题与解答
问题 1
乙烯与 \(\ce{Br2}\) 反应。
写出反应的结构方程式,命名有机产物,并解释碳-碳键发生了甚么变化。
解答 1
乙烯形成 1,2-二溴乙烷,而它的碳-碳双键变成碳-碳单键。
反应为:
\[ \ce{CH2=CH2 + Br2 -> BrCH2-CH2Br} \]
两个原本形成 \(\ce{C=C}\) 的碳,各接上一个 Br 原子。
\(\pi\) 键被消耗,但碳-碳 \(\sigma\) 键仍然保留。因此,分子不会分裂成两个含碳碎片。
很容易出现的错误是把 \(\ce{CH2Br}\) 画成两个分开的分子。这样就错误地断开了碳-碳 \(\sigma\) 键。
问题 2
1-丁烯分别进行两个反应。
(a) 预测它与 \(\ce{HBr}\) 反应时的主要有机产物。
(b) 预测它在酸催化条件下与水反应时的主要有机产物。
(c) 解释为甚么在 (a) 中的 Br 基团和在 (b) 中的 OH 基团,都预测会接到原本双键中的同一个碳上。
解答 2
与 \(\ce{HBr}\) 反应时的主要产物是 2-溴丁烷;与水反应时的主要产物是 2-丁醇。
1-丁烯是:
\[ \ce{CH2=CH-CH2-CH3} \]
对 (a) 而言,氢卤化为:
\[ \ce{CH2=CH-CH2-CH3 + HBr -> CH3-CHBr-CH2-CH3} \]
所以主要产物是 2-溴丁烷。
对 (b) 而言,水合为:
\[ \ce{CH2=CH-CH2-CH3 + H2O ->[H^+] CH3-CH(OH)-CH2-CH3} \]
所以主要产物是 2-丁醇。
在这两个反应中,末端的双键碳一开始是 \(\ce{CH2}\),而第二个碳一开始是 \(\ce{CH}\)。按照标准的马可夫尼可夫方向,进入反应的 H 会优先接到原本已有较多 H 原子的碳,即末端碳。
因此,另一个基团–(a) 中的 Br 或 (b) 中的 OH–便会接到 C2。
一个容易走入的方向,是把氢卤化和水合死记成两个互不相关的反应。真正有用的连结是:两者都把一对不对称基团加到同一个不对称的 \(\ce{C=C}\) 上,因此相同的方向逻辑都能预测主要产物。
问题 3
一个混合物只含乙烯 \(\ce{C2H4}\) 和乙炔 \(\ce{C2H2}\)。
烃的总物质的量为 \(0.100\ \mathrm{mol}\)。完全氢化消耗 \(0.160\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{H2}\)。
计算原本存在的乙烯和乙炔各有多少 mol。
解答 3
原本的混合物含有 \(0.0400\ \mathrm{mol}\) 乙烯和 \(0.0600\ \mathrm{mol}\) 乙炔。
设乙烯的物质的量为 \(x\) mol,乙炔的物质的量为 \(y\) mol。
烃的总物质的量为:
\[ x+y=0.100\ \mathrm{mol} \]
乙烯含有一条 \(\pi\) 键,所以完全氢化时,每 mol 乙烯会消耗 1 mol \(\ce{H2}\):
\[ \ce{C2H4 + H2 -> C2H6} \]
乙炔含有两条 \(\pi\) 键,所以完全氢化时,每 mol 乙炔会消耗 2 mol \(\ce{H2}\):
\[ \ce{C2H2 + 2H2 -> C2H6} \]
因此:
\[ \begin{aligned} x+2y &= 0.160\ \mathrm{mol}\\ x+y &= 0.100\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
第一条方程式减去第二条:
\[ y=0.0600\ \mathrm{mol} \]
然后:
\[ x=0.100-0.0600=0.0400\ \mathrm{mol} \]
所以:
\[ \boxed{x=0.0400\ \mathrm{mol}\ \text{乙烯},\qquad y=0.0600\ \mathrm{mol}\ \text{乙炔}} \]
容易犯的错误,是假设每一种不饱和烃都只消耗 1 mol 氢。对一个独立的 \(\ce{C=C}\) 而言确实如此,但 \(\ce{C#C}\) 完全氢化时需要进行两次加成。
因此,氢气消耗量异常地大,是部分分子带有两条 \(\pi\) 键的证据。
问题 4
一种非环状烃 \(A\) 的分子式为 \(\ce{C4H6}\)。
\(1.00\ \mathrm{mol}\) 的 \(A\) 完全氢化时会消耗 \(2.00\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{H2}\),并生成丁烷。在另一个实验中,\(1.00\ \mathrm{mol}\) 的 \(A\) 在完全加成时可以消耗 \(2.00\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{Br2}\)。
一名学生得出结论:
「\(A\) 一定是炔烃,因为它可以进行两次加成。」
这个结论合理吗?请用 \(A\) 的两种不同可能结构支持你的答案。
解答 4
不合理。这些证据证明 \(A\) 含有两条可进行加成的 \(\pi\) 键,但不能证明这两条 \(\pi\) 键都属于同一个三键。
饱和、非环状的四碳烃分子式为 \(\ce{C4H10}\)。化合物 \(A\) 的分子式是 \(\ce{C4H6}\),比它少四个 H 原子。这与两个不饱和度相符。
其中一种可能结构是炔烃,例如 2-丁炔:
\[ \ce{CH3-C#C-CH3} \]
它的完全氢化为:
\[ \ce{CH3-C#C-CH3 + 2H2 -> CH3-CH2-CH2-CH3} \]
它的两条 \(\pi\) 键也可以消耗 2 mol \(\ce{Br2}\)。
但另一种可能结构是 1,3-丁二烯:
\[ \ce{CH2=CH-CH=CH2} \]
它含有两个分开的碳-碳双键。完全氢化同样会消耗 2 mol \(\ce{H2}\):
\[ \ce{CH2=CH-CH=CH2 + 2H2 -> CH3-CH2-CH2-CH3} \]
它的两个双键同样可以合共进行两次溴的加成。
因此,这两个模型都符合题目所给的氢化产物和总加成化学计量。
容易误入的思路,是直接把「两次加成」理解成「三键」。真正受到限制的是 \(\pi\) 键的数目。一个三键有两条 \(\pi\) 键,但两个双键也有两条。
因此还需要更多结构方面的证据。
问题 5
一种非环状烃 \(A\) 的分子式为 \(\ce{C5H8}\)。
每 mol \(A\) 完全氢化时恰好消耗 \(2.00\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{H2}\),并生成 2-甲基丁烷。
一开始考虑两种可能结构:
- 3-甲基-1-丁炔
- 2-甲基-1,3-丁二烯
在另一个实验中,每 mol \(A\) 恰好与 \(1.00\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{Br2}\) 反应。产物 \(B\) 仍然含有一个 \(\ce{C=C}\) 键。一个结构模型显示,两个 Br 原子都直接接在形成这个剩余 \(\ce{C=C}\) 的两个碳原子上。
辨认 \(A\) 和 \(B\),写出溴反应和完全氢化的方程式,并解释为甚么二烯模型可被排除。
解答 5
\(A\) 是 3-甲基-1-丁炔,而 \(B\) 是 1,2-二溴-3-甲基-1-丁烯。
先看最关键的观察:1 当量 \(\ce{Br2}\) 反应后,两个溴原子接在同一对仍由 \(\ce{C=C}\) 连接的碳上。
这正是炔烃第一次加成所产生的结果。
3-甲基-1-丁炔是:
\[ \ce{HC#C-CH(CH3)-CH3} \]
加入 1 mol 溴,会把三键降低成双键,同时在两个参与反应的碳上各加入一个 Br:
\[ \ce{HC#C-CH(CH3)-CH3 + Br2 -> BrCH=CBr-CH(CH3)-CH3} \]
因此,\(B\) 是 1,2-二溴-3-甲基-1-丁烯。
\(A\) 完全氢化时会使用 2 mol 氢:
\[ \ce{HC#C-CH(CH3)-CH3 + 2H2 -> CH3-CH2-CH(CH3)-CH3} \]
产物 \(\ce{CH3-CH2-CH(CH3)-CH3}\) 是 2-甲基丁烷,与实验证据一致。
现在考虑看似合理的另一个选项,2-甲基-1,3-丁二烯:
\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2} \]
它乍看之下的确合理。它的分子式是 \(\ce{C5H8}\),含有两条 \(\pi\) 键,完全氢化时可以消耗 2 mol \(\ce{H2}\),而且会形成相同的饱和碳骨架。
单靠这些观察,不能把它与炔烃区分开来。
决定性的证据,是恰好进行一次溴加成后的结构。按照加成模型,如果 \(\ce{Br2}\) 加到二烯其中一个 \(\ce{C=C}\) 上,该特定双键就会被消耗。因此,两个接上 Br 的碳之间不会仍由原来那个 \(\ce{C=C}\) 互相连接。
但对炔烃而言,一次加成会令:
\[ \ce{C#C -> C=C} \]
第一次加成后,原本参与反应的同一对碳仍然以多重键相连,同时每个碳都已接上一个 Br。
真正能区分两个模型的,是这项结构观察,而不只是所消耗溴或氢的总量。
还有另一项有用的限制条件。完全氢化会保留碳骨架,并生成 2-甲基丁烷。在这个支链骨架中,支化的碳已经连接另外三个碳,因此它不能同时再参与碳-碳三键,否则会超出碳的价数。可行的三键因此必须位于末端,得到 3-甲基-1-丁炔。
这正是整题背后更广泛的重点:反应的化学计量告诉你存在多少不饱和性,但追踪每次加成后究竟有哪些键仍然存在,则能揭示这些不饱和性原本如何排列。
14掌握加成反应之后可以做甚么
只要你能追踪碳骨架以及每一条 \(\pi\) 键的去向,有机反应路线就不再那么像死记一堆箭头。
氢化可以去除不饱和性。水合可以把烯烃转变成醇。氢卤化可以把烯烃转变成卤代烷。卤化既提供一条反应路径,也能提供与不饱和性有关的实验证据。
下一个有用的步骤,是把这些反应与取代、氧化、脱水和聚合结合起来。这时,问题就不再只是「这种试剂会做甚么?」而会变成「我现在有哪一种官能基?从这里开始可以进行哪些反应?」这正是处理多步 HSC 有机合成时所需要的推理方式。