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文檔簡介
高等有機化工工藝學烯烴的合成方法第一頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
消除反應是合成烯烴的重要方法,本節(jié)所述的消除反應絕大多數(shù)均屬β-消除反應。消除反應兩大特征:
(1)首先是消除方向,一般而言,不對稱鹵代烴、醇、羧酸酯、黃原酸酯等消除時,優(yōu)先生成多取代烯烴,而季銨鹽及堿的裂解,則優(yōu)先生成少取代烯烴(Hoffmann法則)。
(2)消除反應的另一特征是反應的立體化學,一般而言,鹵代烴、醇、β-鹵代醇、季銨堿等均按反式消除;而酯及氧化胺的裂解則按順式消除。因此,選擇不同的反應途徑,可以合成順反異構的烯烴。第一節(jié)消除反應第二頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二一、鹵代烴脫鹵化氫
在堿的作用下,鹵代烴脫鹵化氫反應是沿用已久的合成烯烴常用的方法之一,選擇性好,反應條件溫和的新試劑仍不斷涌現(xiàn)。常用的堿性試劑有:堿金屬氫氧化物的醇溶液,堿金屬醇的醇溶液或二甲基亞砜或二甲基甲酰胺溶液以及各種胺類,如三乙胺、吡啶、喹啉等均為常用的有機堿。最近利用1,5-二氮雙環(huán)-[3.4.0]-5-壬烯(DBN)、1,5-二氮雙環(huán)[5.4.0]-5-十二烯(DBU),作為有機堿,它具有反應條件緩和,產(chǎn)率高的特點。第三頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene.DBU1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-eneDBN第四頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二2-鹵丁烷與乙醇鉀在乙醇中反應,優(yōu)先生成熱力學穩(wěn)定的多取代烯。2,3-二溴雙環(huán)[2.2.1]庚烷,在叔丁醇鉀及叔丁醇中反應,生成相應的溴代烯。第五頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二l,6-二氧-4-溴螺[4.4I壬烷在DMSO中,用叔丁醇鉀處理,得相應的二氧代螺[4.4]壬烯。
在DBU作用下,l-溴-3,4-二甲基雙環(huán)[4.3.0]-3-壬烯-9-酮于室溫下即可順利地發(fā)生脫溴化氫。第六頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
有時在六甲基磷酰胺中,不需堿的存在,亦能發(fā)生鹵代烴的脫鹵化氫反應。如ω-溴代-1-己烯的合成。第七頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二二、醇的脫水
雖然鹵代烴脫鹵代氫是烯烴常用的合成方法,但合成簡單的烯烴時,醇往往是更易獲得的原料。醇的酸催化脫水法應用最為普通,脫水速度是叔醇>仲醇>伯醇。醇的脫水和鹵代烴消除類似,不能獲得單一的烯烴。常用的酸性脫水劑有硫酸、磷酸、草酸、五氧化二磷等,而新的試劑不斷出現(xiàn)。第八頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二環(huán)己醇與濃硫酸于130-150℃共熱,生成環(huán)己烯。硫酸氫鉀亦是常用的脫水劑,特別適用于苯乙烯類化合物的合成。如:許多無機酸酰鹵,如亞硫酰氯、二氯氧磷都是醇脫水的有效試劑。如:第九頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
醇在三氟化硼-乙醚作用下,能在十分溫和的條件下脫水,如2-甲基-2-十九醇的脫水。
在微波促進下脫水,具有時間短的優(yōu)點。如下列化合物在硅膠存在下,經(jīng)微波促進在較短的時間里完成脫水反應。第十頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二蒙脫石作為醇脫水催化劑,具有產(chǎn)品分離方便的優(yōu)點。如2-甲基2-十三醇的脫水蒙脫石是由顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構成的礦物,它們一般為塊狀或土狀。第十一頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
仲醇、叔醇在非質子極性溶劑如二甲亞砜或六甲基磷酰胺中加熱,即可以良好產(chǎn)率生成相應的烯烴。如N-(對甲苯磺?;?-3-乙烯基吡咯的合成。160C,0.5h第十二頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
醇亦可進行催化脫水,例如將醇的蒸氣通過350-400℃的三氧二鋁催化劑,即可順利脫水生成烯烴。由于醇及生成的烯烴與催化劑的接觸時間較短,可以減少異物化等副反應。因此,醇類的催化脫水在工業(yè)生產(chǎn)中的應用較廣。一般而言,采用三氧化二鋁催化脫水,主要生成多取代烯烴;而采用稀土金屬氧化物如二氧化釷作催化劑,主要生成少取代烯烴.提供了由仲醇合成末端烯烴的方法。4-甲基-2-戊醇通過387℃的二氧化釷催化劑,則以87%的轉化率生成烯。第十三頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二三、二鹵化物脫鹵
由于1,2-二鹵化物通常由烯烴與鹵素加成獲得,因此,本法的應用受到一定的限制。但本反應條件溫和,生成烯烴時沒有異構化及重排等副反應,因此,可將用其他方法制得的烯烴粗品首先轉化成l,2-二鹵化物.繼而用本法再轉變成原來的烯烴,以達到純化的目的。利用類似程序,可作為氧化分子中存在的其他基團時,作為保護雙鍵的一種重要方法。
第十四頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二鋅粉在甲醇、乙醇或乙酸中,鈉在液氨中,均是常用的脫鹵試劑
二價鉻鹽在二甲基甲酰胺水溶液中與乙二胺配合,繼而與1,2-二鹵化物在室溫下反應,幾乎以定量產(chǎn)率生成烯烴。第十五頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
二價鈦及二價釩可分別由四氯化鈦及三氯化釩與氫化鋁鋰反應制得,它們與1,2-鹵化合物反應,高產(chǎn)率地生成烯烴。如1-辛烯的合成。烴基鋰、二烷基銅鋰亦可使1,2-二鹵化物高產(chǎn)率地生成烯烴。第十六頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二1,2-二鹵化物在六甲基亞磷酰胺中加熱亦能發(fā)生脫鹵反應。硝基烷形成的共軛堿,能使1,2-二溴化物發(fā)生脫鹵反應,生成烯烴。第十七頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二四、季銨鹽及其堿的熱解(Hofmann裂解)
季銨鹽及其堿的熱解法已廣泛用于胺類、含氮雜環(huán)化合物、生物堿類的結構測定,以及消除反應機理的研究,偶而也用于合成。與鹵代烴消除生成多取代烯烴相反,它優(yōu)先形成少取代的烯烴。三甲基-2-戊基銨堿熱解,主要生成1-戊烯第十八頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
季銨鹽及其堿的熱解亦具有反式消除的特征。反應的程序是先將胺轉變成季胺堿,繼而進行熱解。
常用的堿性試劑有氧化銀、氫氧化鈉、氫氧化鉈、乙醇鈉及叔丁醇鉀等。這一反應對脂肪族、脂環(huán)族、雜環(huán)族胺均能得滿意的結果。對脂環(huán)胺而言,小于六元環(huán)者僅得順式烯烴,七員環(huán)以上者可得順式及反式混合物,其中往往以反式為主。N,N,N-三甲基環(huán)辛銨堿熱解時,生成60%的反式環(huán)辛烯及40%順式環(huán)辛烯。第十九頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二五、酯的熱解
酯的熱解是合成烯烴的重要方法,它提供了由醇合成烯烴的另一條路線。但它沒有醇脫水時那些異構、重排等副反應,更具合成價值。一般認為,反應是按環(huán)狀過渡態(tài)的協(xié)同機理進行,因此在立體化學上,它與以上諸反應的反式消除不同,它屬順式消除。
羧酸酯的熱解通常在300-500℃進行,既可將酯直接加熱到所需溫度,亦可將由的蒸氣通過加熱的管子。一般產(chǎn)率較好,而且不需要其他反應試劑及溶劑,產(chǎn)品易于提純。在合成中以乙酸酯應用最廣,其他酯如硬脂酸酯、芳香酸酯、碳酸酯、氨基甲酸酯等均有應用。第二十頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
酯的熱解特別適合末端烯烴的合成。在氮氣下,乙酸正丁酯在500℃熱解,幾乎以定量產(chǎn)率生成l-丁烯。酯的熱解可在真空下進行,如5-甲基-5-乙烯基-4,5-二氫呋喃的合成。9-十九烯在二甲苯回流的溫度下,磷酸酯亦能發(fā)生順式消除,生成烯烴。第二十一頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二在鈀催化下,酯的消除可在較溫和的條件下進行,但其反應機理不同于酯的熱解。
原酸酯的熱解與羧酸酯熱解法類似,亦是通過順式消除機理進行。本法的特點是熱解溫度較低(100-200℃),因此,特別適用于那些對熱敏感的烯烴的合成。2,2-二甲基-3-戊醇直接加熱脫水,往往生成重排產(chǎn)物,但利用本法可獲得較好產(chǎn)率的4,4-二甲-2-丁烯。第二十二頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二六、氧化胺熱解(Cope反應)
氧化胺的熱解與黃原酸酯熱解類似,亦可在較低的溫度下(120-150℃)進行。若用二甲基亞砜、四氫呋喃作混合溶劑,反應可在25℃進行。本法在范圍上雖沒有季胺堿法普遍,但它具有操作簡便和沒有異構化的優(yōu)點。脂環(huán)族氧化胺熱解獲得單一產(chǎn)物,而相應的羧酸酯、黃原酸酯熱解時往往獲得混合產(chǎn)物第二十三頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二亞甲基環(huán)己烷的合成第二十四頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二七、亞砜及砜的熱解亞砜熱解時,發(fā)生順式消除生成烯烴。由于亞砜RCH2SOCH3,可由二甲基亞砜的烴化反應而得,它的熱解是由烴化劑合成增加一個碳原子的末端烯烴的方法。
在氫化鈉存在下,1,1-二苯乙烯與二甲基亞砜進行烴化反應,繼而在減壓150-200℃熱解,生成3,3-二苯基丙烯。第二十五頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
亞砜可以從硫醚氧化而得。因此,在分子的某一位置,若能引入一經(jīng)硫基,則通過氧化、繼而熱解,可在該處形成一個碳碳雙鍵。第二十六頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
羰基化合物的α-位極易引進亞砜?;又鵁岱纸?,這是合成α,β-不飽和羰基化合物常用的方法。如:與亞砜類似,砜亦能發(fā)生熱解生成烯烴,常用于α,β-不飽和碳基化合物的合成。第二十七頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二八、鄰位二羧酸的氧化脫羧
在氧氣存在下.鄰位二羧酸化合物與四乙酸鉛在吡啶中共熱,發(fā)生氧化脫羧,生成烯烴。由于許多環(huán)狀鄰位二羧酸極易由Diels-Alder反應或環(huán)加成反應制得。因此本法特別適用于制備環(huán)烯烴。1,4-環(huán)己二烯的合成。76%第二十八頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
鄰位二羧酸化合物的電解氧化脫羧亦能獲得同樣的結果。由于反應條件溫和,適用于合成高度張力的小環(huán)或橋環(huán)烯烴。第二十九頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二第二節(jié)還原反應
炔烴、芳烴、烯烴、烯醚、烯醇酯等衍生物均可借還原反應合成烯烴。炔烴可部分還原成烯烴,特別是Lindlar催化劑的發(fā)現(xiàn),使炔烴部分還原法成為合成烯烴的實用而有效的方法。芳烴在堿金屬-液氨中的部分還原,是一個經(jīng)典的方法,普遍用于環(huán)烯的合成。醛、酮可方便地轉化成烯胺、烯醚及烯醇酯等衍生物,它們的還原提供了由醛、酮合成相應烯烴的方法。醛、酮的還原偶合是合成對稱結構的烯烴的有效方法。第三十頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二一、炔烴的部分還原下列丙烯醇的合成利用RhCl(PPh3)3作催化劑,可在均相條件下,將炔烴還原成順式烯烴第三十一頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
由硼氫化鈉與乙酸鎳在乙醇中制得的硼化鎳(nickelboride),簡稱P-2Ni,與乙二胺合并使用,可立體定向地轉化炔烴成順式烯烴。活性鋅與醇亦是還原炔烴成順式烯烴的有效試劑。第三十二頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二4-(對三氟甲基苯基)4-丁炔-1-醇被氫化鋁鋰的還原。氫化鋁鋰還原炔烴的立體選擇性通常與上述方法相反,優(yōu)先生成反式烯烴。可溶金屬液氨法還原炔烴成反式烯烴是沿用已久的有效方法第三十三頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二二、芳烴的部分還原(Brich反應)
堿金屬或堿土金屬的液氨或脂肪胺溶液可使芳烴部分還原成脂環(huán)烯烴。如苯及各種取代苯可用鈉或鋰的液氨溶液還原成非共軛的環(huán)己二烯。
對一元取代苯而言,若取代基為給電子基,生成l-取代-1,4-環(huán)己二烯;若為吸電子基,則生成l-取代-2,5-環(huán)己二烯。第三十四頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二例取代基性質對生成烯烴的位置影響。89%95%
苯甲醚及苯胺的部分還原特別具有合成價值,因為他們的二氫化合物能迅速水解成環(huán)己酮的衍生物。6-甲基-2-環(huán)己烯-1-酮的合成第三十五頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二鋰-脂肪胺體系的還原能力比鋰-液氨強,它可使苯及取代苯還原成環(huán)己烯。由對-二叔丁基苯還原成1,4-二叔丁基-1-環(huán)己烯多核芳烴亦能被部分還原成多環(huán)烯烴。如在醇存在下,萘可被鈉-液氨還原成四氫萘。若用還原能力更強的鋰-胺,則可得八氫萘。第三十六頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二三、烯胺的還原
烯胺用氫化鋁鋰-三氯化鋁或氫化鋁處理發(fā)生還原脫胺生成烯烴。由于烯烴易由相應的酮制得,因此,本法是由酮合成烯烴的重要方法。2-戊酮與四氫吡咯形成的烯胺,用氫化鋁理-三氯化鋁體系還原,可生成2-戊烯。第三十七頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
烯胺若在鉑催化劑存在下進行氫化,繼而用氫氧化鉀-乙醇處理消除胺,亦可達到同樣的目的,獲得烯烴下列α,β-不飽和酮可借相應的烯胺還原消除獲得。若將烯胺進行硼氫化反應,繼而用乙酸處理,可得高產(chǎn)率的烯烴由2-甲基環(huán)已酮合成3-甲基環(huán)己烯。第三十八頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
第三十九頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二四、烯醇醚及烯醇酯的還原(略)羰基化合物在金屬或低價金屬鹽的作用下發(fā)生還原偶合生成烯烴。環(huán)己酮在三氯化鈦和鋅-銅偶合體的作用下發(fā)生脫氧二聚生成烯五、羰基化合物的還原偶合DMEdimethoxyethane第四十頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二二元醛可發(fā)生分子內的反應,生成大環(huán)烯烴。如:
二元醛若發(fā)生分子間的反應,亦有可能形成大環(huán)烯烴。如在TiCl4-Zn作用,2,5-噻吩二甲醛的三聚。第四十一頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二氯化鈦-鋰體系亦是羰基化合物還原偶合的有效還原劑。
當共軛的羰基與一般的羰基共存于一個分子中時,則優(yōu)先在共軛的羰基處發(fā)生反應。如在活性鋅的作用下,下列化合物的還原偶合。86%第四十二頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
第三節(jié)偶聯(lián)反應
有機金屬化合物與鹵代烴的偶聯(lián)是一類借碳鏈的延長合成烯烴的重要方法。有機金屬化合物有:有機鎂、有機鋰、有機銅、有機鎳等化合物。其中有機鎂試劑與鹵代烴的反應是經(jīng)典,又是普遍應用的方法。二烴基銅化鋰及π-丙烯基鎳與鹵代烴的偶合,提供了合成烯烴的有效方法。乙烯基銅化鋰及乙烯基鋰與鹵代烴的偶聯(lián),可保持原有乙烯基化合物的構型,是烯烴的立體選擇合成法。
π-丙烯基鎳及丙烯基鋰絡合物與鹵代烴的偶聯(lián)反應,是合成末端烯烴的方法。第四十三頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二有機鎳化合物與鹵代烴偶聯(lián)
烯丙基鹵化物在無水苯中與過量的羰基鎳反應,以良好的產(chǎn)率生成溴化π-丙烯基鎳,它在配位介質中,能與多種鹵代烴發(fā)生偶聯(lián)。一般而言,碘代烷的反應活性大于溴代烷,芳鹵、乙烯基鹵化物亦能順利地反應。此法優(yōu)點是產(chǎn)率高,選擇性好,羥基、羰基的存在均無影響,氯、碘存在于同一分子中可使碘選擇性反應。第四十四頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二2-乙氧羰基-6-氯-1-己烯的合成。利用本法提供了一種單萜烯的簡便合成方法。利用分子內反應合成環(huán)狀1,5-二烯。第四十五頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二第四節(jié)、縮合反應
羰基化合物可與碳負離子進行縮合。磷葉立德與羰基化合物的反應是合成烯烴的重要方法;由膦酸酯或膦酰胺形成的α-碳負離子與碳基化臺物生成烯的反應類似于Witting反應;苯甲硫醚亦可形成d-軌道共軛穩(wěn)定的碳負離子,它不僅與醛、酮縮合亦能與酯順利反應;砜、硅烷形成的碳負離子能與羰基化合物反應,亦是合成烯烴的有效方法。第四十六頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二一、磷葉立德與羰基化合物的縮合(Witting反應)
磷葉立德與醛、酮反應生成烯烴及氧化膦,通常稱為Witting反應。一般而言,利用Witting反應制備烯烴,不僅具有反應條件溫和、產(chǎn)率高的優(yōu)點,而且還有一些特點。如
(1)生成的雙鍵位置固定,在原來的羰基處,可以合成能量上不利的環(huán)外雙鍵化合物;(2)與β-不飽和羰基化合物,不發(fā)生l,4-加成;
(3)反應具有一定的立體選擇性,利用不同的試劑,控制一定的反應條件,可獲得一定構型的產(chǎn)物。第四十七頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二第四十八頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二第四十九頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二膦酸酯羰基化合物縮合(Witting-Horner反應)用亞磷酸酯代替三苯基膦所制得的磷Ylide與醛酮反應稱為Wittig-Horner反應:
膦酸酯在四氫呋喃中與丁基鋰等反應,高產(chǎn)率地生成膦酸酯碳負離子,它與羰基化合物反應,即可生成烯烴,由于膦酸酯較易制得,因此,本法廣泛用于各種取代烯烴的合成。由于反應的副產(chǎn)物是O,O-二烷基膦酸酯,甚易分離除去,因此,本法在合成烯烴時,有時比Witting反應在產(chǎn)品上分離純化上更好些。
第五十頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二β-甲基-2-戊烯酸甲酯的合成。也可以用NaH替代丁基鋰第五十一頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
許多α-氫酸性較強的膦酸酯,可以在相轉移催化條件下,利用氫氧化鈉水溶液作堿,或直接用季銨堿,即可使它與醛酮順利縮合,這一改良的方法具簡便,經(jīng)濟的特點。第五十二頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二苯甲硫醚與羰及化合物縮合砜與羰基化合物縮合硅烷與羰基化合物縮合第五十三頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二第五節(jié)加成反應
烯烴的二聚或三聚反應可用來合成烯烴,特別是Ziegler型催化劑的普通應用,使烯烴的聚合反應成為合成某些烯烴的最經(jīng)濟的方法,在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。負離子對共軛烯烴或炔烴的親核加成,也是合成烯烴的有效方法。有機硼烷與多種炔化合物的加成反應,具有優(yōu)良的立體選擇性,更適合于合成順反異構的烯烴。第五十四頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二一、烯烴的Ziegler型催化加成
烯烴在Lewis酸如A1Cl3或BF3催化下聚合成多聚物。但是采用水溶性酸,如硫酸、磷酸,則生成低分子聚合物。由于烯烴的酸催化聚合是通過碳正離子進行的,必然會發(fā)生氫負離子轉移,烴基轉移及環(huán)化等副反應。本法具有簡便經(jīng)濟的特點,若有較好的分餾設備,亦適用于某些烯烴的合成。在Ziegler型催化劑存在下,烯烴可控制在二聚三聚。由于低分子烯烴易由石油裂解法制得,因此,烯烴的二聚或三聚在有機合成工業(yè)上占有重要的地位。第五十五頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二采用三乙基鋁及鈦酸四丁酯混合催化劑,乙烯二聚成丁烯。采用四氯化鈦及氯化二乙基鋁作催化劑,丁二烯三聚成1,5,9-環(huán)十二碳三烯。許多有機金屬絡合物亦是烯烴聚合的有效催化劑。
有機銠絡合物可使乙烯在室溫下二聚成丁烯第五十六頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二二、烯烴的負離子加成
與烯烴的親電加成相反,強親核性的碳負離子可對共軛烯烴進行親核加成,也能生成烯烴。金屬鈉或鉀催化烷基苯對丁二烯的反應。第五十七頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二三、環(huán)加成反應環(huán)加成反應是環(huán)狀烯烴的合成方法。Diels-Alder反應是經(jīng)典的合成六元環(huán)烯烴的方法。烯、炔烴的光環(huán)化反應適用于環(huán)丁烯衍生物的合成??ㄙe與炔烴的加成是合成環(huán)丙烯的重要合成方法.第五十八頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二共軛二烯與烯、炔烴的環(huán)加成(Diels-Alder反應)1,3-丁二烯與順丁烯二酸酐在苯中共熱,幾乎以定量產(chǎn)率生成加成物。第五十九頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二2,3-二甲基-1,3-丁二烯經(jīng)光激發(fā),可以生成1,2-二甲基環(huán)丁烯。
在濃溶液中有光敏劑存在時,則發(fā)生分子間的環(huán)加成,生成雙乙烯基環(huán)丁烷。第六十頁,共六十九頁,編輯于2023年,星期二
光環(huán)化合成烯烴另一重要反應是非環(huán)共軛三烯與l,3-環(huán)己二烯的相互轉變,常稱電環(huán)化反應。
二苯乙烯衍生物可以被看成是兩個雙鍵處于苯環(huán)中的共軛三烯。在紫外光的照
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