醫(yī)藥中專芳香烴專家講座

第六章芳香烴

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第1頁芳香烴簡(jiǎn)稱芳烴，普通情況下，指分子中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)碳?xì)浠衔?。芳烴及其衍生物統(tǒng)稱為芳香族化合物。芳香二字來由最初是指從天然樹脂（香精油）中提取而得、含有芳香氣物質(zhì)。當(dāng)代芳烴概念是指含有芳香性一類環(huán)狀化合物，它們不一定含有香味，也不一定含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)。

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第2頁3

芳烴分類醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第3頁41.苯凱庫勒式1865年，凱庫勒從苯分子式C6H6出發(fā)，依據(jù)苯一元取代物只有一個(gè)（說明六個(gè)氫原子是等同)事實(shí)，提出了苯環(huán)狀結(jié)構(gòu)式。苯凱庫勒式結(jié)構(gòu)

苯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)寫為：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第4頁

2、苯分子結(jié)構(gòu)價(jià)鍵觀點(diǎn)

當(dāng)代物理方法（射線法、光譜法、偶極距測(cè)定）表明，苯分子是一個(gè)平面正六邊形構(gòu)型，鍵角都是120°，碳碳鍵長(zhǎng)都是0.139nm。圖示以下：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第5頁按照軌道雜化理論，苯分子中六個(gè)碳原子都以sp2雜化軌道相互沿對(duì)稱軸方向重合形成六個(gè)C-Cσ鍵，組成一個(gè)正六邊形。每個(gè)碳原子各以一個(gè)sp2雜化軌道分別與氫原子1s軌道沿對(duì)稱軸方向重合形成六個(gè)C-Hσ鍵。因?yàn)槭莝p2雜化，所以鍵角都是120°,全部碳原子和氫原子都在同一平面上。每個(gè)碳原子還有一個(gè)垂直于σ鍵平面p軌道，每個(gè)p軌道上有一個(gè)p電子，六個(gè)p軌道組成了大π鍵。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第6頁雜化軌道理論解釋：苯分子中碳原子都是以sp2雜化軌道成鍵，故鍵角均為120°，全部原子均在同一平面上。未參加雜化p軌道都垂直于碳環(huán)平面，彼此側(cè)面重合，形成一個(gè)封閉共軛體系，因?yàn)楣曹椥?yīng)使π電子高度離域，電子云完全平均化，故無單雙鍵之分。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第7頁3、從氫化熱看苯穩(wěn)定性氫化熱是衡量分子內(nèi)能大小尺度。氫化熱越大分子內(nèi)能越高，越不穩(wěn)定；氫化熱越低，分子內(nèi)能越低，分子越穩(wěn)定。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第8頁

4、苯結(jié)構(gòu)式表示法自從1825年英國法拉第(Faraday)首先發(fā)覺苯之后，有機(jī)化學(xué)家對(duì)它結(jié)構(gòu)和性質(zhì)做了大量研究工作，直到今日還有些人把它作為主要研究課題之一。在此期間也有不少人提出過各種苯結(jié)構(gòu)式表示方法，但都不能圓滿表示苯結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前普通仍采取凱庫勒式，但在使用時(shí)不能把它誤作為單雙鍵之分。也有用一個(gè)帶有圓圈正六角形來表示苯環(huán)，在六角形每個(gè)角上都表示每個(gè)碳連有一個(gè)氫原子，直線表示σ鍵，圓圈表示大π鍵。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第9頁

單環(huán)芳烴同系物異構(gòu)現(xiàn)象和命名

1.苯同系物及通式：苯分子中一個(gè)或幾個(gè)氫原子被烷基取代后所生成烷基苯，在組成上比苯多了一個(gè)或幾個(gè)CH2,通式：CnH2n-6（n≥6）2.芳烴同分異構(gòu)a．烴基苯有烴基異構(gòu)比如：b．二烴基苯有三種位置異構(gòu)比如：c.三取代苯有三種位置異構(gòu)比如：

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第10頁3、命名a．芳基命名芳基：從芳烴分子芳環(huán)上去掉一個(gè)或幾個(gè)氫原子后剩下基團(tuán)，稱為芳基。芳環(huán)上去掉一個(gè)氫原子后得到是一價(jià)芳基，通慣用Ar表示。主要芳基為:醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第11頁（1）以苯環(huán)為母體，烷基作取代基，稱為某苯。比如：b.單環(huán)芳烴命名

（2）當(dāng)苯環(huán)上連有兩個(gè)或兩個(gè)以上取代基時(shí)，可用阿拉伯?dāng)?shù)字或鄰、間、對(duì)等字樣表示。比如：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第12頁13(3)當(dāng)苯環(huán)上連有兩個(gè)或兩個(gè)以上取代基時(shí)——用數(shù)字代表取代基位置或用“連,偏,均”字表示它們位置.1,2,3-三甲苯(連三甲苯)1,2,4-三甲苯(偏三甲苯)1,3,5-三甲苯(均三甲苯)醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第13頁（4）當(dāng)苯環(huán)上連有不飽和取代基時(shí)，普通以不飽和烴為母體，苯環(huán)作取代基命名。比如：（5）假如苯環(huán)上連有多個(gè)取代烷基時(shí)，選取最簡(jiǎn)單碳原子相連烷基為1位，然后將其它烷基位次按盡可能小方向?qū)Ρ江h(huán)編號(hào)。比如：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第14頁

苯及其同系物物理性質(zhì)

1.常見單環(huán)芳烴為無色液體，含有特殊氣味。2.不溶于水,易溶于汽油、乙醚和CCl4等有機(jī)溶劑。3.密度比水?。ㄆ胀ㄔ?.86－0.93之間）。4.燃燒時(shí)火焰帶濃煙。5.沸點(diǎn)隨相對(duì)分子質(zhì)量增大而升高。6.在二取代苯之中，對(duì)位異構(gòu)體對(duì)稱性高、結(jié)晶能大，熔點(diǎn)高；所以能夠利用結(jié)晶方法從鄰間位異構(gòu)體中分離對(duì)位異構(gòu)體。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第15頁

苯及其同系物化學(xué)性質(zhì)

芳烴化學(xué)性質(zhì)主要是芳香性，即芳烴穩(wěn)定，不易被氧化，不易進(jìn)行加成反應(yīng)，易發(fā)生取代反應(yīng)。一、芳環(huán)上反應(yīng)1.取代反應(yīng)（1）鹵代反應(yīng)（主要指溴代和氯代）反應(yīng)歷程：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第16頁氯苯和溴苯繼續(xù)鹵化，生成二鹵代苯，主要得到鄰、對(duì)位產(chǎn)物。比如：甲苯在Fe或FeCl3

催化下鹵代，也得到鄰、對(duì)位產(chǎn)物。試驗(yàn)事實(shí)證實(shí)，甲苯鹵代比苯鹵代更輕易。說明CH3－活化苯環(huán)，而且它是一個(gè)鄰、對(duì)位定位基。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第17頁（2）硝化反應(yīng)苯與濃硫酸和濃硝酸混合物（也稱混酸）反應(yīng)生成硝基苯。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第18頁硝化反應(yīng)歷程：

濃H2SO4作用——促使NO2

+離子（硝基正離子）生成。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第19頁以上反應(yīng)說明，甲基是一個(gè)鄰、對(duì)位定位基，而且它活化了苯環(huán)。硝基苯繼續(xù)硝化，主要生成間二硝基苯。從上可見，硝基苯硝化比苯硝化困難，所以反應(yīng)條件苛刻一些。這說明－NO2

鈍化了苯環(huán)，而且－NO2是一個(gè)間位定位基。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第20頁（3）磺化反應(yīng)苯與濃硫酸或發(fā)煙硫酸進(jìn)行磺化，生成苯磺酸。

磺化反應(yīng)歷程：

反應(yīng)可逆，生成水使硫酸變稀，磺化速度變慢，水解速度加緊，故慣用發(fā)煙硫酸進(jìn)行磺化，以降低逆反應(yīng)發(fā)生。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第21頁甲苯比苯輕易磺化，常溫下即可反應(yīng)，主要是鄰、對(duì)位產(chǎn)物。故－SO3H

是間位定位基，同時(shí)鈍化苯環(huán)。在較高溫度下，苯磺酸繼續(xù)磺化，生成間二苯磺酸。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第22頁此反應(yīng)慣用于有機(jī)合成上用磺酸基先占位,后除去方法合成所需化合物?；撬峄鶚O性大,易溶于水，引入磺酸基能夠改變有機(jī)物溶解性。如在染料分子中引入磺酸基能夠增加染料水溶性，改進(jìn)染色性能。對(duì)十二烷基苯磺酸鈉是一個(gè)主要合成洗滌產(chǎn)品，屬磺酸鹽型陰離子表面活性劑。因?yàn)榛腔磻?yīng)是可逆，磺化逆反應(yīng)稱為脫磺基反應(yīng)或水解反應(yīng)。苯磺酸與稀硫酸共熱時(shí)可水解脫下磺酸基。

當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，對(duì)位產(chǎn)物百分比提升，當(dāng)溫度到達(dá)100℃時(shí)，對(duì)位產(chǎn)物為主要產(chǎn)物（百分比為79%）。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第23頁（4）傅瑞德爾—克拉夫茨反應(yīng)（簡(jiǎn)稱傅氏反應(yīng)，也叫傅－克反應(yīng)）1877年法國化學(xué)家傅瑞德爾和美國化學(xué)家克拉夫茨發(fā)覺了制備烷基苯和芳酮反應(yīng)，簡(jiǎn)稱為傅—克反應(yīng)。前者叫傅—克烷基化反應(yīng)，后者叫傅—克?；磻?yīng)。①傅－克烷基化在無水AlCl3催化下，芳香烴與烷基化劑反應(yīng)，生成烷基苯，此反應(yīng)稱為傅—克烷基化反應(yīng)。最慣用烷基化劑是鹵代烷。反應(yīng)歷程：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第24頁烯和醇也可作烷基化劑。此反應(yīng)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a.凡在反應(yīng)中能提供烷基試劑，稱為烷基化劑。慣用烷基化劑為鹵代烷、烯烴及醇。b.當(dāng)烷基化劑含有三個(gè)或三個(gè)以上直鏈碳原子時(shí)，則引入烷基發(fā)生分子重排（碳鏈異構(gòu)）。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第25頁c.傅－克烷基化反應(yīng)是可逆反應(yīng)。烷基化反應(yīng)時(shí)總會(huì)有少許多烷基化產(chǎn)物產(chǎn)生。原因：反應(yīng)中活性中間體碳正離子發(fā)生重排，產(chǎn)生更穩(wěn)定碳正離子后，再進(jìn)攻苯環(huán)形成產(chǎn)物。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第26頁d.苯環(huán)上如有–NO2、-SO3H、-COOH、-COR等取代基時(shí)，不能發(fā)生傅－克烷基化反應(yīng)。因這些取代基都是強(qiáng)吸電子基，降低了苯環(huán)上電子云密度，使親電取代不易發(fā)生。為此，慣用硝基苯作為傅—克烷基化反應(yīng)溶劑。因?yàn)楸胶虯lCl3

均可溶于硝基苯。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第27頁②傅－克酰基化在無水AlCl3

作用下，苯與酰鹵、羧酸酐反應(yīng)生成芳香酮。這是制備芳酮主要方法。這類反應(yīng)稱為傅－克?；?。

酰基化反應(yīng)特點(diǎn)：產(chǎn)物純、產(chǎn)量高（因?；话l(fā)生異構(gòu)化，也不發(fā)生多元取代）。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第28頁二、加成反應(yīng)

苯環(huán)易起取代反應(yīng)而難起加成反應(yīng)，但并不是絕正確，在特定條件下，也能發(fā)生一些加成反應(yīng)。1．加氫2．加氯

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第29頁三、氧化反應(yīng)苯環(huán)穩(wěn)定，普通不易氧化。但在高溫及催化劑作用下，可被空氣氧化為順丁烯二酸酐（馬來酐），這是工業(yè)生產(chǎn)馬來酐方法之一。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第30頁四、芳烴側(cè)鏈上反應(yīng)側(cè)鏈上鹵代反應(yīng)條件在光照或加熱條件下

側(cè)鏈較長(zhǎng)芳烴，側(cè)鏈鹵代主要發(fā)生在α-碳原子上。

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第31頁2.氧化反應(yīng)當(dāng)苯環(huán)側(cè)鏈上連有α-H時(shí)，不論側(cè)鏈長(zhǎng)短，氧化產(chǎn)物都為苯甲酸。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第32頁當(dāng)含α-H側(cè)鏈互為鄰位時(shí)，氣相高溫催化氧化最終產(chǎn)物是酸酐。比如：當(dāng)與苯環(huán)相連側(cè)鏈碳（α-C）上無氫原子（α-H）時(shí)，該側(cè)鏈不能被氧化。比如：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第33頁

苯環(huán)上親電取代反應(yīng)規(guī)律

一取代苯有兩個(gè)鄰位，兩個(gè)間位和一個(gè)對(duì)位，在發(fā)生一元親電取代反應(yīng)時(shí)，都可接收親電試劑進(jìn)攻，假如取代基對(duì)反應(yīng)沒有影響，則生成物中鄰、間、對(duì)位產(chǎn)物百分比應(yīng)為2：2：1。但從前面性質(zhì)討論可知，原有取代基不一樣，發(fā)生親電取代反應(yīng)難易就不一樣，第二個(gè)取代基進(jìn)入苯環(huán)相對(duì)位置也不一樣。比如：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第34頁從上述試驗(yàn)得知：①甲苯比苯易硝化，相同條件下甲苯硝化速度比苯快24倍。②苯環(huán)上連有－CH3時(shí)，產(chǎn)物主要為鄰、對(duì)位產(chǎn)物；連有－NO2時(shí)，產(chǎn)物主要為間位。③硝基苯硝化比苯難，它硝化速度為苯6×10－3倍。總而言之，苯一元取代物進(jìn)行親電取代時(shí)，有化合物比苯易進(jìn)行反應(yīng)，有則較難；有化合物反應(yīng)為鄰、對(duì)位產(chǎn)物，有則為間位產(chǎn)物。所以，苯環(huán)上原有取代基決定了第二個(gè)取代基進(jìn)入苯環(huán)位置作用，也影響著親電取代反應(yīng)難易程度。我們把原有取代基決定新引入取代基進(jìn)入苯環(huán)位置作用稱為取代基定位效應(yīng)。為了掌握苯環(huán)上親電取代規(guī)律，人們從大量試驗(yàn)中歸納了苯環(huán)上親電取代反應(yīng)定位規(guī)律。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第35頁一、一元取代苯定位規(guī)律1.苯環(huán)上定位基苯環(huán)上新引入取代基位置主要決定于原有環(huán)上取代基性質(zhì)。苯環(huán)上原有取代基稱為定位基。2.定位基分類依據(jù)原有取代基對(duì)苯環(huán)親電取代反應(yīng)影響——即新引入取代基導(dǎo)入位置和反應(yīng)難易，可分為兩類：（1）鄰、對(duì)位定位基使新引入取代基主要進(jìn)入原基團(tuán)鄰位和對(duì)位（鄰對(duì)位產(chǎn)物之和大于60%），且活化苯環(huán)，使取代反應(yīng)比苯易進(jìn)行。

這類定位基特點(diǎn)：與苯環(huán)相連原子含有孤對(duì)電子（烴基除外）或帶負(fù)電荷。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第36頁（2）間位定位基使新引入取代基主要進(jìn)入原基團(tuán)間位（間位產(chǎn)物大于50%），且鈍化苯環(huán)，使取代反應(yīng)比苯難進(jìn)行。這類定位基特點(diǎn)：與苯環(huán)直接相連原子以重鍵（不飽和鍵）與電負(fù)性較強(qiáng)原子結(jié)合或帶正電荷（－CCl3除外）。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第37頁二、定位效應(yīng)解釋

苯環(huán)上取代基定位效應(yīng)，可用電子效應(yīng)解釋，也可從生成σ絡(luò)合物穩(wěn)定性來解釋，還有空間效應(yīng)影響。用電子效應(yīng)解釋：

苯環(huán)是一個(gè)對(duì)稱分子，因?yàn)楸江h(huán)上π電子高度離域，苯環(huán)上電子云密度是完全平均分布，但苯環(huán)上有一個(gè)取代基后，因?yàn)槿〈绊懀h(huán)上電子云分布就發(fā)生了改變，出現(xiàn)電子云密度較大與較小交替現(xiàn)象，于是，進(jìn)行親電取代反應(yīng)難易程度就不一樣，進(jìn)入位置也不一樣。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第38頁1.對(duì)間位基解釋（以硝基苯為例）-I、-C方向都指向苯環(huán)外硝基（電荷密度向硝基分布）使苯環(huán)鈍化，因間位電荷密度降低相對(duì)少些，故新導(dǎo)入基進(jìn)入間位。硝基苯苯環(huán)上相對(duì)電荷密度為：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第39頁2.對(duì)鄰、對(duì)位基解釋（1）甲基和烷基誘導(dǎo)效應(yīng)+I和共軛效應(yīng)+C都使苯環(huán)上電子云密度增加，鄰位增加更多，量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果以下：故甲基使苯環(huán)活化，親電取代反應(yīng)比苯易進(jìn)行，主要發(fā)生在鄰、對(duì)位上。

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第40頁（2）含有孤電子正確取代基（-OH、-NH2、-OR等）

以苯甲醚為例：

因?yàn)?C>-I，所以苯環(huán)上電荷密度增大，且鄰、對(duì)位增加更多些，故為鄰對(duì)位定位基。3．第三類定位基（鹵素）定位效應(yīng)解釋以氯苯為例：－Cl電子效應(yīng)是－I和＋C，－I效應(yīng)降低苯環(huán)上全部碳原子電子密度。因?yàn)椋璉>＋C，即使氯苯分子中苯環(huán)上全部碳原子電子密度與苯相比較都有所降低——鈍化苯環(huán)；不過，與間位相比較，氯苯分子中鄰位和對(duì)位碳原子電子密度降低程度較小——鄰對(duì)位定位。

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第41頁三、二元取代苯定位規(guī)律苯環(huán)上已經(jīng)有兩個(gè)取代基（原子或基團(tuán)），再引入第三個(gè)取代基時(shí)，有以下幾個(gè)情況：1.原有兩個(gè)取代基定位效應(yīng)一致時(shí)，那么第三個(gè)取代基主要進(jìn)入原有兩個(gè)取代基定位效應(yīng)共同指向位置，比如：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第42頁3.原有兩個(gè)取代基同類，而定位效應(yīng)不一致，則第三個(gè)取代基進(jìn)入苯環(huán)位置主要由強(qiáng)定位基決定。比如：2.原有兩個(gè)取代基不一樣類，且定位效應(yīng)不一致時(shí)，則第三個(gè)取代基進(jìn)入苯環(huán)位置由鄰對(duì)位定位基指定。比如：醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第43頁四、定位規(guī)律應(yīng)用例1：例2：在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)中，應(yīng)用定位規(guī)律，能夠預(yù)測(cè)反應(yīng)主要產(chǎn)物，確定合理反應(yīng)路線，得到較高產(chǎn)量和輕易分離有機(jī)物。醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第44頁路線一：先硝化，后氧化路線二：先氧化，后硝化路線二有兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）反應(yīng)條件高，（2）有副產(chǎn)物，所以路線一為優(yōu)選路線。

醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第45頁

稠環(huán)芳烴

P70-73醫(yī)藥中專芳香烴專家講座第46頁47一)、休克爾規(guī)則（1931年，E.Huckel提出）：

(1)成環(huán)原子共平面或靠近于平面，平面扭轉(zhuǎn)小于0.1nm;(2)環(huán)狀閉合共軛體系;(3)環(huán)上π電子數(shù)為4n+2(n=0、1、2、3……)；符合休克爾規(guī)則環(huán)狀化合物，就有芳香性。其它不含苯環(huán)，π電子數(shù)為4n+2