第六章芳香烴

醫藥中專芳香烴專家講座第1頁芳香烴簡稱芳烴，普通情況下，指分子中含有苯環結構碳氫化合物。芳烴及其衍生物統稱為芳香族化合物。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。當代芳烴概念是指含有芳香性一類環狀化合物，它們不一定含有香味，也不一定含有苯環結構。

醫藥中專芳香烴專家講座第2頁3

芳烴分類醫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，依據苯一元取代物只有一個（說明六個氫原子是等同)事實，提出了苯環狀結構式。苯凱庫勒式結構

苯結構簡寫為：醫藥中專芳香烴專家講座第4頁

2、苯分子結構價鍵觀點

當代物理方法（射線法、光譜法、偶極距測定）表明，苯分子是一個平面正六邊形構型，鍵角都是120°，碳碳鍵長都是0.139nm。圖示以下：醫藥中專芳香烴專家講座第5頁按照軌道雜化理論，苯分子中六個碳原子都以sp2雜化軌道相互沿對稱軸方向重合形成六個C-Cσ鍵，組成一個正六邊形。每個碳原子各以一個sp2雜化軌道分別與氫原子1s軌道沿對稱軸方向重合形成六個C-Hσ鍵。因為是sp2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。每個碳原子還有一個垂直于σ鍵平面p軌道，每個p軌道上有一個p電子，六個p軌道組成了大π鍵。醫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軌道都垂直于碳環平面，彼此側面重合，形成一個封閉共軛體系，因為共軛效應使π電子高度離域，電子云完全平均化，故無單雙鍵之分。醫藥中專芳香烴專家講座第7頁3、從氫化熱看苯穩定性氫化熱是衡量分子內能大小尺度。氫化熱越大分子內能越高，越不穩定；氫化熱越低，分子內能越低，分子越穩定。醫藥中專芳香烴專家講座第8頁

4、苯結構式表示法自從1825年英國法拉第(Faraday)首先發覺苯之后，有機化學家對它結構和性質做了大量研究工作，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構式表示方法，但都不能圓滿表示苯結構。

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

單環芳烴同系物異構現象和命名

1.苯同系物及通式：苯分子中一個或幾個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或幾個CH2,通式：CnH2n-6（n≥6）2.芳烴同分異構a．烴基苯有烴基異構比如：b．二烴基苯有三種位置異構比如：c.三取代苯有三種位置異構比如：

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

（2）當苯環上連有兩個或兩個以上取代基時，可用阿拉伯數字或鄰、間、對等字樣表示。比如：醫藥中專芳香烴專家講座第12頁13(3)當苯環上連有兩個或兩個以上取代基時——用數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)醫藥中專芳香烴專家講座第13頁（4）當苯環上連有不飽和取代基時，普通以不飽和烴為母體，苯環作取代基命名。比如：（5）假如苯環上連有多個取代烷基時，選取最簡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對苯環編號。比如：醫藥中專芳香烴專家講座第14頁

苯及其同系物物理性質

1.常見單環芳烴為無色液體，含有特殊氣味。2.不溶于水,易溶于汽油、乙醚和CCl4等有機溶劑。3.密度比水?。ㄆ胀ㄔ?.86－0.93之間）。4.燃燒時火焰帶濃煙。5.沸點隨相對分子質量增大而升高。6.在二取代苯之中，對位異構體對稱性高、結晶能大，熔點高；所以能夠利用結晶方法從鄰間位異構體中分離對位異構體。醫藥中專芳香烴專家講座第15頁

苯及其同系物化學性質

芳烴化學性質主要是芳香性，即芳烴穩定，不易被氧化，不易進行加成反應，易發生取代反應。一、芳環上反應1.取代反應（1）鹵代反應（主要指溴代和氯代）反應歷程：醫藥中專芳香烴專家講座第16頁氯苯和溴苯繼續鹵化，生成二鹵代苯，主要得到鄰、對位產物。比如：甲苯在Fe或FeCl3

催化下鹵代，也得到鄰、對位產物。試驗事實證實，甲苯鹵代比苯鹵代更輕易。說明CH3－活化苯環，而且它是一個鄰、對位定位基。醫藥中專芳香烴專家講座第17頁（2）硝化反應苯與濃硫酸和濃硝酸混合物（也稱混酸）反應生成硝基苯。醫藥中專芳香烴專家講座第18頁硝化反應歷程：

濃H2SO4作用——促使NO2

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

鈍化了苯環，而且－NO2是一個間位定位基。醫藥中專芳香烴專家講座第20頁（3）磺化反應苯與濃硫酸或發煙硫酸進行磺化，生成苯磺酸。

磺化反應歷程：

反應可逆，生成水使硫酸變稀，磺化速度變慢，水解速度加緊，故慣用發煙硫酸進行磺化，以降低逆反應發生。醫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，主要是鄰、對位產物。故－SO3H

是間位定位基，同時鈍化苯環。在較高溫度下，苯磺酸繼續磺化，生成間二苯磺酸。醫藥中專芳香烴專家講座第22頁此反應慣用于有機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，改進染色性能。對十二烷基苯磺酸鈉是一個主要合成洗滌產品，屬磺酸鹽型陰離子表面活性劑。因為磺化反應是可逆，磺化逆反應稱為脫磺基反應或水解反應。苯磺酸與稀硫酸共熱時可水解脫下磺酸基。

當反應溫度升高時，對位產物百分比提升，當溫度到達100℃時，對位產物為主要產物（百分比為79%）。醫藥中專芳香烴專家講座第23頁（4）傅瑞德爾—克拉夫茨反應（簡稱傅氏反應，也叫傅－克反應）1877年法國化學家傅瑞德爾和美國化學家克拉夫茨發覺了制備烷基苯和芳酮反應，簡稱為傅—克反應。前者叫傅—克烷基化反應，后者叫傅—克?；磻＂俑担送榛跓o水AlCl3催化下，芳香烴與烷基化劑反應，生成烷基苯，此反應稱為傅—克烷基化反應。最慣用烷基化劑是鹵代烷。反應歷程：醫藥中專芳香烴專家講座第24頁烯和醇也可作烷基化劑。此反應中應注意以下幾點：a.凡在反應中能提供烷基試劑，稱為烷基化劑。慣用烷基化劑為鹵代烷、烯烴及醇。b.當烷基化劑含有三個或三個以上直鏈碳原子時，則引入烷基發生分子重排（碳鏈異構）。醫藥中專芳香烴專家講座第25頁c.傅－克烷基化反應是可逆反應。烷基化反應時總會有少許多烷基化產物產生。原因：反應中活性中間體碳正離子發生重排，產生更穩定碳正離子后，再進攻苯環形成產物。醫藥中專芳香烴專家講座第26頁d.苯環上如有–NO2、-SO3H、-COOH、-COR等取代基時，不能發生傅－克烷基化反應。因這些取代基都是強吸電子基，降低了苯環上電子云密度，使親電取代不易發生。為此，慣用硝基苯作為傅—克烷基化反應溶劑。因為苯和AlCl3

均可溶于硝基苯。醫藥中專芳香烴專家講座第27頁②傅－克?；跓o水AlCl3

作用下，苯與酰鹵、羧酸酐反應生成芳香酮。這是制備芳酮主要方法。這類反應稱為傅－克酰基化。

?；磻攸c：產物純、產量高（因?；话l生異構化，也不發生多元取代）。醫藥中專芳香烴專家講座第28頁二、加成反應

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

醫藥中專芳香烴專家講座第29頁三、氧化反應苯環穩定，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），這是工業生產馬來酐方法之一。醫藥中專芳香烴專家講座第30頁四、芳烴側鏈上反應側鏈上鹵代反應條件在光照或加熱條件下

側鏈較長芳烴，側鏈鹵代主要發生在α-碳原子上。

醫藥中專芳香烴專家講座第31頁2.氧化反應當苯環側鏈上連有α-H時，不論側鏈長短，氧化產物都為苯甲酸。醫藥中專芳香烴專家講座第32頁當含α-H側鏈互為鄰位時，氣相高溫催化氧化最終產物是酸酐。比如：當與苯環相連側鏈碳（α-C）上無氫原子（α-H）時，該側鏈不能被氧化。比如：醫藥中專芳香烴專家講座第33頁

苯環上親電取代反應規律

一取代苯有兩個鄰位，兩個間位和一個對位，在發生一元親電取代反應時，都可接收親電試劑進攻，假如取代基對反應沒有影響，則生成物中鄰、間、對位產物百分比應為2：2：1。但從前面性質討論可知，原有取代基不一樣，發生親電取代反應難易就不一樣，第二個取代基進入苯環相對位置也不一樣。比如：醫藥中專芳香烴專家講座第34頁從上述試驗得知：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苯環上連有－CH3時，產物主要為鄰、對位產物；連有－NO2時，產物主要為間位。③硝基苯硝化比苯難，它硝化速度為苯6×10－3倍?？偠灾?，苯一元取代物進行親電取代時，有化合物比苯易進行反應，有則較難；有化合物反應為鄰、對位產物，有則為間位產物。所以，苯環上原有取代基決定了第二個取代基進入苯環位置作用，也影響著親電取代反應難易程度。我們把原有取代基決定新引入取代基進入苯環位置作用稱為取代基定位效應。為了掌握苯環上親電取代規律，人們從大量試驗中歸納了苯環上親電取代反應定位規律。醫藥中專芳香烴專家講座第35頁一、一元取代苯定位規律1.苯環上定位基苯環上新引入取代基位置主要決定于原有環上取代基性質。苯環上原有取代基稱為定位基。2.定位基分類依據原有取代基對苯環親電取代反應影響——即新引入取代基導入位置和反應難易，可分為兩類：（1）鄰、對位定位基使新引入取代基主要進入原基團鄰位和對位（鄰對位產物之和大于60%），且活化苯環，使取代反應比苯易進行。

這類定位基特點：與苯環相連原子含有孤對電子（烴基除外）或帶負電荷。醫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入原基團間位（間位產物大于50%），且鈍化苯環，使取代反應比苯難進行。這類定位基特點：與苯環直接相連原子以重鍵（不飽和鍵）與電負性較強原子結合或帶正電荷（－CCl3除外）。醫藥中專芳香烴專家講座第37頁二、定位效應解釋

苯環上取代基定位效應，可用電子效應解釋，也可從生成σ絡合物穩定性來解釋，還有空間效應影響。用電子效應解釋：

苯環是一個對稱分子，因為苯環上π電子高度離域，苯環上電子云密度是完全平均分布，但苯環上有一個取代基后，因為取代基影響，環上電子云分布就發生了改變，出現電子云密度較大與較小交替現象，于是，進行親電取代反應難易程度就不一樣，進入位置也不一樣。醫藥中專芳香烴專家講座第38頁1.對間位基解釋（以硝基苯為例）-I、-C方向都指向苯環外硝基（電荷密度向硝基分布）使苯環鈍化，因間位電荷密度降低相對少些，故新導入基進入間位。硝基苯苯環上相對電荷密度為：醫藥中專芳香烴專家講座第39頁2.對鄰、對位基解釋（1）甲基和烷基誘導效應+I和共軛效應+C都使苯環上電子云密度增加，鄰位增加更多，量子化學計算結果以下：故甲基使苯環活化，親電取代反應比苯易進行，主要發生在鄰、對位上。

醫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：

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

醫藥中專芳香烴專家講座第41頁三、二元取代苯定位規律苯環上已經有兩個取代基（原子或基團），再引入第三個取代基時，有以下幾個情況：1.原有兩個取代基定位效應一致時，那么第三個取代基主要進入原有兩個取代基定位效應共同指向位置，比如：醫藥中專芳香烴專家講座第42頁3.原有兩個取代基同類，而定位效應不一致，則第三個取代基進入苯環位置主要由強定位基決定。比如：2.原有兩個取代基不一樣類，且定位效應不一致時，則第三個取代基進入苯環位置由鄰對位定位基指定。比如：醫藥中專芳香烴專家講座第43頁四、定位規律應用例1：例2：在生產實踐和科學試驗中，應用定位規律，能夠預測反應主要產物，確定合理反應路線，得到較高產量和輕易分離有機物。醫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缺點：（1）反應條件高，（2）有副產物，所以路線一為優選路線。

醫藥中專芳香烴專家講座第45頁

稠環芳烴

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

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