1、第二节 芳香烃(aromatic hydrocarbon）,有机化学 Organic Chemistry,大多数芳烃含有苯的六碳环结构,少数不具有苯的结构,性质与苯环相似的芳环称非苯芳烃，. 芳环上,第二节 芳烃,(1)不易发生加成反应, (2)不易氧化, (3)而容易起取代反应.,芳烃可分为以下三类:,(1) 单环芳烃（本章只讲） (2) 多环芳烃 (3) 非苯芳烃,苯,甲苯,苯乙烯,联苯,萘(nai),蒽(en),(1) 单环芳烃分子中只含有一个苯环,(2) 多环芳烃分子中有两个或以上的苯环,分子中不含苯环,但含有结构性质与苯环相似的芳环,具有芳香族化合物的共同特性,环戊二烯负离子,环庚三
2、烯正离子,奥,蓝烃,(3) 非苯芳烃,-,+,甲苯,乙苯,正丙苯,异丙苯,3.2.1 单环芳烃的构造和命名,(1) 一元取代物 (烷基为取代基)苯为母体,(2) 苯的二元取代物加“邻,间或对”字,或用1,2-; 1,3-; 1,4-表示.或用英文“o-”“m-”“p-”表示.,邻二甲苯 (1,2-二甲苯),间二甲苯 (1,3-二甲苯),对二甲苯 (1,4-二甲苯),(3) 三元取代物用数字代表取代基的位置或用“连,偏,均”字表示它们的位置.,1,2,3-三甲苯 (连三甲苯),1,2,4-三甲苯 (偏三甲苯),1,3,5-三甲苯 (均三甲苯),(4) 对结构复杂或支链上有官能团的化合物,也可把支
3、链作为母体,苯环当作取代基命名.,2-甲基-3-苯基戊烷,苯乙烯 (乙烯基苯),苯乙炔,2-苯基-2-丁烯,苯基-苯分子上减去一个H后的基团叫苯基, 用“Ph”表示,或者C6H5-,或甲苯基-甲苯分子中苯环上减去一个H所得基团叫甲苯基.苄基-甲苯的甲基上减去一个H,叫苯甲基或苄基.,(5) 芳基,苯基,苄(bian)基,邻甲苯基,对甲苯基,间甲苯基,苄醇(苯甲醇),苄氯(氯化苄),（12）均三甲苯,（7）对-异丙基甲苯,（9）间-溴甲苯,（10）对-丙烯基甲苯,（8）2-甲基6-乙基萘,（11）2-苯基丙烯,苯的分子式: (C6H6) 苯比较稳定,只有在加压和催化剂作用下才发生加氢反应:C6H
4、6 + 3H2,3.2.2 苯的结构,苯不易发生加成,不易氧化,容易发生取代反应.,Ni,压力,苯加氢生成环己烷,苯的 ,说明苯环上的六个碳原子和六个氢原子的地位是等同的. 1865年凯库勒提出苯的结构是一个对称的六碳环,每个碳原子上都连有一个氢原子.,满足碳四价,一元取代物只有一种,上面两式是等同的,苯的邻位二元取代物,一元取代物: 一种,实际上是一种,凯库勒假定:苯的双键是不固定的,而是不停地来回移动,所以下列两种结构式迅速互变,不能分离.,迅速互变,+ H2, -120 kJ/mol,+ 3H2, -208 kJ/mol,(2) 苯的氢化,(3) 1,3-环己二烯脱氢,- H2, -23
5、 kJ/mol,苯的稳定性证明,(1) 环己烯催化加氢:,放热反应！,(1) 按凯库勒式:苯分子中有交替的碳碳单键和双键, 而单键和双键的键长是不等的.苯应该是一个不规则的六边形结构. (2) 实际上:苯分子中碳碳键的键长完全相等,均为139pm.即比一般的碳碳单键短,比一般的碳碳双键长一些.所以,凯库勒式的缺陷,凯库勒式并不能代表苯分子的真实结构.,(1) 分子轨道理论,六个碳均为 sp2杂化,苯的p轨 道交盖,闭合共轭体系,3.2.3苯分子结构的近代概念,大 键,H,H,H,H,H,H,六个离域的电子总能量较低.苯中所有碳碳键都相等.键长也完全相等(139pm),苯的离域 分子轨道,苯分子
6、是正六边形,碳和氢均处于同一平面, 电子云均匀地分布在苯环的上下.C-C 键长平均化,为139pm. (3) 总的结果造成一个高度对称的分子,其电子具有相当大的离域作用,从而使它们能量比在三个孤立的 轨道中要低得多.,小结 苯分子结构的认识:,3.3单环芳烃的化学反应,1. 取代反应,(3) 硝化反应,(1) 卤化反应,(4) 烷基化反应,(2) 磺化反应,(5) 酰基化反应,亲电取代反应,和芳烃起作用的试剂都是缺电子或带正电的亲电试剂,因此这些反应都是,首先亲电试剂E+进攻苯环,并很快和苯环的电子形成,(2) 络合物中亲电试剂 E+ 进一步与苯环的一个碳原子直接连接,形成,C: sp2 sp
7、3,芳环亲电取代反应历程:, 络合物,络合物,快,放热反应,苯亲电取代反应的能量示意图, 8.36 kJ/mol, -45.14 kJ/mol,吸热反应,取代反应,实际上,芳烃并不发生上述的加成反应.而容易发生取代反应.,假设发生加成反应:, -122.06 kJ/mol,CH2=CH2 + Br2 BrCH2CH2Br,放热反应,总结芳烃亲电取代反应历程表示如下:,快,三卤化铁的作用-促使卤素分子极化而离解,X2 + FeX3 X+ + FeX4-,(1) 卤化反应,55-60 ,反应生成氯苯和溴苯,通常还得到少量二卤代苯,邻二氯苯50%,对二氯苯45%,甲苯在三氯化铁存在下,主要生成邻氯甲
8、苯和对氯甲苯(离子型取代反应-苯环上取代反应),邻氯甲苯,对氯甲苯,注意：催化剂,30,HONO2 + H2SO4 NO2+ + H3O+ + HSO4-,-苯与混酸(浓HNO3和浓H2SO4)作用,(2) 硝化反应,酸,碱,总式:,硝酰正离子,5060,2H2SO4 + HONO2 NO2+ + H3O+ + 2HSO4-,H2SO4 + HONO2 HONO2 + HSO4-,+ ,H,+ ,H,硝化反应历程,H NO2,硝化反应中的亲电试剂是NO2+(硝酰正离子),硝基苯不易继续硝化.在更高的温度下或发烟硫酸和发烟硝酸的化合物作硝化剂才能引入第二个硝基,且主要生成间二硝基苯.,间二硝基苯
9、 93.3%,95 ,发烟HNO3+H2SO4,烷基苯在混酸的作用下,也发生环上取代反应,比苯容易,而且主要生成邻位和对位的取代物.,邻硝基甲苯58%,对硝基甲苯38%,进一步硝化，生成2,4,6-三硝基甲苯（ TNT ）,30 ,苯与发烟硫酸则在室温下即生成苯磺酸,(3) 磺化反应,32%,62%,苯磺酸在更高温度下继续磺化,可生成间苯二磺酸:,200300,磺化反应历程,2H2SO4 SO3 + H3O+ + HSO4-,作用1:可以利用磺酸暂时占据环上的某些位置,使这个位置不再被其它基取代. 作用2: 或利用磺酸基的存在,影响其水溶性等,待其他反应完毕后,再经水解将磺酸基脱去.,苯的磺化
10、反应是可逆的,去除,利用磺化的可逆性可以起到保护苯环上的某些位置的作用：幻灯片 50,Friedel-Crafts反应.制备 和 的反应.简称傅-克反应.,(4) 傅列德尔-克拉夫茨烷基化反应,烷基苯,芳酮,工业上就是利用乙烯和丙烯制备乙苯和丙苯:,除卤烷外,烯烃和醇也可作为烷基化剂.,ROH + BF3 ROBF3 R+ + HOBF3-,(1) 必须加入微量水以促进反应进行:AlCl3 + 3H2O Al(OH)3 + 3HClC2H4 + HCl C2H5Cl (2) 其他同卤烷与芳烃的反应历程.,AlCl3,烯烃和苯制备烷基苯的反应历程,常用三氟化硼或 AlCl3 作为催化剂.,醇和苯
11、制备烷基苯的反应历程,H,ArH + R+ Ar ArR + H+,H,R,H+ + HOBF3- H2OBF3 H2O + BF3,10,10,Note: Rearrangement may occur in alkylation,例1:,这是正氯丙烷与 AlCl3 作用生成异丙基正离子:,H CH3-CH-CH2-ClAlCl3 CH3CHCH3 + AlCl4-, -,+,碳正离子的重排及历程,例2: 苯和2-甲基-1-氯丙烷反应 产物:全部是 叔丁基苯.,注意（1）傅-克烷基化学反应是个可逆反应；（2）当苯环上有强的间位定位基，则不发生傅克烷基化反应 。,重排历程如下:,思考题(1),
12、下列化合物中哪些不能发生傅-克烷基化反应?,(1) C6H5CN (2) C6H5CH3 (3) C6H5CCl3,(4) C6H5CHO (5) C6H5OH (6) C6H5COCH3,解: (1)、(3)、(4)、(6)均不能发生傅-克烷基化反应.（5）很容易发生傅克反应，但最好不用AlCl3做催化剂（络合）。,3,2,AlCl3,AlCl3,苯 + CCl4 ？（考虑空间位阻）,AlCl3,例1,例2,例3,思考题(2),注意：在傅-克反应中卤代物的活泼性：F Cl Br I,思考题(3),(iii),完成下列反应式：,H2SO4,110 ,加压,(ii),BF3 -20 ,芳烃在无水
13、AlCl3催化下与酰卤(RCOX)或酸酐作用,生成芳酮的反应,叫酰基化反应.是准备芳酮的重要方法之一.,(5) 傅列德尔-克拉夫茨酰基化反应,.1. 进攻的亲电试剂可能是:酰基正离子RCOCl + AlCl3 R-C=O + AlCl4-或者是酰基化剂与催化剂所形成的络合物:RCOCl + AlCl3 R-COClAlCl3,+,.2. 反应历程:,加稀酸处理,傅-克酰基化反应机理:,AlCl3用量？,H COR,傅-克酰基化反应不发生重排(与烷基化反应不同)：,生成的酮可以用锌汞齐加盐酸或黄鸣龙法还原为亚甲基:,重点: 傅-克酰基化反应是芳环上引入正构烷烃的方法,芳烃较稳定,只有在特殊条件下
14、才发生加成反应,六氯化苯简称六六六,有八种异构体,只有异构体具有杀虫活性,占化合物的18%.,2. 加成反应,(1) 加氢,(2) 加氯(在紫外线照射下),常见的氧化剂:高锰酸钾,重铬酸钾加硫酸,稀硝酸等,只使侧链发生氧化:,3.芳烃侧链反应,(1) 氧化反应,苯甲酸,150160，11.5MPa,稀,对苯二甲酸,在过量氧化剂存在下,无论支链长短,最后都氧化成苯甲酸(说明的活泼性):,注意：叔丁基苯由于无，在一般情况下不氧化，但在强烈条件下，环破裂.,均有,直接氧化到苯甲酸,MnO4-/H2O ,练习：,比较两种反应的条件,Cl2 日光或热,Cl2 日光或热,Cl2 日光或热,苯环上H的取代(
15、离子型):,+ Cl2,CH3,Cl,Cl,Fe或 FeCl3,+,邻位,对位,+2HCl,(2) 氯化反应,苯环侧链上的H取代，自由基型取代反应:,问 为什么在高温或光照下,主要生成苯一氯甲烷? 自由基型取代反应,生成的苄基自由基比较稳定.,苄基自由基亚甲基p轨道的离域,(A) 苯、烷基苯的取代反应,主要邻位和 对位取代物,例1:,苯环上亲电取代反应的定位效应,1 定位规律,混酸,5060,主要是邻位和对位取代物,例2:,发烟H2SO4,3050,常温,第二个取代基主要进入硝基或磺酸基的间位:,93.3%,90%,(B) 硝基苯、苯磺酸的取代反应,发烟HNO3+H2SO4,95,发烟H2SO
16、4,200230,小结:苯环上已有一个取代基,再引入第二个取代基的可能位置:,A,A,A,邻位,间位,对位,取代产物中邻位和对位异构体占优势,且其反应速度一般都要比苯快些;间位异构体为主, 且其反应速度一般都要比苯慢些.,例如:-O- 、-NH2 、-NHR 、-NR2、-OH、-OCH3、-NHCOCH3、-OCOR、-C6H5、-CH3、-X等这些取代基与苯环直接相连的原子上,一般只具有单键或带负电荷. 这类取代基使第二个取代基主要进入它们的邻位和对位,即它们具有邻对位定位效应,而且反应比苯容易进行(卤素例外),也就是它们能使苯环活化.,(1) 邻对位定位基第一类定位基,特点:,1.邻对位
17、定位基定位能力由强到弱的顺序:-O- -NR2 -NH2 -OH -OR -NHCOR -OCOR -R -Ar -X,补充：,例如: -N(CH3)3 、-NO2、-CN、-COOH、-SO3H、-CHO、-COR等.这些取代基与苯环直接相连的原子上,一般具有重键或带正电荷. 这类取代基使第二个取代基主要进入它们的间位,即它们具有间位定位效应,而且反应比苯困难些,也就是它们能使苯环钝化.,+,(2) 间位定位基第二类定位基,特点:,-NR3 -NO2 -CN -SO3H -CHO -COR -COOH -COOR -CONH2,+,2.间位定位基定位能力由强到弱的顺序:,补充：,需要一定的活
18、化能才能生成络合物(即碳正离子中间体),所以 络合物的生成这一步比较慢,它是决定整个反应速度的步骤. 如果取代基的存在使中间体碳正离子更加稳定,那么络合物的生成就易,也就是需要的活化能不大,这一步反应速度就比苯快.那么这个取代基的影响就是使苯环活化. 如果取代基的存在使中间体碳正离子稳定性降低,那么生成碳正离子所需要的活化能较高,这一步反应速度就比苯慢.那么这个取代基的影响就是使苯环钝化.,2. 定位规律的解释,特点：对苯环具有供电子效应,因而使苯环电子云密度增加.-NH2 、-OH等是强的邻对位定位基.,(1) 邻对位定位基的影响,如苯环上的第一类定位基是: -NH2 、-OH等, 则它们与
19、苯环直接相连的杂原子上都具有未共 用p电子对,可通过共轭效应向苯环离域,增加苯 环的电子云密度.,由图可见,甲苯的亲电取代都比苯容易,而甲苯的邻位和对位取代又比间位容易进行.,甲苯和苯亲电取代中的能量变化比较,它具有吸电子效应,它使苯环的电子云密度下降,从而增加了中间碳正离子生成时的正电荷.这种碳正离子中间体能量比较高,稳定性低,不容易生成,这是钝化的实质.,(2) 间位定位基的影响,特点是:,第二类定位基使苯环钝化,都是由于这类定位基的吸电子性引起的,这种影响遍及苯环的所有位置,但邻位和对位上的影响更大(钝化影响更甚). 第二类定位基所以定位于间位,只是相对间位取代的中间碳正离子比较稳定,比
20、较容易生成.,以硝基苯为例,硝基苯和苯亲电取代中的能量变化比较,它是钝化苯环的邻对位定位基. 这是由于两种相反的效应-吸电子诱导效应和推电子共轭效应的综合结果. (A) 卤原子是强吸电子取代基,通过诱导效应,可使苯环钝化. (B) 但发生亲电取代反应时,卤原子上未共用p电子对和苯环的大键共轭而向苯环离域.,(3) 卤原子的定位效应,卤苯和苯亲电取代中能量变化比较,(1) 两个取代基的定位效应一致时,第三个取代基进入位置由上述取代基的定位规则来决定:,(空间位阻),3.苯的二元取代产物的定位规律,例如:,(2) 两个取代基的定位效应不一致时,第三个取代基进入的主要位置由定位效应强的取代基所决定:
21、,-OH -CH3 -NH2 -Cl -NO2 -COOH (邻对位定位基) (邻对位定位基) (间位定位基),COOH,NO2,(3) 当两个取代基属于不同类型时,第三个取代基进入的位置由邻对位定位基决定(因为邻、对位基反应的速度大于间位基).,空间位阻(少量),-NHCOCH3 -NO2,1. The ortho/para ratio,补：取代基对芳环亲电取代反应的影响,取代基的空间位阻将影响邻对位比例,2. The ortho/para ratio,取代基的体积越大，空间位阻大，邻位比例减少,例1:硝基氯苯的邻、对、间位异构体均是有机合成的原料,若从苯出发:,+,硝化,氯化,氯化,硝化,取代定位效应的应用-选择适当的合成路线,补充,Br,磺化,溴化,HNO3,一般不先硝化,因为硝化后使苯环钝化,反应不易,产率低.,例2:,6.,(1),(4),(2),(3),(6),(5),5.,(2),(3),(5),(1),10.,12.,13.,(a)间二甲苯对二甲苯甲苯苯1,3,5-三甲苯,(b)甲苯苯溴苯硝基苯,
