醫(yī)用化學(xué)/芳香烴
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芳香烴科稱芳烴,它是芳香族化合物的母體。這里所講的芳香烴是指分子中含有苯環(huán)的烴類。苯是最簡單最重要的芳香烴。
在芳香烴中，根據(jù)所含苯環(huán)數(shù)目的多少和連接方式，又可分為單環(huán)芳香烴和多環(huán)芳香烴兩類。
單環(huán)芳香烴：
這類芳香烴分子中只含有一個(gè)苯環(huán)，如苯，甲苯、二甲苯等。
多環(huán)芳香烴：
分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的苯環(huán)，根據(jù)苯環(huán)的連接方式不同，又可分為三類：
多苯代脂烴這類芳香烴可看作是脂肪烴中兩個(gè)或兩個(gè)以上氫原子被苯取代的化合物，如二苯甲烷、三苯甲烷等。
聯(lián)苯和聯(lián)多苯分子中兩個(gè)或兩個(gè)以上的苯環(huán)直接互相連接，如聯(lián)苯、多聯(lián)苯等。
稠環(huán)芳香烴苯環(huán)通過共用相鄰的碳原子相互稠合而成的芳香烴稱為稠環(huán)芳香烴。如萘、蒽、菲等。
芳香烴是合成芳香族化合物的重要原料，而芳香族化合物又是醫(yī)學(xué)、染料及國防等工業(yè)的重要物質(zhì)。芳香烴主要來自石油C5-C8餾分的芳構(gòu)化，即從石油加工中制取。
目錄 |
一、苯的結(jié)構(gòu)
根據(jù)元素分析和相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定，證明苯的分子式C6H6。由苯的分子式可見，碳?xì)浔群鸵胰蚕嗤?，都?：1，它應(yīng)具有不飽和性，但是事實(shí)并非如此。苯極為穩(wěn)定，不易氧化，難起加成反應(yīng)，但在催化劑的作用下，易發(fā)生取代反應(yīng)。由此證明，苯的性質(zhì)與不飽和烴大有區(qū)別。苯的這種性質(zhì)來自苯的特殊結(jié)構(gòu)。
1865年凱庫勒首先提出了苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，即六個(gè)碳原子彼此連結(jié)成環(huán)，每個(gè)碳原子上都結(jié)合著一個(gè)氫原子。為了滿足碳的四價(jià)，凱庫勒提出如下的構(gòu)造式：
凱庫勒的這種環(huán)狀構(gòu)造式在一定程度上反映了客觀事實(shí)，如苯在一定條件下，催化加氫生成環(huán)己烷。這說明了苯分子的六個(gè)碳原子結(jié)合成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。但凱庫勒式還不能解釋分子中雖含有三個(gè)雙鍵，為什么不出現(xiàn)與烯烴相類似的加成反應(yīng)。另外，苯的鄰位二元取代物只有一種，而凱庫勒的構(gòu)造式卻能有兩種。
為了解釋這種情況，凱庫勒認(rèn)為分子中的單、雙鍵不是固定的，它們可以相互轉(zhuǎn)變。
多年來，人們對(duì)于苯提出了多種構(gòu)造式，但還沒有一種能比較完善地表示它的結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過現(xiàn)代物理方法的研究，證明苯分子中的六個(gè)碳原子都是sp3雜化的。每個(gè)碳原子各以兩個(gè)sp2雜化軌道分別與另外兩個(gè)碳原子形成C-Cσ鍵。這樣六個(gè)碳原子構(gòu)成了一個(gè)正六邊形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。每個(gè)碳原子上的另一個(gè)sp2軌道，其電子云的對(duì)稱軸在正六邊形的平面上，這個(gè)sp2雜化軌道與氫原子的1s軌道，其電子云的對(duì)稱軸在正六邊形的平面上，這個(gè)sp2雜化軌道與氫原子的1s軌道形成C-Hσ。因此苯人子中的所有原子都在一個(gè)面上，鍵角都是120°［圖12-（a）］，每個(gè)碳原子還有一個(gè)未參與雜化的pz雜化軌道［圖12-(b)］，它的對(duì)稱軸垂直于此平面，能與相鄰的兩個(gè)碳原子上的pz軌道分別從側(cè)面平行重疊，形成了一個(gè)閉合的共軛體系［圖12-5（c）］，在這個(gè)體系中，環(huán)上有六個(gè)碳原子和六個(gè)π電子，離域的π電子云完全平均化，體系能量低，比較穩(wěn)定。π電子云成兩個(gè)輪胎狀［圖12-5（d）］，均勻分布在苯環(huán)平面的上下兩側(cè)。苯分子中的碳-碳鍵長也完全平均化，都是0.1393nm。這種具有6π電子閉合共軛體系，使得苯環(huán)具有高度的對(duì)稱性和特殊的穩(wěn)定性。由于形成了閉合共軛體系，無單、雙鍵之分，故苯的鄰位二元取代物只能有一種。
目前國內(nèi)、外多采用凱庫勒式
，但不要理解為苯分子中存在單鍵和雙鍵，另一種表示方法是用正六邊形碳環(huán)中畫一圓圈
（代表環(huán)狀共軛π
鍵）的式子表示。
二、苯的同系物的異構(gòu)現(xiàn)象和命名
苯的同系物是指苯分子中氫原子被烴基取代的衍生物。當(dāng)苯環(huán)上只有一個(gè)取代基時(shí)，可以苯環(huán)為母體命名，烷基作取代基。若側(cè)鏈為不飽和烴基（如烯基或炔基）等，則以不飽和烴為母體命名，苯環(huán)（苯基）作為取代基。例如：
當(dāng)苯環(huán)上有兩個(gè)取代基時(shí)，則有三種位置異構(gòu)體。兩個(gè)取代基的相對(duì)位置，可用鄰（o）、對(duì)（p）和間（m）或數(shù)字表示。
當(dāng)苯環(huán)上有三個(gè)或三個(gè)以上取代基時(shí)，它們的位置用數(shù)字表示。
芳香烴分子中的一個(gè)氫原子被去掉后，所余下的原子團(tuán)稱為芳基，常用Ar表示。例如：
三、苯及其同系物的性質(zhì)
（一）物理性質(zhì)
苯和它的常見同系物一般為無色的液體，不溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。相對(duì)密度0.8-0.9。芳香烴一般都有毒性。液體芳香烴常用作有機(jī)溶劑。苯及其同系物的物理常數(shù)見表12-2。
表12-2 苯的同系物
| 名稱 | 熔點(diǎn)℃ | 沸點(diǎn)℃ | 相對(duì)密度（d204） |
| 苯 | 5.5 | 80.1 | 0.8765 |
| 甲苯 | -95 | 110.6 | 0.8669 |
| 鄰二甲苯 | -25.2 | 144.4 | 0.8802 |
| 間二甲苯 | -47.9 | 139.1 | 0.8641 |
| 對(duì)二甲苯 | -13.2 | 138.4 | 0.8610 |
| 乙苯 | -93.9 | 136.2 | 0.8667 |
| 連三甲苯 | ＜-15 | 176.1 | 0.8943 |
| 偏三甲苯 | -57.4 | 169.4 | 0.8758 |
| 均三甲苯 | -52.7 | 164.7 | 0.8651 |
| 正丙苯 | -101.6 | 159.2 | 0.8620 |
| 異丙苯 | -96.9 | 152.4 | 0.8617 |
（二）化學(xué)性質(zhì)
由于苯及同系物分子中都含有苯環(huán)，故它們的化學(xué)性質(zhì)與飽和烴具有明顯的不同，具有特殊的“芳香性”。主要表現(xiàn)在取代、加成和氧化反應(yīng)上，其中以取代反應(yīng)為重要。
1．取代反應(yīng)
在一定條件下，苯環(huán)上的氫原子易被其它的原子或原子團(tuán)取代。
（1）鹵代反應(yīng)：在鐵粉或鹵化鐵的催化下，氯或溴原子可取代苯環(huán)上的氫，主要生成氯苯或溴苯。
在同樣的催化劑存在時(shí)，苯的同系物與鹵素的反應(yīng)比苯容易。一烷基苯與鹵素反應(yīng)主要是鹵素取代烷基的鄰位或?qū)ξ簧系臍湓印?/p>
如果不用催化劑，而是在日光或加熱的條件下甲苯與氯氣反應(yīng)，則取代不是發(fā)生在苯環(huán)上，而是發(fā)生在側(cè)鏈上，即甲基上的氫逐個(gè)地被氧化（自由基取代）。
每步反應(yīng)都有氯化氫身生成。如果控制氯氣的量，可以使反應(yīng)停止在生成氯化芐的階段。
在光照下，乙苯與氯的反應(yīng)得到一個(gè)混合物。一般說來，在進(jìn)行自由基鹵代時(shí)，α-H比β-H容易被取代。乙苯與溴在日光下反應(yīng)時(shí)，α-溴乙苯幾乎是唯一產(chǎn)物，表明了自由基溴代時(shí)，溴對(duì)不同氫原子取代的選擇性。
（2）硝化反應(yīng)苯與濃硝酸及濃硫酸的混合物（混熱）共熱后，苯環(huán)上的氫原子被硝基（-NO2）取代，生成硝基苯。
在有機(jī)化合物分子中引入硝基的反應(yīng)叫做硝化反應(yīng)。
硝基苯不易繼續(xù)硝化。如果用發(fā)煙硝酸和濃硫酸在95℃時(shí)，硝基苯可轉(zhuǎn)變?yōu)殚g二硝基苯。
所以當(dāng)苯環(huán)上帶有硝基時(shí)，再引入第二個(gè)硝基到苯環(huán)上就比較困難；或者說，硝基苯進(jìn)行硝化反應(yīng)比苯要難。此外，第二個(gè)硝基主要是進(jìn)入苯環(huán)上原有硝基的間位。
苯的同系物發(fā)生硝化反應(yīng)時(shí)比苯要容易。硝基主要進(jìn)入烷基的鄰位及對(duì)位。
如果反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，鄰及對(duì)硝基甲苯繼續(xù)硝化，主要得2，4-二硝基甲苯，后者在100℃時(shí)進(jìn)一步反應(yīng)，生成2，4，6-三硝基甲苯（INT），它是一種重要的炸藥。
（3）磺化反應(yīng) 苯與濃硫酸在75-80℃或發(fā)煙硫酸（SO3+濃H2SO4）在40℃時(shí)反應(yīng)。苯環(huán)上的氫原子被磺酸基（-SO 3H）取代，生成苯磺酸。
在有機(jī)化合物分子中引入磺酸基的反應(yīng)叫做磺化反應(yīng)。
苯磺酸繼續(xù)磺化時(shí)，需要用發(fā)煙硫酸及較高溫度，產(chǎn)生主要為間苯二磺酸。可見，苯環(huán)上已有了磺基后，再引入第二個(gè)磺基時(shí)比苯要難，而且第二個(gè)磺基主要進(jìn)入原來磺基的間位。
苯的同系物的磺化反應(yīng)比苯容易進(jìn)行。例如，甲苯與濃硫酸在常溫下即可發(fā)發(fā)生碘化反應(yīng)，主要產(chǎn)生是鄰及對(duì)苯磺酸。如在100-120℃時(shí)反應(yīng)，則對(duì)甲苯酸為主要產(chǎn)生。
碘酸是有機(jī)強(qiáng)酸，易溶于水，其酸性可與無機(jī)強(qiáng)酸相比。
（4）傅-克反應(yīng)：芳香烴在無水ALCL3作用下，環(huán)上的氫原子也能被烷基和?；?/a>所取代。這是一個(gè)制備烷基烴和芳香酮的方法，稱為傅瑞德爾-克拉夫慈反應(yīng)，簡稱傅-克反應(yīng)。
① 烷基化反應(yīng)
常用的?；?a href="/w/%E8%AF%95%E5%89%82" title="試劑">試劑是酰鹵，此外還可以用酸酐。
2．氧化反應(yīng)
苯環(huán)本身很穩(wěn)定，在一般情況下難以氧化。苯的同系物則能與一些氧化劑（如重鉻酸鉀的酸性溶液、高錳酸鉀溶液）反應(yīng)。這時(shí)，苯環(huán)的側(cè)鏈被氧化，只要側(cè)鏈上有α-H，無論側(cè)鏈烷基長短如何，都被氧化為與苯相連的羧基。
叔丁基苯不含α-H，在上述條件下不被氧化。
在劇烈的條件下和催化劑存在時(shí)，苯環(huán)才被破壞。例如：
3．加成反應(yīng)
環(huán)苯在一般條件下不容易發(fā)生加成反應(yīng)。當(dāng)在催化劑、高溫或光的影響下，也可加成。
溴與苯可進(jìn)行類似反應(yīng)。
苯的同系物與鹵素在日光下，不發(fā)生加成反應(yīng)，而是在側(cè)鏈上取代。
四、苯環(huán)上親電取代反應(yīng)的歷程
苯及其同系物在苯環(huán)上的取代反應(yīng)，包括鹵化、硝化、磺化、烷基化及酰化等，是一個(gè)帶正電荷的原子或原子團(tuán)（E+）首先進(jìn)攻苯環(huán)而進(jìn)行的反應(yīng)，故是一個(gè)親電取代。它的整個(gè)過程用下式表示。
（一）鹵化
苯與鹵素在催化劑（例如FeCL3）存在下的鹵化，是由親電試劑發(fā)動(dòng)進(jìn)攻的。這個(gè)反應(yīng)的親電試劑與鹵化鐵生成的配合物。
取代反應(yīng)分兩步進(jìn)行。
第一步，親電試劑進(jìn)攻苯環(huán)的π電子與CL+生成C-CL鍵被親電試劑進(jìn)攻的碳原子變?yōu)閟p3雜化,而破壞了原來的環(huán)狀共軛體系。環(huán)上其余的五個(gè)sp2雜化的碳原子組成了一個(gè)共軛體系，這個(gè)體系包括五個(gè)碳和四個(gè)π電子，它帶一個(gè)正電荷，連同環(huán)上的一個(gè)sp3碳原子構(gòu)成σ配合物。
第二步，中間體碳正離子脫去一個(gè)質(zhì)子，生成取代產(chǎn)物。
第一步是決定反應(yīng)速率的一步，它是由親電試劑對(duì)底物進(jìn)攻，與烯烴的親電加成的第一步相似。但在這里整個(gè)反應(yīng)是取代，所以叫做親電取代。第二步不同于烯烴的是從碳正離子脫去質(zhì)子，而不是碳正離子與陰離子的結(jié)合，這是由于苯環(huán)比較穩(wěn)定的緣故。
催化劑氯化鐵促進(jìn)氯分子極化，并與帶負(fù)電荷的部分配合，使氯的親電性加強(qiáng)。如果苯環(huán)上有強(qiáng)的活化基團(tuán)，如羧基，鹵化反應(yīng)可不需加鹵化鐵。
（二）硝化
苯及同系物硝化反應(yīng)的親電試劑是硝金翁離子（
）。在混酸中，它
是由濃硝酸與濃硫酸作用生成的。
硝金翁離子O=→O是很強(qiáng)的親電試劑。
在有些情況下，硝化反應(yīng)不用混酸而用硝酸。這時(shí)的硝金翁離子是通過下式生成的：
（三）磺化
苯及同系物磺化時(shí)，進(jìn)攻試劑是親電的三氧化硫。
三氧化硫是電中性的分子，但它發(fā)生極化：
磺化反應(yīng)可能分步進(jìn)行。
第一步，親電試劑SO3的進(jìn)攻，與苯生成σ配合物。這個(gè)σ配合物作為一個(gè)整體不帶電荷，但環(huán)中的五個(gè)sp2碳及-SO-3兩部分分別帶一個(gè)正電荷信一個(gè)負(fù)電荷。
第二步和第三步轉(zhuǎn)變?yōu)楸交撬帷?/p>
（四）傅-克反應(yīng)
傅-克反應(yīng)歷程和硝化反應(yīng)歷程相似。
1．烷基化
親電試劑是碳正離子R+，它是由以下過程生成的。
R-X+AlCl3→R+＋［AlCl3X］-
烷基化由以下兩步進(jìn)行：
第一步：
第二步：
2．?；?/p>
親電試劑是正離子
，它是由以下過程生成的。
?；梢韵聝刹竭M(jìn)行：
第一步：
第二步：
五、苯環(huán)上親電取代的定位規(guī)律
實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)苯環(huán)上已經(jīng)有一個(gè)取代基存在，再引入第二個(gè)取代基時(shí)，則第二個(gè)取代基進(jìn)入的位置和難易程度主要決定于原有取代基的性質(zhì)，而與進(jìn)入的取代基關(guān)系較少。這應(yīng)是苯環(huán)親電取代的定位規(guī)律。因此，把苯環(huán)上已有的取代基叫做定位取代基。根據(jù)許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)，可以把定位取代基分為兩類。
(一)、鄰、對(duì)位定取代基
當(dāng)苯環(huán)上已帶有這類定位取代基時(shí)，再引入的其它基團(tuán)主要進(jìn)入它的鄰位或?qū)ξ唬业诙€(gè)取代基的進(jìn)入一般比沒有這個(gè)取代基（即苯）時(shí)容易，或者說這取代基使苯環(huán)活化。下面是常見的鄰、對(duì)位定位取代基。它們的定位取代效應(yīng)按下列次序而漸減。
這類定位取代基的特征是，取代基中直接與苯環(huán)相連的原子大多數(shù)是未共用電子對(duì)或不含飽和鍵（但有例外，如-CH=CHCO2是鄰、對(duì)位定位取代基）。
（二）間位定位取代基
當(dāng)苯環(huán)上已存在這類定位取代基時(shí)，再引入的其它基團(tuán)主要進(jìn)入它的間位，而且第二個(gè)取代基的進(jìn)入比苯要難，或者說這個(gè)取代基使苯環(huán)鈍化。下面是常見的間位定位取代基，它們的定位效應(yīng)按下列次序而漸減。
這類定位取代基的特征是，取代基中直接與苯環(huán)相連的原子一般都含有不飽和鍵或帶有正電荷。
苯環(huán)的取代規(guī)律在實(shí)際應(yīng)用上很有意義，因?yàn)檎莆樟诉@個(gè)規(guī)律，就可以預(yù)知取代反應(yīng)中的主要產(chǎn)物。
取代定位規(guī)律并不是絕對(duì)的。實(shí)際上在生成鄰位及對(duì)位產(chǎn)物的同時(shí)，也有少量間產(chǎn)物生成；在生成間位產(chǎn)物的同時(shí)，也有少量的鄰位和對(duì)位產(chǎn)物生成。例如當(dāng)甲苯在0℃下磺化時(shí)，除生成52.5%的對(duì)甲基磺酸和42.7%的鄰甲基苯磺酸外，還生成3.8%的間甲基苯磺酸。
（三）二取代苯的取代定位規(guī)律
如果苯環(huán)上已經(jīng)有了兩個(gè)取代基，當(dāng)引入第三個(gè)取代基時(shí)，影響第三個(gè)取代基進(jìn)入的位置的因素較多。定性地說，兩個(gè)取代基對(duì)反應(yīng)活性的影響有加和性。人們從實(shí)際工作中得出了以下的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：
1．苯環(huán)上已有兩個(gè)鄰對(duì)位定位取代基或兩個(gè)間位定位取代基，當(dāng)這兩上定位取代基的定位方向有矛盾時(shí)，第三個(gè)取代基進(jìn)入的位置，主要由定位作用較強(qiáng)的一個(gè)來決定。如果兩上定位取代基的作用強(qiáng)度相近，將得到數(shù)量相近的異構(gòu)體。例如，下列化合物進(jìn)行親電取代反應(yīng)時(shí)，第三個(gè)取代基主要進(jìn)入的位置用“→”表示。
2．苯環(huán)上已有一個(gè)鄰對(duì)位定位取代基和一個(gè)間位定位取代基，且二者的定位方向相反，這時(shí)主要由鄰對(duì)位定位取代基來決定第三個(gè)取代基進(jìn)入的位置。例如：
3．兩個(gè)定位取代基在苯環(huán)的1位和3位時(shí)，由于空間位阻的關(guān)系，第三個(gè)取代基在2位發(fā)生取代反應(yīng)的比例較小。例如：
六、苯及其主要同系物
（一）苯
苯為無色液體，具有特殊氣味，易燃燒。熔點(diǎn)5.5℃，沸點(diǎn)80℃。不溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。苯有毒性，可致癌。
苯是重要的化工原料，也是優(yōu)良的有機(jī)溶劑。
（二）甲苯
甲苯為無色液體，易燃燒，揮發(fā)性強(qiáng)。甲苯主要用以合成硝基甲苯、TNT、苯甲酸、苯甲醛等。甲苯也用作溶劑。
（三）二甲苯
二甲苯有三種異構(gòu)體（鄰、間、對(duì)位）。三種異構(gòu)體的混合物為無色液體，易燃。不溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。二甲苯在醫(yī)學(xué)上制作組織切片標(biāo)本時(shí)，用于脫醇、脫脂、二甲苯也是一種重要的有機(jī)合成原料。
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