医用有机化学：第3章-2-芳香烃

第二节芳香烃

第3章环烃AromaticHydrocardons本节主要内容苯的结构特征（从杂化轨道理论和共振论解释），苯衍生物的命名亲电取代反应（卤代、硝化、磺化、傅-克反应）以及亲电取代反应机理苯环上取代基的定位效应及理论解释苯环侧链的取代及氧化萘、蒽、菲的结构，萘的亲电取代反应非苯芳烃与休克尔(4n+2)规则3.2芳香烃本节重点：苯的结构特征（从杂化轨道理论和共振论解释）亲电取代反应（卤代、硝化、磺化、傅-克反应）以及亲电取代反应机理苯环上取代基的定位效应及理论解释本节难点：定位效应及理论解释判断芳香性的4n+2规则3.2芳香烃1.分类芳香族化合物

单环香烃多环芳香烃非苯型芳香烃多苯代脂烃

联苯和联多苯

稠环芳香烃3.2.1芳香烃的分类和命名2.命名

烷基苯的命名以苯环为母体，烷基为取代基甲苯toluene异丙基苯isopropylbenzene3.2.1芳香烃的分类和命名

当苯与不饱和烃相连或苯环侧链的结构较复杂，特别是侧链上有官能团时，苯环常作为取代基。3.2.1芳香烃的分类和命名

苯环上有两个取代基时，取代基在苯环上的位置可用邻或o(ortho)、间或m(meta)、对或p(para)来表示，也可用1,2-、1,3-、1,4-表示。当苯环上有三个相同的取代基时，常用“连”（vicinal，简写vic）、“偏”（unsymmetrical，简写unsym）、“均”（symmetrical，简写sym），分别表示三个取代基位于苯环1,2,3位、1,2,4位、1,3,5位。3.2.1芳香烃的分类和命名芳基:Ar－(arylgroups)

benzyl苄基（Bz-）

phenyl苯基（Ph-或φ-）3.2.1芳香烃的分类和命名（E）-5-甲基-2-苯基-2-己烯E-5-methyl-2-phenyl-2-hexene3.2.1芳香烃的分类和命名

当苯环上有多个取代基时，应先选好母体，使母体在苯环上编号最小（为1），编号时应使取代基的位次尽可能小，其余取代基按优先次序规则，由小到大依次排列(英文按字母顺序排列)。常见官能团优先顺序如下:

氰基醛酮醇或酚胺羧酸磺酸酯酰胺3.2.1芳香烃的分类和命名例如3.2.1芳香烃的分类和命名

苯的分子式为C6H6，为一种不饱和化合物，而其化学性质却极为稳定，难于发生加成反应，不被高锰酸钾氧化，却较易发生取代反应；另外苯的一取代物和邻二取代物都只有一种。3.2.2苯(benzene)的结构1.凯库勒结构式

苯的6个碳原子是以单、双键交替相连成环，且每个碳原子上都连一个氢原子，以满足碳的四价结构3.2.2苯(benzene)的结构蛇咬住尾的梦——关于凯库勒悟出苯分子的环状结构的经过，一直是化学史上的一个趣闻。一天夜晚，他在书房中打起了瞌睡，眼前又出现了旋转的碳原子。碳原子的长链像蛇一样盘绕卷曲，忽见一蛇抓住了自己的尾巴，并旋转不停。他像触电般地猛醒过来，整理苯环结构的假说，又忙了一夜。对此，凯库勒说：“先生们，我们应该会做梦……那么我们就可以发现真理……”3.2.2苯(benzene)的结构2.现代解释苯分子中碳原子均为sp2杂化，每个碳原子都与相邻的两个碳原子及一个氢原子以sp2杂化轨道形成三个键，由于碳原子的三个sp2杂化轨道处于同一平面，所以苯分子中所有的键共平面。3.2.2苯(benzene)的结构

每个碳原子都有一个未杂化的且垂直于杂化轨道平面的2p轨道，这六个2p轨道互相平行重叠，构成一个6中心6电子的大π键体系。环上没有单键和双键的区别，键长完全平均化。

3.2.2苯(benzene)的结构

由于电子的离域，共轭体系特别是闭合共轭体系的形成，导致了苯特有的化学稳定性。加成反应会破坏苯的闭合共轭体系，所以难以发生。而环形离域电子的流动性较大，易受亲电试剂的进攻，发生亲电取代反应，而取代反应最终并不破坏这种稳定结构。共振论：

苯的真实结构式是两个苯的共振式产生的杂化体。3.2.2苯(benzene)的结构3.2.3苯及其同系物的物理性质单环芳烃一般为液体，具有特殊气味，不溶于水，但溶于有机溶剂，如乙醚、四氯化碳、石油醚等非极性溶剂，它们本身也是良好的溶剂。它们比水轻，其蒸气有毒，苯的蒸气可通过呼吸道对人体产生损害，高浓度的苯蒸气主要作用于中枢神经，引起急性中毒，长期接触低浓度的苯蒸气会损害造血器官。（自学）

3.2.4苯环上的亲电取代反应及其反应机理

苯的结构特点，使它易于发生亲电取代反应(electrophilicsubstitutionreaction)。苯环上的亲电取代反应有卤化、硝化、磺化、烷基化和酰基化。其反应机理相似，大致如下：3.2.4亲电取代反应及其反应机理苯的取代反应分二步进行：第一步、生成π络合物和σ－π络合物ＡＢ──→Ａ＋＋Ｂ－

第二步、质子离去3.2.4亲电取代反应及其反应机理1.卤代反应(halogenation)卤素的活性次序是：氟>氯>溴>碘卤代反应除少数活泼的苯环（如苯酚）外，都需要催化剂。因为卤素本身活性不足以进攻苯环。3.2.4亲电取代反应及其反应机理催化剂能使卤素转变为更强的亲电试剂：卤代反应机理：3.2.4亲电取代反应及其反应机理2.硝化反应(nitration)3.2.4亲电取代反应及其反应机理硝基苯苯与浓HNO3和浓H2SO4的混合物（简称混酸）作用生成硝基苯的反应叫硝化反应(nitration)。混酸是常用的硝化剂。反应历程：3.2.4亲电取代反应及其反应机理3.磺化反应(sulfonation)3.2.4亲电取代反应及其反应机理在苯环上引入磺酸基（-SO3H）的反应称为磺化反应(sulfonation)。磺化反应的亲电试剂为：SO3

磺化反应机理：3.2.4亲电取代反应及其反应机理磺化反应是可逆反应，而卤化和硝化反应是不可逆的。

正逆磺化反应的能量变化示意图

磺化反应的活性中间体碳正离子向正、逆方向反应时，活化能十分接近，故磺化反应可逆。3.2.4亲电取代反应及其反应机理硝化反应的势能变化示意图

硝化反应中，碳正离子转变为起始物需越过的能垒比转变成产物所越过的能垒高得多，故碳正离子较完全地转变为产物。反应不可逆3.2.4亲电取代反应及其反应机理磺化反应的应用：A、反应可逆，所以，在有机合成中可借用其定位引入其他基团。B、苯磺酸是强酸，水溶性好，常将一些难溶于水的含苯环的药物引入-SO3H，达到使用目的。3.2.4亲电取代反应及其反应机理4.Fridel-Crafts反应(1)烷基化(Alkylationreaction)3.2.4亲电取代反应及其反应机理在无水AlCl3的催化下，卤代烷（RCl）与苯作用，生成烷基苯。

路易斯酸作催化剂，除AlCl3外如：FeCl3、SbCl5、SnCl4、BF3、TiCl4、ZnCl2等，以及一些质子酸如HF、H2SO4、H3PO4等，作催化剂。只是AlCl3的催化活性最强，也最常用。烷基化机理：3.2.4亲电取代反应及其反应机理卤代烷、烯烃、醇是常用烷基化试剂。傅-克烷基化反应中碳正离子中间体是亲电试剂，常伴随着碳正离子特征的重排反应，特别是在以伯卤代烷作卤化剂时。3.2.4亲电取代反应及其反应机理(2)傅-克酰基化反应

常用的催化剂是三氯化铝。常用的酰基化试剂是酰卤（主要是酰氯和酰溴）和酸酐。

3.2.4亲电取代反应及其反应机理

酰基化反应中不发生碳正离子的重排，利用克莱门森还原法可将芳酮还原为烷基苯（参见醛酮的还原），从而得到不重排的烷基化产物，可作为傅-克烷基化反应的补充。克莱门森还原3.2.4亲电取代反应及其反应机理3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

当苯环上已有一个取代基，再进行亲电取代反应时，第二取代基的取代位置由苯环上原取代基所决定，而与第二取代基的性质无关，这一效应称之取代基的定位效应（orientationeffect）。1.定位效应若相对Z基团的五个位置的取代反应几率相同，则二元取代苯的比例应为：邻∶间∶对＝2∶2∶13.2.5苯上的亲电取代的定位效应

3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

第一类定位基——邻、对位取代基使新引入的取代基主要进入其邻、对位（邻和对位取代产物之和大于60%）-NR2,-NH2,-OH,-OR,-NHCOR,-OOCR,-CH3(-R),-Ar,-X(F,Cl,Br,I)

常见的邻、对位定位基：3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

邻、对位取代基的特点：

①与苯直接相连的原子不含有双键和叁键，除烃基外，通常带有未共用电子对。②除卤素外都能使苯环活化,使取代反应比苯更易进行。3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

第二类定位基——间位定位基使新引入的取代基主要进入其间位（间位取代产物大于40%）常见的间位定位基：-N+R3,-NO2,-CN,-SO3H,-CHO,-COOH3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

间位定位基的特点：①与苯环相连的原子带有正电荷、或双键、叁键。②这些基团能使苯环钝化、亲电取代比苯难。3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

2.定位效应的解释

一取代苯在受到亲电试剂进攻后，可生成邻、间、对三种碳正离子中间体，失去质子后得到三种相应的取代产物。（1）共振论的解释3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

甲苯发生亲电取代反应时，所产生的碳正离子中间体的极限结构如下：①＋I和＋C一致作用，活化苯环②邻、对位取代的中间体较稳定甲基是致活邻、对位定位基团苯酚的亲电取代：①＋C＞－I，活化苯环②邻、对位取代的中间体特别稳定因此，羟基是个强的致活邻对位定位基。

氯苯的亲电取代：①氯的电负性较大，具有强的吸电子诱导效应，不利于亲电取代反应②亲电试剂进攻邻、对位时，生成的中间体较稳定因此氯原子是致钝的邻、对位定位基团。硝基苯的亲电取代：①硝基具有-I和-C，钝化苯环②邻、对位取代的中间体特别不稳定因此，硝基是致钝的间位定位基。（2）电子效应的解释

例一：甲苯

活化苯环，尤其邻、对位

3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

能量甲苯与苯在邻、对位和间位反应的势能变化对比3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

例2：苯酚＋C＞－I，活化苯环，尤其邻、对位3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

例3：硝基苯钝化苯环，尤其邻、对位3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

势能硝基苯与苯在邻、间、对位进行亲电取代反应时的势能变化对比3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

小结：

在同一反应中，若邻、间、和对位取代的碳正离子中间体都比苯在同一反应中的碳正离子稳定，Z为活化基团，反之Z为钝化基团。3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

-NH2、

-NR2,-OH,-OR

强烈活化－NHCOR,-OCOR中等活化-CH3(-R),-Ar弱活化-X(Cl,Br,I)弱钝化

邻、对位定位基强弱：3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

间位定位基强弱：强烈钝化

-N+R3-COR，-CHO，-CONH2，-COOR，-COOH，-SO3H，-CN，-NO2，-CF3，-CCl33.2.5苯上的亲电取代的定位效应

3.

二取代苯的定位规律

在二取代苯中引入第三个取代基时，新引入的取代基进入苯环上的位置将由原来的两个定位基共同决定。

(1)当两个定位基的定位效应一致时，它们的作用可互相加强，第三个基团进入它们共同确定的位置。

(2)当两个定位基的定位效应不一致时，第三个基团进入的位置，通常由致活能力强的定位基决定。3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

苯的多元取代基的定位效应,常从实验测得归纳起来有以下规律:1．活化基团的作用超过钝化基团;2．取代基的作用具有加和性;3．第三取代基一般不进入1,3-取代苯的2位。3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

苯环上第三个基团进入的位置，一般由致活能力强的基团决定第三取代基进入的位置，而邻对位取代基致活性比间位取代基强。3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

定位规律的应用：而合成邻或对硝基氯苯，则应先氯代后硝化:3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

比较下列各组化合物进行亲电取代反应的活性：（1）a苯；b间二甲苯；c对二甲苯；

d乙苯（2）a苯；b硝基苯；c氯苯；d甲苯3.2.5苯上的亲电取代的定位效应

3.2.6烷基苯侧链上的反应1.烷基苯侧链的氧化

苯环本身难氧化，但当苯环有侧链时，在高锰钾或重铬酸钾的作用下，与苯相连的碳原子(含有氢原子)被氧化成羧酸。苯甲酸3.2.6烷基苯侧链上的反应？不氧化3.2.6烷基苯侧链上的反应(─)褪色褪色(─)褪色鉴别：3.2.6烷基苯侧链上的反应……α-H比较活泼，容易被取代2.烷基苯侧链的取代反应3.2.6烷基苯侧链上的反应自由基的稳定性次序：3.2.6烷基苯侧链上的反应3.2.7稠环芳香烃稠环芳烃是由两个或两个以苯环共用两个相邻碳大碳原子而成的多环芳烃。如萘（naphthalene)、蒽(anthracene)、菲(phenanthrene)等。1.萘（naphthalene）的结构3.2.7稠环芳香烃α位电子云密度最大，β位次之，9、10位最低。萘环的键长

分子轨道理论认为：萘分子中的碳原子都以sp2杂化轨道形成键，每个碳原子的p轨道互相平等重叠，构成一个芳香结构的共轭体系但是，萘分子并不是两个苯环的简单并合。因为萘分子中的两个稠合碳原子的p轨道除了彼此重叠外，还要分别与两个α碳原子的p轨道相互重叠，所以萘分子中的电子云在10个碳原子上的分布是不均匀的，故分子中的键长也不同。3.2.7稠环芳香烃3.2.7稠环芳香烃1-萘酚（α-萘酚）2-萘酚（β-萘酚）

命名：1、4、5、8位等同——α位2、3、6、7位等同——β位萘环的编号：当萘环上有多个取代基时，通常用阿拉伯数字编号，而不用希腊字母 1,5-二硝基萘6-氨基-2-萘磺酸3.2.7稠环芳香烃2.萘的取代反应萘的α位比β位活泼3.2.7稠环芳香烃

(1)卤代

用苯作溶剂，萘与氯在三氯化铁催化下，可生成约70%的α-氯萘，若用碘作催化剂，则可生成92%的α-氯萘。3.2.7稠环芳香烃(2)硝化

萘与混酸在室温下即可反应，主要产物为α-硝基萘。70%α-硝基萘3.2.7稠环芳香烃(3)磺化萘与浓硫酸反应:

低温时，主要生成α－萘磺酸；高温时，则主要生成β－萘磺酸：3.2.7稠环芳香烃有斥力斥力小磺化反应的取向取决于反应的温度，其原因如下：3.2.7稠环芳香烃3．一取代萘的定位效应

当原有取代基为邻、对位定位基（卤素除外）时，由于其活化作用，亲电取代反应主要在同环上进行。

若原有取代基在1位，则亲电取代反应在2位、4位发生，以4位为主，因为4位既是对位又是α位；原有取代基在2位时，亲电取代主要在1位发生。3.2.7稠环芳香烃当原有取代基为间位定位基时，由于其钝化作用，无论原有取代基在1位还是在2位，新引入的取代基都进入异环的5位或8位（即α位）。3.2.7稠环芳香烃思考题：下列结构发生硝化反应，硝基主要进入的位置如下图所示，为什么？3.2.7稠环芳香烃萘比苯易发生加成反应，在不同条件下，生成不同的加成产物。例如：3.2.7稠环芳香烃4．萘的加成反应萘四氢化萘十氢化萘蒽、菲蒽、菲互为同分异构体，9、10位易取代。3.2.7稠环芳香烃3.2.8非苯芳烃和Hückel规则主要表现：①结构上为环状平面（或近似平面）分子，形成了闭合的共轭体系，具有π电子环电流与抗磁性(在光谱章节中讨论)。②化学性质上的难于氧化、加成，而易于发生亲电取代反应。不具苯环但有芳香性的环烯类化合物叫非苯芳烃。芳香性（aromaticity）：芳香化合物的特殊稳定性和化学性质。Hückel(休克尔)规则