醫(yī)用化學(xué):第二節(jié)　芳香烴

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。

一、苯的結(jié)構(gòu)

根據(jù)元素分析和相對分子質(zhì)量的測定，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)平面上，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)取代基的相對位置，可用鄰（o)、對（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

（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�子�?/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)入烷基的鄰位及對位。

如果反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，鄰及對硝基甲苯繼續(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（-SO­3H)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)生是鄰及對苯磺酸。如在100-120℃時(shí)反應(yīng)，則對甲苯酸為主要產(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�；�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)

②　�；�反應(yīng)：

常用的�；�化試劑是酰鹵，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)可能分三步進(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bhskgw.cn/rencai/-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．�；�化：

親電試劑是正離子

，它是由以下過程生成的。

�；�化由以下兩步進(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�而且第二個(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)是未共用電子對或不含飽和鍵（但有例外，如-CH=CHCO2是鄰、對位定位取代基)。

（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)律并不是絕對的。實(shí)際上在生成鄰位及對位產(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。