5.4 苯及单环芳烃的化学性质_有机化学（第二版）-QQ阅读男生历史网

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5.4　苯及单环芳烃的化学性质

5.4.1　亲电取代反应

芳环上的取代反应从机理上讲可分为亲电、亲核以及自由基取代三种类型。所谓亲电取代反应（aromatic electrophilic substitution）是指亲电试剂取代芳环上的氢。典型的芳香亲电取代有苯环的卤化、硝化、磺化、烷基化和酰基化，在化学工业上有着重要的用途。

根据苯环的结构，在苯环平面的上下，有π电子云，是富电子基团，类似烯烃，所以可与亲电试剂发生反应。但与烯键有区别，在苯环中，由于形成了闭合环状共轭大π键，苯环稳定性提高，反应中总是保持苯环的结构不变，因此通常发生取代反应而不是加成反应。

（1）卤化反应（halogenation）　有机化合物分子中的氢被卤素取代的反应称为卤化反应。苯在Lewis酸如三氯化铁、三氯化铝等的催化作用下，能与氯或溴发生苯环上的卤化反应生成氯苯或溴苯。

由于无水氯化铁和溴化铁都很容易吸水，而铁粉与氯气或溴反应可生成三氯化铁或三溴化铁，因此也可以用铁粉代替三氯化铁、三溴化铁作催化剂。反应时，首先是卤素与苯形成π络合物，现代光谱和X射线衍射法都已经证明了π络合物的存在。在形成π络合物时，氯分子的键没有异裂，而后在缺电子的Lewis酸作用下，氯分子键极化，进而发生键的异裂，生成活性中间体碳正离子，然后再失去氢生成氯苯。上述卤化反应的机理如下：

苯的溴化也可直接进行，但反应速率很慢。苯在乙酸中溴化的反应机理如下：

首先是溴分子与苯形成π络合物，此时溴分子的键没有断裂，然后在另一分子溴的作用下，发生键的异裂，生成活性中间体碳正离子，最后失去质子生成溴苯。若在反应液中加入碘，可增加反应速率，因为I₂Br^-比B更容易形成。

上面两种反应机理大体上是一致的，差别仅在于直接卤化时，是由一分子卤素使另一分子卤素极化，进而异裂。使用Lewis酸催化时，卤素分子的极化、异裂是在Lewis酸的作用下发生的。是否使用催化剂取决于苯环的活性和反应条件。活性强的苯环可直接反应，活性弱的苯环则需用Lewis酸催化剂。能直接产生卤正离子的化合物不需催化剂就能反应。

卤代通常用Cl₂、Br₂，氟代太剧烈，反应难以控制。碘很不活泼，只有在HNO₃、二价铜盐等氧化剂的作用下才能与苯发生碘化反应，氧化剂可以将反应生成的HI氧化成碘而有利于反应进行。将过量的苯、碘和硝酸一起加热回流，碘苯的产率可达87%，但易被氧化和硝化的活泼芳香化合物不易用此法碘化。

氯化碘（ICl）也常用作碘代试剂。

若卤代反应的条件过于强烈可得二取代产物，例如：

（2）硝化反应（nitration）　苯在浓硝酸和浓硫酸的混合酸作用下，能发生硝化反应，反应的结果是苯环上的氢被硝基取代。

该硝化反应的亲电试剂是N。在强酸（浓硫酸）作用下，硝酸（作为碱）先被质子化，然后失去水产生N正离子。N正离子进攻苯环生成中间体碳正离子。N正离子是强亲电试剂，它与苯接近，然后与苯环上的一个碳原子相连，该碳原子由原来的sp²杂化转变为sp³杂化，并与亲电试剂以σ键相结合，形成一个带正电荷的环状活性中间体。中间体碳正离子的正电荷分散在五个碳原子上。显然，这比正电荷定域在一个碳原子上更为稳定，但与苯相比，因该碳正离子中出现了一个sp³杂化的碳原子，破坏了苯环原有的封闭的环状共轭体系，使其失去芳香性，能量升高。因此，该碳正离子势能很高，由苯转变成它须跨越一个较高的能垒。形成中间体碳正离子这一步是决定反应速率的一步。

从碳正离子的sp³杂化的碳原子上失去一个质子，恢复苯环的封闭共轭体系结构并生成硝基苯。

芳香族化合物的硝化反应是一个十分有用的取代反应。很多硝基化合物是高能量密度的物质（含能材料），用作炸药。广泛使用的强烈炸药TNT就是2，4，6-三硝基甲苯，爆速可达6760～6820m/s，它是甲苯经分阶段硝化制备的，即三个硝基是在多次硝化反应中逐步引入的。

（3）磺化反应（sulfonation）　有机化合物分子中的氢被磺酸基取代的反应称为磺化反应，苯及其衍生物几乎都可以进行磺化反应，生成苯磺酸或取代苯磺酸。

磺化反应的机理与硝化反应类似，首先是亲电试剂进攻苯环，生成活性中间体碳正离子，然后失去一个质子，生成苯磺酸或取代苯磺酸。磺化反应在不同的条件下进行时，进攻苯环的亲电试剂是不同的。实验证明，苯在硝基苯、硝基甲烷、四氯化碳、二氧化硫等非质子溶剂中与三氧化硫反应，进攻试剂是三氧化硫；在含水硫酸中进行磺化，反应试剂为H₃S，在发烟硫酸中反应，反应试剂为H₃S₂（质子化的焦硫酸）。因此，在不同条件下磺化，其反应机理是有些微小差别的。

与卤化、硝化等反应所不同的是，磺化反应是可逆的。苯与浓硫酸在80℃反应，生成苯磺酸，在较高温度下，苯磺酸又可以水解脱除磺酸基。

磺化反应的可逆性在有机合成中十分有用，在合成时可通过磺化反应保护芳核上的某一位置，待进一步发生某一反应后，再通过稀硫酸或盐酸将磺酸基除去，即可得到所需的化合物。例如，用甲苯制备邻氯甲苯时，可利用磺化反应来保护对位。

苯磺酸是强酸，在水中有较大的溶解度。因此一些药物分子中可引入磺酸基，或者将一些碱性药物与苯磺酸成盐，以增加化合物的酸性和溶解度。例如，抗高血压药苯磺酸氨氯地平（络活喜，norvasc）。

（4）Friedel-Crafts烷基化和酰基化（alkylation and acylation）　有机化合物分子中的氢被烷基取代的反应称为烷基化反应，被酰基取代的反应称为酰基化反应。苯环上的烷基化和酰基化反应统称为Friedel-Crafts （傅瑞德尔-克拉夫兹）反应，简称F-C反应，是有机合成中一种形成碳-碳键的重要方法。

F-C烷基化反应（Friedel-Crafts alkylation）的反应机理与磺化、硝化类似，首先在催化剂的作用下产生烷基碳正离子，它作为亲电试剂与苯环反应，形成碳正离子，然后失去一个质子生成烷基苯。

卤代烷、烯烃、醇、醛、环氧乙烷（可生成芳基乙醇）等在适当催化剂的作用下都能产生烷基碳正离子，它们都常用作烷基化试剂。最初用的催化剂是三氯化铝。后经证明，许多Lewis酸同样可以起催化作用，现在常用的Lewis酸催化剂的催化活性顺序大致如下：

AlCl₃>FeCl₃>SbCl₃>SnCl₄>BF₃>TiCl₄>ZnCl₂

其中三氯化铝效力最强，也是最常用的。用AlCl₃为催化剂，当R相同时，卤代烷的活泼次序为RF>RCl>RBr>RI，与通常的顺序相反。

芳烃还可以和多元卤代烷进行烷基化反应，得到多核的取代烷烃。四氯化碳与苯反应只有三个氯被芳基取代，第四个氯未能被芳基取代是由于空间位阻的关系。

当卤代烷或烯烃为烷基化试剂时，只需要催化量的Lewis酸即可，若用醇、环氧乙烷为烷基化试剂，则至少需要用等物质的量的Lewis酸催化剂。质子酸也能使烯烃和醇产生烷基碳正离子，因此也能作催化剂。常用的质子酸有HF、H₂SO₄、H₃PO₄等。用质子酸作催化剂，催化量即可。

需要指出的是，苯的烷基化常伴随着两个副反应。一是由于亲电试剂是碳正离子，所以反应将伴随着碳正离子的重排。

二是由于烷基是一个活化基团，所以F-C烷基化往往不能停留在一元取代的阶段上，反应产物常常是一元、二元、多元取代苯的混合物。

由于这些局限性，该反应一般不适用于有机合成。通过严格控制反应条件、原料加入方式及配比等，可以改善这种情况。

当苯环上有吸电子基团，如NO₂、CO₂H、RCO、CF₃、SO₃H等时，不易发生烷基化反应。

硝基是一个很强的间位定位基（5.5节将详细讨论取代基效应），所以硝基苯常作为F-C反应的溶剂，它对反应有以下的优点：①沸点高，可使反应在较高的温度下进行；②对一般有机物的溶解度很大；③不受三氯化铝的作用发生其他反应。

F-C酰基化反应（Friedel-Crafts acylation）的反应机理和烷基化类似，其特征是在催化剂的作用下，先生成酰基正离子，然后和芳环发生亲电取代。

常用的酰基化试剂是酰卤（主要是酰氯和酰溴）和酸酐。酰卤的反应活性顺序为：

常用的催化剂是AlCl₃。由于AlCl₃能与羰基络合，因此酰化反应的催化剂用量比烷基化反应多，含一个羰基的酰卤为酰化试剂时，催化剂用量要多于一当量，反应时，酰卤先与催化剂生成络合物，少许过量的催化剂再发生催化作用使反应进行。如用含两个羰基的酸酐为酰化试剂，因同样的原因，催化剂用量要多于二当量。F-C酰基化反应是不可逆的，不会发生取代基的转移反应。鉴于以上的特点，工业生产及实验室常用它来制备芳香酮。

酰基是一个吸电子基，苯环酰化后发生亲电取代反应的活性降低。因此，控制合适的反应条件，反应可停止在一取代阶段，不会生成多元取代物的混合物。芳烃的酰基化反应产率一般较好。

F-C酰基化反应不但是合成芳香酮的重要方法之一，同时也是芳烃烷基化的一个重要方法。因为生成的酮可以用Clemmensen（克莱门森）还原法（Zn-Hg， HCl）或者Wolff-Kischner-黄鸣龙还原法（H₂NNH₂，OH^-，△）将羰基还原成亚甲基（参见11.3.5节）而得到烷基化的芳烃。例如由苯制备新戊基苯。

以环酐为酰化试剂，再结合羰基还原成亚甲基方法的应用，可在芳香环上再添加一个环，得到双环化合物。

上述转变Clemmensen还原中羧酸官能团不受影响。羧酸转化为酰氯请参见12.3.2节。

（5）Vilsmeier-Haack甲酰基反应　甲酸酐和甲酰氯都极不稳定，苯环的甲酰化需要采用其他方法。在三氯氧磷（POCl₃）存在下，采用N，N-二甲基甲酰胺（DMF）酰胺类试剂合成芳香醛的反应叫作Vilsmeier-Haack反应，是目前在芳香环上引入甲酰基最为常用的方法之一。

Vilsmeier-Haack反应的机理较为复杂。一般认为，首先是DMF与POCl₃加成，然后解离为具有碳正离子的活性中间体，然后该碳正离子与芳烃发生亲电取代反应，生成α-氯胺后很快水解成醛。

（6）Blanc氯甲基化　在氯化锌等Lewis酸催化剂存在下，芳烃与甲醛或者多聚甲醛作用，可在芳环上引入氯甲基。该反应被称为Blanc氯甲基化反应。例如，甲醛在氯化氢及氯化锌存在下与苯发生Blanc氯甲基化反应，可以高效合成氯化苄。

该反应的机理是首先氯化锌与醛作用生成碳正离子中间体，进而作为亲电试剂对苯环亲电进攻，并在酸性条件解离得到氯甲基化合物。

苯甲醚与等量的甲醛、氯化氢反应可以得到邻、对位氯甲基化的混合产物；然而当用二当量的甲醛和氯化氢则生成2，4-二氯甲基化产物。

5.4.2　氧化反应

烯、炔在室温下可迅速地被高锰酸钾氧化，但苯即使在高温下与高锰酸钾、铬酸等强氧化剂同煮，也不会被氧化。只有在V₂O₅等的催化作用下，苯才能在高温被氧化成顺丁烯二酸酐，简称顺酐，是一种重要的有机合成原料。

5.4.3　加成反应

苯具有特殊的稳定性，一般不易参加加成反应。但在特殊情况下，芳烃也能发生加氢反应，而且总是三个双键同时发生反应，形成一个环己烷体系。

苯在紫外线照射以及加热加压条件下与三分子氯气加成，形成1，2，3，4，5，6-六氯环己烷（BHC），因其结构式中含碳、氢、氯原子各6个，俗称六六六，对昆虫有触杀、熏杀和胃毒作用，曾是我国产量最大的一种杀虫剂。六六六有8种同分异构体，其中γ-异构体即1α，2α，3β，4α，5α，6β-构型的称为林丹（lindane），杀虫效力最高（见第7章知识介绍）。