医用有机化学--第三章--芳香烃.ppt

3.2 芳香烃,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,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,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，称为“某苯”。,甲苯 toluene,异丙基苯 isopropylbenzene,6,间-二甲苯 1,3-二甲苯 m-二甲苯 m-xylene,对-二甲苯 1,4-二甲苯 p-二甲苯 p-xylene,二烃基苯有三种异构体，用邻或1,2-；间或1,3-；对或 1,4- 表示；,邻-二甲苯 1,2-二甲苯 o-二甲苯 o-xylene,上页,下页,首页,7,具有三个相同烃基的取代苯也有三种异构体。如:,连-三甲苯 1,2,3-三甲苯,偏-三甲苯 1,2,4-三甲苯,均-三甲苯 1,3,5-三甲苯,上页,下页,首页,8,1-乙基-5-丙基-2-异丙基苯 (1-ethyl-2-isopropyl-5-propylbenzene),若苯环上连接不同的烷基时，烷基名称的排列顺序按“优先基团”后列出的原则，其位置的编号应将简单的烷基所连的碳原子定为1-位，并以位号总和最小为原则来命名。,上页,下页,首页,9,另外，IUPAC还规定，保留俗名的芳烃如甲苯、二甲苯、苯乙烯等作为母体来命名。,对叔丁基甲苯 4-t-butyltoluene,上页,下页,首页,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,苯环上连接复杂烷基或其他官能团, 则可把侧链当作母体, 苯环当作取代基,芳基:Ar( aryl groups),benzyl 苄基（Bz-）,phenyl 苯基 （Ph-或-）,（E）-5-甲基-2-苯基-2-己烯 E-5-methyl-2-phenyl-2-hexene,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,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 。,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电子的大键体系 。环上没有单键和双键的区别，键长完全平均化。,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。,3.2.3 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(electrophilic substitution reaction)。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：,-H+,苯的取代反应分二步进行：,第一步、生成络合物和络合物, ,第二步、质子离去,起到碱的作用，帮助氢离子离去,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（路易斯酸）。因为卤素本身活性不足以进攻苯环。,催化剂能使卤素转变为更强的亲电试剂：,卤代反应机理：,2. 硝化反应(nitration),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. 磺化反应(sulfonation),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：,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。,磺化反应的应用： A、反应可逆（稀酸加热下逆反应），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。,4. Fridel-Crafts反应,(1) 烷基化(Alkylation reaction),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：,卤代烷、烯烃、醇是常用烷基化试剂。,P82,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。,(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。,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,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（orientation effect）。,1.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, -OCOR, -CH3(-R), -Ar, -X(F,Cl,Br,I),常见的邻、对位定位基 ：,邻、对位取代基的特点：,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。往往具有给电子效应。 除卤素外都能使苯环活化,使取代反应易进行。致活基团。,-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：,例：苯酚,CI，活化苯环，尤其邻、对位,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, -COOH,间位定位基的特点：,与苯环相连的原子带有正电荷、或双键、叁键。往往具有吸电子效应。 这些基团能使苯环钝化、亲电取代比苯难。致钝基团。,间位定位基强弱：,强烈钝化 -N+R3 -NO2，,中等致钝,-SO3H，-CN,弱致钝,-COR，-CHO，-COOR， -COOH，,例：硝基苯,钝化苯环，尤其邻、对位,47,2. 二取代苯的定位效应,(1) 两个基定位效应一致时，第三基进入苯环的位置由定位效应决定。,空间位阻,上页,下页,首页,48,(2) 两基团定位效应不一致时, 第三基进入位置主要由强定位基决定(定位能力: 致活基 致钝基)。,空间位阻,上页,下页,首页,49,课堂练习：用箭头表示下列化合物发生 亲电取代反应的位置。,上页,下页,首页,定位规律的应用：,而合成邻或对硝基溴苯，则应先溴化后硝化:,合成间硝基溴苯,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 e 1,3,5-三甲苯 （2）a 苯； b 硝基苯； c 氯苯； d 甲苯,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：,I和C一致作用，活化苯环 邻、对位取代的中间体较稳定 甲基是致活邻、对位定位基团,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,？,-H比较活泼，容易被取代,2. 烷基苯侧链的取代反应,自由基的稳定性次序：,3.2.6 烷基苯侧链上的反应,57,课堂练习:以苯为原料合成 间-溴苯甲酸和 对-溴苯甲酸,(1),(2),上页,下页,首页,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,位电子云密度最大，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。,1-萘酚（-萘酚）,2-萘酚（-萘酚）,命名：,1、4、5、8位等同位 2、3、6、7位等同位,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,(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-氯萘，若用碘作催化剂，则可生成92%的-氯萘。,2. 萘的取代反应,(2) 硝化 萘与混酸在室温下即可反应，主要产物为-硝基萘。,70% -硝基萘,(3) 磺化 萘与浓硫酸反应: 低温时，主要生成萘磺酸； 高温时，则主要生成萘磺酸：,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：,【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？,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：,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。,3.2.8 非苯芳烃和Hckel规则,主要表现： 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，具有电子环电流与抗磁性(在光谱章节中讨论)。 化学性质上的难于氧化、加成，而易于发生亲电取代反应。芳香性,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。,Hckel(休克尔) 规则,1931年,德国化学家Hckel(休克尔)提出判断环状化合物是否具有芳香性的规则：在具有平面的环