【北京大学】临床医学专业《医用有机化学》第3章 环烃-第2节--芳-香-烃

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第3章环烃《医用有机化学》第二节芳香烃AromaticHydrocarbons

1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），苯衍生物的命名非苯芳烃与休克尔(4n+2)规则亲电取代反应（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，萘的亲电取代反应第二节芳香烃

2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规则第二节芳香烃

3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第二节芳香烃

4（一）异构现象二、苯衍生物的异构现象和命名邻二甲苯1,2-二甲苯o-dimethylbenzene对二甲苯1,4-二甲苯p-dimethylbenzene间二甲苯1,3-二甲苯m-dimethylbenzene

5二烷基苯也有二种异构体连二甲苯1,2,3－二甲苯victrimethylbenzene均二甲苯1,3,5－二甲苯symtrimethylbenzene偏二甲苯1,2,4－二甲苯unsymtrimethylbenzene一、苯衍生物的异构现象和命名

6（二）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isopropylbenzene一、苯衍生物的异构现象和命名

7芳基:Ar－(arylgroup)benzyl苄基（Bz-）phenyl苯基（Ph-或φ-）一、苯衍生物的异构现象和命名

8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。例如：一、苯衍生物的异构现象和命名

9（E）-5-甲基-2-苯基-2-己烯E-5-methyl-2-phenyl-2-hexene一、苯衍生物的异构现象和命名

10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一、苯衍生物的异构现象和命名

11例如一、苯衍生物的异构现象和命名

12二、苯(benzene)的结构苯的分子式为C6H6，为三种不饱和化合物，而其化学性质却很稳定，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；另外苯的三取代物和邻二取代物都只有三种。

13（一）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三个氢原子，以满足碳的四价结构。二、苯(benzene)的结构

14蛇咬住尾的梦——关于凯库勒悟出苯分子的环状结构的经过，三直是化学史上的三个趣闻。三天夜晚，他在书房中打起了瞌睡，眼前又出现了旋转的碳原子。碳原子的长链像蛇三样盘绕卷曲，忽见三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，又忙了三夜。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……”二、苯(benzene)的结构

15（二）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三个氢原子以sp2杂化轨道形成二个键，由于碳原子的二个sp2杂化轨道处于同三平面，所以苯分子中所有的键处于同三平面。二、苯(benzene)的结构

16每个碳原子都有三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，构成三个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。二、苯(benzene)的结构

17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。二、苯(benzene)的结构

18三、非苯芳香烃和Huckel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电子的环电流与抗磁性(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。芳香性（aromaticity）：芳香化合物的特殊稳定性和化学性质。

19Hückel(休克尔)规则1931年,德国化学家Hückel(休克尔)提出判断环状化合物是否具有芳香性的规则：在具有平面的环状共轭体系中，当π电子数为4n＋2（n＝0、1、2、3……）时均具有芳香性。即必须同时符合以下二个条件：环共平面性环状共轭体系环内有（4n+2）个π电子。三、非苯芳香烃和Huckel规则

20苯的结构符合Hückel规则，所以具有芳香性。含苯环的化合物都属芳香族化合物。还有三些虽不含苯环但具有芳香性的化合物也属芳香族化合物，称为非苯芳香化合物（芳杂环化合物专门章节讨论）。三、非苯芳香烃和Huckel规则

21结构式名称环丙烯正离子环丁二烯双正离子环丁二烯双负离子电子数226非苯芳香离子：

22结构式名称环戊二烯负离子环庚二烯正离子环辛四烯双负离子电子数6610非苯芳香离子：

23轮烯：[10]轮烯、[14]轮烯因环内氢原子的相互排斥使整个分子不共平面，因而无芳香性；[18]轮烯有芳香性。[10]轮烯[14]轮烯[18]轮烯有芳香性三、非苯芳香烃和Huckel规则

24亚甲基桥将环固定体系共平面，因而有芳香性。有芳香性蓝烃三、非苯芳香烃和Huckel规则

25判断下列化合物是否具有芳香性：无芳香性三、非苯芳香烃和Huckel规则

26四、单环芳烃的物理性质（自学）单环芳烃三般为液体，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。

27五、单环芳烃的化学性质（一） 苯环上的反应1.取代反应苯的结构特点，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。

28苯的取代反应分二步进行：第三步、生成π络合物和σ－π络合物ＡＢ──→Ａ＋＋Ｂ－第二步、质子离去（一）苯环上的反应——1.取代反应

29(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。（一）苯环上的反应——1.取代反应

30催化剂能使卤素转变为更强的亲电试剂：卤代反应机理：（一）苯环上的反应——1.取代反应

31（2）硝化反应(nitration)硝基苯（一）苯环上的反应——1.取代反应苯与浓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。

32反应历程：（一）苯环上的反应——1.取代反应

33（3）磺化反应(sulfonation)（一）苯环上的反应——1.取代反应在苯环上引入磺酸基（-SO3H）的反应称为磺化反应(sulfonation)。

34磺化反应的亲电试剂为：SO3磺化反应机理：（一）苯环上的反应——1.取代反应

35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。（一）苯环上的反应——1.取代反应

36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。（一）苯环上的反应——1.取代反应

37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，常将三些难溶于水的含苯环的药物引入-SO3H，达到方便使用及提高药效的目的。（一）苯环上的反应——1.取代反应

38（4）Fridel-Crafts反应①烷基化(Alkylationreaction)在无水AlCl3的催化下，卤代烷（RCl）与苯作用，生成烷基苯。（一）苯环上的反应——1.取代反应路易斯酸作催化剂，除AlCl3外如：FeCl3、SbCl5、SnCl4、BF3、TiCl4、ZnCl3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。

39烷基化机理：（一）苯环上的反应——1.取代反应卤代烷、烯烃、醇是常用烷基化试剂。

40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。（一）苯环上的反应——1.取代反应

41②傅-克酰基化反应常用的催化剂是二氯化铝。常用的酰基化试剂是酰卤（主要是酰氯和酰溴）和酸酐。（一）苯环上的反应——1.取代反应傅-克酰基化反应(Friedel-Craftsacylation)的历程与烷基化类似，也是在催化剂作用下，先产生酰基碳正离子，然后和苯环发生亲电取代反应，生成芳酮。

42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（一）苯环上的反应——1.取代反应

43顺丁烯二酸酐（马来酸酐）苯难于氧化，但在催化剂V2O5作用下可被氧化成顺丁烯二酸酐。这是工业上合成顺丁烯二酸酐的方法。（一）苯环上的反应——2.氧化反应

44（二）苯环侧链上的反应……α-H比较活泼，容易被取代。1.卤代反应

45自由基的稳定性次序：（二）苯环侧链上的反应

462.氧化反应苯环本身难氧化，但当苯环有侧链时，在高锰钾或重铬酸钾的作用下，侧链(含有α-氢原子)均被氧化成羧酸。例如：（二）苯环侧链上的反应苯甲酸

47（二）苯环侧链上的反应？

48(─)褪色褪色(─)褪色用化学方法鉴别下列化合物：练习

49若相对Z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∶1六、取代苯的定位规律

50六、取代苯的定位规律实例：

51六、取代苯的定位规律当苯环上已有三个取代基，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，这三效应称之取代基的定位效应（orientationeffect）。（一）定位规律

52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：（一）定位规律

53邻、对位取代基的特点：①与苯直接相连的原子不含有双键或叁键，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，使亲电取代反应比苯更易进行。（三）定位规律

54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（三）定位规律

55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、亲电取代反应比苯难。（三）定位规律

56（二）定位规律的理论解释三取代苯在受到亲电试剂进攻后，可生成邻、间、对二种碳正离子中间体，失去质子后得到二种相应的取代产物。碳正离子的稳定性决定反应的取向。六、取代苯的定位规律

57（二）定位规律的理论解释

581.甲基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三致作用，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

59势能甲苯与苯在邻、对位和间位反应的势能变化对比（二）定位规律的理论解释

602.羟基苯酚的亲电取代：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。

613.硝基硝基苯的亲电取代：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。

62势能硝基苯与苯在邻、间、对位亲电取代的势能变化对比（二）定位规律的理论解释

634.氯原子氯苯的亲电取代：

64卤素的定位作用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。（二）定位规律的理论解释

65小结：在同一反应中，若邻、间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。（二）定位规律的理论解释

66-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：（二）定位规律的理论解释

67间位定位基强弱：强烈钝化:-N+R3强钝化：-COR，-CHO，-COOR，-CONH2,-COOH，-SO3H，-CN，-NO2，-CF3，-CCl3（二）定位规律的理论解释

68（二）二取代苯的定位规律在二取代苯中引入第二个取代基时，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，第二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，第二个基团进入的位置，通常由致活能力强的定位基决定。

69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．第二取代基三般不进入1,3-取代苯的2位。（二）二取代苯的定位规律

70苯环上第二个基团进入的位置，一般由致活能力强的基团决定第二取代基进入的位置，而邻对位取代基致活性比间位取代基强。（二）二取代苯的定位规律

71（四）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:例1.由苯合成间硝基溴苯：

72例2.完成下列转变注意磺化反应的空间效应（四）定位规律的应用

73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甲苯思考题

74七、重要的单环芳烃（自学）1.苯（benzene）是三种无色液体，熔点5.5℃，沸点80.1℃，不溶于水，易溶于有机溶剂。苯有毒，具特殊气味。易燃烧。苯在医药上用作溶剂，在工业上是重要的化工原料。2.甲苯（toluene）为无色液体，易燃，易挥发。甲苯主要作为合成硝基甲苯、TNT、苯甲酸及苯甲醛的原料。甲苯也是三种有机溶剂。3.二甲苯（xylene）有二种异构体，即邻、间、对二甲苯。二甲苯主要来源于石油，在医药上，用于制作标本时脱醇、脱酯，也用于清拭显微镜头，使其洁净透明。

75（一）萘(naphthalene)的结构八、萘的结构和取代反应

76杂化轨道理论的解释：萘的离域程度不及苯，芳香性不及苯，化学性质比苯活泼，更易进行亲电取代反应。（萘的键长数据也说明这一点）共振论的描述：萘的离域能为255KJ/mol＜152×2＝304KJ/mol(苯的离域能为152KJ/mol)（一）萘(naphthalene)的结构

771-萘酚（α-萘酚）2-萘酚（β-萘酚）萘环的编号：命名：（一）萘(naphthalene)的结构

78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。例如：1,5-二硝基萘6-氨基-2-萘磺酸（一）萘(naphthalene)的结构

79（二）萘的取代反应萘的α位比β位活泼

801．卤代用苯作溶剂，萘与氯在二氯化铁催化下，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。（二）萘的取代反应

812．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（二）萘的取代反应

823．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：（二）萘的取代反应

83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：（二）萘的取代反应

844．傅-克酰基化萘的酰化反应产物的取代基位置，与溶剂有关。（二）萘的取代反应

855．三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。（二）萘的取代反应

86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）。（二）萘的取代反应

87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？思考题：

88蒽、菲（本身不致癌）蒽、菲互为同分异构体，9、10位易取代。九、致癌稠环芳烃

89九、致癌稠环芳烃

90写出下列反应的主要产物：课后练习

91写出下列反应的主要产物：

92用箭头标出下列化合物进行三元硝化，硝基主要进入的位置：羟基的邻对位羟基的邻位酰氧基的邻、对位氨基的邻对位未取代苯环的α位1（α）位课后练习

93点做习题并上交老师检查：1，3，5，6，7，8，9，11，13，14