芳香烃
芳香烃
芳香烃()简称芳烃,为苯及其只含碳与氢的衍生物的总称,乃指分子结构中含有一个或者多个苯环的烃类化合物。其中最简单和最重要的芳香烃是苯及其同系物甲苯、二甲苯、乙苯等。名称来源由于有机化学发展初期,这一类化合物几乎都在挥发性、有香味的物质中发现,例如:从安息香胶中取得安息香酸,自苦杏仁油取得苯甲醛等。但后来许多性质应属芳香族的化合物,却没有拥有香味,因此现今芳香烃,意指的只是这些含有苯环的化合物。
此外,在芳香族中,一些芳香环中并不完全是苯的结构,而是其中的碳原子,会被氮、氧、硫等元素取代,我们称之为杂环,例如:像是呋喃的五元环中,包括一个氧原子,吡咯中含有一个氮原子,噻吩含有一个硫原子等。
而芳烃可分为:
而具有链状的芳香烃一般称之为脂芳烃(arenes),常见的脂芳烃有甲苯、乙苯、苯乙烯等。
苯环模型.
苯,为最简单的一种芳香烃,芳香族化合物皆由其衍生而成,首先在1865年,由弗里德里希·凯库勒年提出了苯环单键、双键交替排列、无限共轭的结构,即现在所谓「凯库勒式」。又提出了苯中的双键并不是固定的,而是会借由共振,产生介於单键与双键之间的键长,以圆圈型的符号表示代表苯中电子的未定域化。苯结构是一个平面正六边形分子,碳原子以sp2轨域键结,所以任二键互成120°。
性质.
芳香烃具有下列性质,一般称之为芳香性(aromaticity):
德国化学家Hückel根据量子力学计算,若环状电子要具备芳香性,共振电子数必须为4n+2个(n=0,1,2...),ex:苯环有六个共振电子,符合Hückel规则故为芳香族;环庚三烯基阳离子(cycloheptatrienyl cation)有六个π电子,所以具备稳定的芳香性;;环庚三烯基阴离子(cycloheptatrienyl anion)有八个π电子,故较不稳定。
芳香烃反应.
取代反应.
这是芳香烃的有机反应中最常见的反应,可分为亲电芳香取代反应和亲核芳香取代反应,通常是其中的氢原子被其他物质所取代。
亲电芳香取代反应.
亲电芳香取代反应(electrophilic aromatic substitution),为亲电试剂与芳香环所进行的取代反应,该反应类型主要可分为硝化反应、卤代反应、磺化反应以及傅-克反应。反应机构中有一个中间物,而他会进行共振,这个中间物有个特别的名称,一般称之为σ-复合物或者芳基正离子(arenium ion),整个反应为环当亲核基攻击亲电试剂,产生σ-复合物,再用碱抓住并脱去质子,完成取代反应。
亲核取代反应.
亲核芳香取代反应,为亲核剂与芳香环所进行的取代反应,该反应类型主要可分为加成-消去与消去-加成二种。加成-消去主要依循SNAr反应机构,而不是遵循过去常见的SN1以及SN2反应机构,过程中亦会产生一会共振的中间物,但这个中间物所带的是负电荷,所以我们不叫他sigma复合物而称之为Meisenheimer复合物。消去-加成反应则是在反应过程中形成一种名为苯炔的中间物,再利用亲核基攻击苯炔,完成取代反应。是利用同位素标定法确定其反应机构,并用狄尔斯-阿尔德反应的捕捉技巧,确认这个反应性很强的中间物存在。
显色反应.
芳烃和一些试剂作用,可以产生特征颜色,用于鉴别不同种类的芳烃:
反应机理:
3 C6H6 + CHCl3 —AlCl3→ Ph3CH + 3 HCl
Ph3CH + AlCl3 → Ph3C+AlCl4-
ArH + SbCl5 → ArH*+ + SbCl5*-
2 SbCl5*- → SbCl4- + SbCl6-
2 C6H6 + CH2O → Ph-CH2-Ph + H2O
Ph-CH2-Ph + 2 H2SO4 → Ph-CH=C6H4=O + 3 H2O + 2 SO2
多环芳香烃.
多环芳香烃(PAHs)是由芳香环结合而成且不含有杂原子和取代基的芳香烃。萘是最简单的多环芳香烃之一。多环芳香烃存在于油、煤炭和焦油中,是燃料(无论是化石燃料还是生物质)燃烧的副产品。多环芳香烃作为污染物,它们受到关切,因为一些化合物被确认会致癌、导致变异或引起发展缺陷。多环芳香烃也出现于食物中。根据研究,高温烹饪的肉(如烧烤)和熏鱼中含有大量多环芳香烃。
它们也存在于星际物质、彗星和陨石中,可能是。在石墨烯中,多环芳香烃被扩大成大型平面结构。