《有机化学》 芳烃 芳香性
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有机化学第六章芳香烃
Y
可见，凯库勒式并不能确切地反映苯的真实情况
现代物理方法（射线法、光谱法、偶极距的测定）表明，苯分子是 一个平面正六边形构型，键角都是120°，碳碳键长都是0.1397nm。图 示如下：
杂化轨道理论解释
苯分子中的碳原子都是以sp2杂化轨道互相沿对称轴方向重叠形成6个C-Cσ键组成一个 正六边形，每个C各以一个sp2杂化轨道分别与H的1s轨道沿对称的方向重叠，形成六 个C-Hσ键，由于是sp2杂化，所以键角都是120。所有原子均在同一平面上。 每个C还有一个未参与杂化的垂直于与碳环平面σ键的P轨道，彼此侧面重叠，形成一 个封闭的共轭体系，每个P轨道上有一个P电子，组成了π66大π键。由于共轭效应使π 电子高度离域，电子云完全平均化，故无单双键之分。 因此，苯的电子云是一个整体，分布在环的上、下方，并且是完全平均的，所以苯分 子中每个C-C键都有π键的性质，并且是完全相同的，故邻位二元取代物也应当只有一 种。 应当注意且要牢记，苯环中并没有一般的C-C单键和C=C双键。
（ 2 ）体系能量降低，氢化热（208.5 kJ·mol-1）比环己烯氢 化热的三倍低得多（ 3×119.3－208.5 = 149.4 kj·mol-1 ），这 149.4 kj·mol-1即为苯的共轭能。
苯现在的表达方式
价键式
分子轨道离域式
共振式
自旋偶合价键理论 （1986年Copper等提出）
+ Cl2 + Br2
Fe 或 FeCl3 55~60℃
Fe 或 FeBr3 55~60℃
+ 2Cl2 Fe 或 FeCl3
反应历程：
Cl
+ HCl
Br
+ HBr
Cl
+
有机化学-芳香烃
CH3
HNO3
HOAc
CH3
CH3 CH3
NO2 +
+
NO2
NO2
63% 34% 3%
Cl
Cl
Cl
Cl
HNO3
H2SO4
NO2 +
+ NO2
30%
NO2
69% 1%
(2) 第二类定位基─间位定位基
使新进入苯环的取代基主要进入它的 间位，并使苯环致钝。
例如： −CF3, −N(CH3)3+, −NO2, −CN, −SO3H, −CHO, −COCH3, −COOH, −COOCH3, −CONH2, −NH3+。
NO2
NO2
CH3 C CH3 CH3 无 α-H
KMnO4 H+
COOH
氧化剂： KMnO4 铬酸等
4.2.4 苯环上亲电取代反应的定位规则
Y
一取代苯：
芳环上的取代基既影响亲电 取代反应的速率又决定着亲电试 剂进入芳环的位置。
1. 两类定位基
芳环上的取代基分为两类：
(1)第一类定位基 ─ 邻、对位定位基 使得新进入苯环的取代基主要进入它的
均化，闭合共轭
苯
苯的分子结构 体系(环状大π键)
6 个C–C σ键: sp2–sp2相互交盖，6 个C –H σ键: sp2–1s 相互交盖。 6 个2p 轨道的对称轴垂直于环所在平面， 彼此相互平行，两侧进行侧面交盖，形成闭合的π轨道。 6个π电子离域在六个C原子上。由此形成一个闭合的
共轭体系。
2. 苯的构性相关分析
CH3
CH3
CH3
CH3
1,2-二甲苯 邻二甲苯 o-二甲苯
芳香烃,芳香性讲解
CH3
CH3
（1）单环芳烃
CH3
（2）多环芳烃 （3）稠环芳烃
苯
连苯
甲苯
间二甲苯
C
H 三苯甲烷
萘
蒽
菲5
5.1 芳烃的构造异构和命名
5.1.1 构造异构
苯及其同系物的通式为：CnH2n-6。
例如苯有六个碳和六个氢，其六个碳和六个氢 是等同的；
结构异构：
一元取代：只有一种
CH3
二元取代：有三种 三元取代：有三种
CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
H3C CH CH3
CH CH2
CH3
H3C
CH3CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3 CH63
5.1.2 命名
（1）当苯环上所连烃基较简单时，以苯环为母体 来命名，叫做“ 某烷(基)苯 ”。如：
（(m2-）)、苯C对H环3(p上-连)表有示两C取H个2代C取H基3代的H基3相C时对C，H位可置C以H。3用邻（o-）、间
法制备。
39%
Cl
55%
6B%r
20
32.9%
65.8%
1.3%
（1）亲电取代反应
(b) 硝化
苯与混酸（浓硫酸与浓硝酸的混合物）于50~60℃下反应， 则环上的一个氢原子被硝基（－NO2）取代，生成硝基苯。 这类反应被称为硝化反应。
+
浓HNO3
浓H2SO4，50～60oC 75%~85%
NO2 + H2O
❖ 沸点 比相应的烷、烯烃要高，随分子量增加而有规律地变化，每 增加一个系差，则沸点增加30℃左右。苯的沸点为80℃。
❖ 溶解度 苯及同系物难溶于水，易溶于有机溶剂(二甘醇、环丁砜等 特殊溶剂)，苯本身就是极好的有机溶剂。如：苯和乙酸异戊酯的混合 液，俗称“ 香蕉水 ”，是油漆的良好溶剂。
第十一讲 第五章 芳烃 芳香性(2)
O , NR2 , NHR , NH2 , OH , OR , NHCOR , OCOR , R, X(Cl, Br, I), C6H5等。
有 机 化 学
特点：与苯环直接相连的的原子上只有单键（苯环除外） 特点：与苯环直接相连的的原子上只有单键（苯环除外）且多数有孤 电子对或是负离子。 电子对或是负离子。 第二类定位基——间位定位基：它们使第二个取代基主要进入它的间 间位定位基： 第二类定位基 间位定位基 ），同时使苯环钝化 位（间位 > 40%），同时使苯环钝化。常见的有： ），同时使苯环钝化。常见的有：
O CH3 NBr hv, CCl4
64%
O CH2Br NH O
hv
O
CH3 + Cl2 ~100% CH2Cl + HCl
当氯过量时，则发生多取代反应： 当氯过量时，则发生多取代反应：
CH3
Cl2 hv 或高温
CH2Cl
Cl2 hv 或高温
CHCl2
Cl2 hv 或高温
CCl3
第 十 一 讲
(3)
邻对位定位基
中等活化： 中等活化：
O O -NHCR, -OR, -OCR
第 十 一 讲
(9)
Z E
Z
H E
Z H E
Z E H
进攻邻位
进攻间位 ①
进对位
有 机 化 学
取代基Z不同，三种σ 络合物碳正离子的稳定性不同， 取代基 不同，三种σ 络合物碳正离子的稳定性不同，比较三者的稳 不同 定性，确定取代基Z是邻对位定位基还是间位定位基 是邻对位定位基还是间位定位基。 定性，确定取代基 是邻对位定位基还是间位定位基。
Cl2 hv 或加热
CHCH3 Cl
有 机 化 学
特点：与苯环直接相连的的原子上只有单键（苯环除外） 特点：与苯环直接相连的的原子上只有单键（苯环除外）且多数有孤 电子对或是负离子。 电子对或是负离子。 第二类定位基——间位定位基：它们使第二个取代基主要进入它的间 间位定位基： 第二类定位基 间位定位基 ），同时使苯环钝化 位（间位 > 40%），同时使苯环钝化。常见的有： ），同时使苯环钝化。常见的有：
O CH3 NBr hv, CCl4
64%
O CH2Br NH O
hv
O
CH3 + Cl2 ~100% CH2Cl + HCl
当氯过量时，则发生多取代反应： 当氯过量时，则发生多取代反应：
CH3
Cl2 hv 或高温
CH2Cl
Cl2 hv 或高温
CHCl2
Cl2 hv 或高温
CCl3
第 十 一 讲
(3)
邻对位定位基
中等活化： 中等活化：
O O -NHCR, -OR, -OCR
第 十 一 讲
(9)
Z E
Z
H E
Z H E
Z E H
进攻邻位
进攻间位 ①
进对位
有 机 化 学
取代基Z不同，三种σ 络合物碳正离子的稳定性不同， 取代基 不同，三种σ 络合物碳正离子的稳定性不同，比较三者的稳 不同 定性，确定取代基Z是邻对位定位基还是间位定位基 是邻对位定位基还是间位定位基。 定性，确定取代基 是邻对位定位基还是间位定位基。
Cl2 hv 或加热
CHCH3 Cl
第五章_芳烃_芳香性
23
O
CH2(CH2)3OH BF3 H
AlCl3 δ+ δ-
-H2O
CH2(CH2)3Cl BF3 H CH2CH2COCl
H
BF3
O
-HCl
2ClSO3H CCl4
SO3H + H2SO4 + HCl
24
AlCl3 -CuCl2 35~50℃, H2 Ni, △ 9O2 V2 O 5 Cl2 AlCl3 700~800℃
NH2
氨基活化苯环 K2Cr2O7 H2SO4
COOH COOH
49
萘环上二取代 α位： 原基团为第一类 进入同环上的α位
β位： 进入同环上的1位 α位： 进入异环上的α位,有2个 原基团为第二类 β位：进入异环上的α位,有2个
50
特殊
CH3
H2SO4
CH3
H H
C O C O
O
HO3S
CH3
HOOCH2CH2CC O
+
-CN, -SO3H , -NH3
29
-CO NH 2,
+
5.5.2 理论解释：甲苯取代定位机理 稳定 CH3 CH3 CH3 CH 3° 3 E E E E H H H H
CH3
CH 3
CH 3
CH3 3°
稳定
H
E
CH3 E H
H
CH3 E
E
H E CH 3
E H
H
CH 3 2° E H
E
不稳定
57
1984年，克罗托赴美国参加学术会议， 在莱斯大学参观，经化学系主任介绍， 认识了研究原子簇化学斯莫利教授, （R.E.Smally） 观看斯莫利教授和他研究生设计的激光超 团簇发生器,在氦气中用激光合碳化硅变成蒸 汽的实验,克罗托对这台仪器非常感兴趣,这 正是他所渴求的, 1985年8月-9月，三位科学家合作研究，用高 功率激光轰击石墨，使石墨中的碳原子汽化,
有机化学第七章芳香烃
C H 2 C H 3 +H B r
7 6 %
注意： A、催化剂： a、路易斯酸 无水AlCl3 、SbCl5 、
FeCl3 、FeBr3 、ZnCl2 etc b、强酸 HCl 、HF、 H2SO4 、H3PO4 c、中性分子 BF3
芳环上的H原子可以被卤素、硝基、磺酸 基、烷基等取代。
1、卤代反响：芳环上的H原子被X原子所取 代的反响叫卤代反响。当有催化剂Fe或卤化铁时， 苯与X2作用生成卤苯。
+ Cl2 + Br2
Fe 或 FeCl3 55~60℃
Fe 或 FeBr3 55~60℃
+ 2Cl2 Fe 或 FeCl3
Cl
+ HCl
H
120°
H
0.1397nm
H
正六边形结构 所有的原子共平面
120°
0.1397nm
C-C 键长均为0.1397nm
H
H
C-H键长均为0.110nm
0.110nmH
所有键角都为120°
上述特征是共轭体系的特征。 所以，凯库勒构造式并未真正反映出苯的真 实构造，它存在缺陷。随着有机化学理论和技 术的开展，对苯的构造提出了许多新的观点， 如共振构造式、分子轨道理论、杂化理论等。 下面介绍杂化理论对苯构造的解释。
〔2〕按照凯库勒构造 式，苯的邻二取代物应有
X
两种异构体，但实际上只
X
X
有一种异构体。
X
〔3〕苯环有单、双键，苯环不是正六边形。
在一般情况下，碳碳双键为0.134nm ， 碳 碳单键为0.154nm。即单键、双键的键长不相等。 但根据现代物理方法测定结果说明：
A、所有碳碳键的键长均为0.139nm，即平均化。 B、碳碳键的键角为120°，即SP2杂化。 C、所有C、H原子位于同一平面。
有机化学 第六章 芳香烃
第六 章 芳烃 芳香性
(一) 芳烃的构造异构和命名 (二) 苯的结构 (三) 单环芳烃的来源 (四) 单环芳烃的物理性质 (五) 单环芳烃的化学性质 (六) 苯环上取代反应的定位规则 (七) 稠环芳烃 (八) 芳香性 (九) 富勒烯
第六章 芳烃 芳香性
• 芳烃——芳香族碳氢化合物。含有苯环的一 大类C、H化合物。 “芳香”二字的含义：
1,2，4，5-四甲苯
(2) 命名
命名时，一般以芳环为取代基，也可以芳环为母体。具
体情况，具体对待：
CH=CH2
CH=CH2
苯乙烯
对二乙烯基苯 CH=CH2
CH2Cl
CH2OH
苯氯甲烷 氯苄
苯甲醇 苄醇
• C6H5－ 苯基(Ph－) ；
C6H5CH2－ 苄基 ；
Ar－ 芳基(芳环上去掉一个氢后，所剩下的原子团)；
O
慢
H
SO3-
快 HSO4-
+
σ-络合物
SO3- 快
H3O+
SO3H + H2O
(丁) 烷基化反应机理
苯环烷基化反应中，AlCl3的作用是与卤烷起反应， 加速R+的生成：
RCl + AlCl3
R+ + AlCl4-
亲电试剂
+ R+
R
+H
σ-络合物
AlCl4-
R + HCl + AlCl3
苯环烷基化反应时，产生异构化的原因：
Br
p-二溴苯
注意：第二个卤素原子进入第一个卤素原子的邻、对位。
(乙) 硝化
+ HNO3
浓H2SO。4
50-60 C
(一) 芳烃的构造异构和命名 (二) 苯的结构 (三) 单环芳烃的来源 (四) 单环芳烃的物理性质 (五) 单环芳烃的化学性质 (六) 苯环上取代反应的定位规则 (七) 稠环芳烃 (八) 芳香性 (九) 富勒烯
第六章 芳烃 芳香性
• 芳烃——芳香族碳氢化合物。含有苯环的一 大类C、H化合物。 “芳香”二字的含义：
1,2，4，5-四甲苯
(2) 命名
命名时，一般以芳环为取代基，也可以芳环为母体。具
体情况，具体对待：
CH=CH2
CH=CH2
苯乙烯
对二乙烯基苯 CH=CH2
CH2Cl
CH2OH
苯氯甲烷 氯苄
苯甲醇 苄醇
• C6H5－ 苯基(Ph－) ；
C6H5CH2－ 苄基 ；
Ar－ 芳基(芳环上去掉一个氢后，所剩下的原子团)；
O
慢
H
SO3-
快 HSO4-
+
σ-络合物
SO3- 快
H3O+
SO3H + H2O
(丁) 烷基化反应机理
苯环烷基化反应中，AlCl3的作用是与卤烷起反应， 加速R+的生成：
RCl + AlCl3
R+ + AlCl4-
亲电试剂
+ R+
R
+H
σ-络合物
AlCl4-
R + HCl + AlCl3
苯环烷基化反应时，产生异构化的原因：
Br
p-二溴苯
注意：第二个卤素原子进入第一个卤素原子的邻、对位。
(乙) 硝化
+ HNO3
浓H2SO。4
50-60 C
有机化学-芳烃(全面剖析)
苯的氢化热预计： 120 * 3 = 360 kJ/mol 苯的氢化热实测： 208 kJ/mol 离域能(或共轭能) ：360 - 208 = 152 kJ/mol
五、苯的共振式和共振论的简介 基本要点： 1．当一个分子、离子或游离基按照理论可以写出两 个以上经典结构式时，这些经典结构式构成了一个 共振杂化体，共振杂化体接近实际分子。
H H H
H
闭 合 H共 轭 体 系 H
三、苯的分子轨道模型
y6=0.408(-f1+f2-f3+f4-f5+f6) y5=0.289(-2f1+f2+f3-2f4+φ5+f6) y4=0.500(f2-f3+f5-f6)
反键轨道
成键轨道
y3=0.500(f2+f3-f5-f6) y2=0.289(2f1+f2-f3-2f4-f5+f6) y1=0.408(f1+f2+f3+f4+f5+f6)
SO3H
﹢ + H3O
+ H2O ……④
4. 傅瑞德—克拉夫茨（Friedel-Crafts）反应
包括 烷基化—— 被 -R 取代 O 酰基化—— 被 R-C- 取代 催化剂：AlCl3 、 FeCl3 、BF3等路易斯酸 烷基化试剂：卤代烷、烯、醇等
C2H5
① 烷基化反应
+ C2H5Br
AlCl3
甲苯基--甲苯分子中苯环上减去一个H所得基团叫甲苯基.
CH2Cl
CH2OH
苄氯(氯化苄)
苄醇(苯甲醇)
5. 苯的衍生物命名 a. -NO2 、-NO、-X 与苯相连时，苯作母体
《有机化学》芳烃
命名时，一般以苯作母体，将其它烃基作为取代基，
称“某苯”。
CH3
H3C CH3 CH
甲苯
异丙苯
5
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；
CH3 CH3
CH3
CH3
邻二甲苯 1,2-二甲苯 o-二甲苯
CH3
间二甲苯 1,3-二甲苯 m-二甲苯
CH3
对二甲苯 1,4-二甲苯 p-二甲苯
H
HCCC H 或
HCCCH
H
3
有人提出质疑: 按照这个结构, 苯的二溴代物应有两种.
Br
溴代
Br
Br
结构式
和
Br
但实际上只得到一种!
结构特征： 1. 所有原子共平面 2.形成环状大 p 键 3.碳碳键长完全平均化 4.环稳定、难加成、易取代
4
二、苯及其同系物的命名
苯环上的氢原子被烃基取代后，所得产物为苯的同系 物。可分为一烃基苯、二烃基苯和多烃基苯等。
20
1. 邻、对位定位基, 又称第一类定位基,“指挥”新取代 基主要进入它的邻位和对位,同时活化苯环(卤素除外)。 属于第一类基的有(按定位能力由大到小排)：
乙酰氯
O CH3CH2CH2C Cl AlCl3
CH2CH2CH2CH3 73%
eg:
CHO
CH3COCl 无水AlCl3
O C CH3 ＋ HCl
苯乙酮 (95%)
O
Zn—Hg
CCH2CH2CH3 HCl,
制备芳香酮
制备直链烷基苯
?
16
(二) 苯侧链烃基的反应 1. 烷基苯的氧化反应 苯环本身不易被氧化，但连有侧链的烷基苯，若侧 链含有α－H，则侧链易被氧化为芳香羧酸。
05第五章芳烃芳香性4 共101页
53% 79%
43% 13%
烷基苯比苯易于磺化，生成邻对位取 代物。
磺基有较大体积，容易受到邻位取代
基的空间阻碍，较高温度达平衡时，没有 空间阻碍的对位异构成为主要产物。
磺化反应的应用
1.磺酸是强有机酸，引入磺酸基可增加溶
解度。 2.帮助定位。
CH 3
CH 3
X
CH 3
H2SO4
CH 3
X2/Fe
N2O +H2O
硝基苯
在较高温度，硝基苯继续反应，主 要生成间硝基苯。
NO2+HN3(O浓浓 1H02SOC0O4
）
NO2 NO2+H2O
烷基苯反应比苯容易，主要生成邻 和对取代物。
CH3 +HN3O(浓浓 3H02OSCO4
）
CH3
CH3
NO2 + +H2O
NO2
(c) 磺化 (sulfonation)
链增长：
CH3 + Cl
CH2 + HCl
CH2
CH2Cl
+ Cl2
+ Cl
.......
CH2 与 C H 2 C HC H 2 相似， 比烷基自由基稳定。
当苯环上连接的烷基较长时，卤化反应 仍主要在α位，因为苄基型自由基比较稳 定。
O OO
C H 2 C H 3+
NB rP h C O O C P h O C C l4 ,8 0 ° C
第二步： 极化了的溴进攻苯环
B r + B rB rF e B r 3 慢 H + B rF e B r 3
生成苯碳正离子中间体。此步骤是决 定反应速率的一步。
有机化学第五章芳烃 芳香性
(1) 卤化反应
应用举例：
(2). 氧化
含有α-H的烷基苯进行氧化时，侧链被氧化为羧基。常 用氧化剂为KMnO4、浓HNO3。
无α–H，在强氧化条件下，即使苯环被氧化， 侧链也不被氧化。并无文献实例
空气氧化
回顾：
CH3 CH2 C CH3 O2, Mo-W-Te 300～400℃ CH3 CH2 C CHO O2, 钼系杂多酸 270～350℃ CH3 CH2 C COOH
一些常见取代基
第二类定位基 间位致钝基 邻对位致钝基 （苯） 第一类定位基 邻对位致活基
O
O CH
NO2
SO3H
COH
Br
F
R
OR
NH2
反应活性
O
O COR
I
O
NR3
CF3 CCl3
C
N
CR
Cl
H
Ar
NH C R
OH
O NR2 NHR
O OC R
强致钝
中致钝
弱致钝
弱致活
中致活
强致活
5.5.2 苯环上亲电取代反应定位规则的理论解释
•烷基化AlCl3用量为催化量
Friedel-Crafts酰基化反应机理
O R C O O C R AlCl3 R O C O O C AlCl3 R R C O + R O C O AlCl3
－Cl O R C O AlCl2
消耗1eqv. AlCl3
消耗1eqv. AlCl3
Clemmensen 还原
(1) 电子效应 邻、对位定位基: 供电子(electron-releasing) +I &+C , +I, +C>-I –I>+C
应用举例：
(2). 氧化
含有α-H的烷基苯进行氧化时，侧链被氧化为羧基。常 用氧化剂为KMnO4、浓HNO3。
无α–H，在强氧化条件下，即使苯环被氧化， 侧链也不被氧化。并无文献实例
空气氧化
回顾：
CH3 CH2 C CH3 O2, Mo-W-Te 300～400℃ CH3 CH2 C CHO O2, 钼系杂多酸 270～350℃ CH3 CH2 C COOH
一些常见取代基
第二类定位基 间位致钝基 邻对位致钝基 （苯） 第一类定位基 邻对位致活基
O
O CH
NO2
SO3H
COH
Br
F
R
OR
NH2
反应活性
O
O COR
I
O
NR3
CF3 CCl3
C
N
CR
Cl
H
Ar
NH C R
OH
O NR2 NHR
O OC R
强致钝
中致钝
弱致钝
弱致活
中致活
强致活
5.5.2 苯环上亲电取代反应定位规则的理论解释
•烷基化AlCl3用量为催化量
Friedel-Crafts酰基化反应机理
O R C O O C R AlCl3 R O C O O C AlCl3 R R C O + R O C O AlCl3
－Cl O R C O AlCl2
消耗1eqv. AlCl3
消耗1eqv. AlCl3
Clemmensen 还原
(1) 电子效应 邻、对位定位基: 供电子(electron-releasing) +I &+C , +I, +C>-I –I>+C
有机化学--第八章芳烃
Br+ + FeBr4-
Br+
3.磺化反应的机理
苯用浓硫酸磺化，反应很慢。若用发烟硫酸磺化， 在室温即可进行。故认为磺化试剂很可能是三氧化硫(也 有人认为是+SO3H)。在硫酸中也能产生三氧化硫：
SO3因为极化使硫原子显正性，通过硫原子进攻苯环。磺 化反应是可逆的。在浓硫酸中，磺化反应机理可能如下：
第八章 芳烃 芳香性
一般把苯及其衍生物总称为芳香族化合物。芳烃是 芳香族碳氢化合物的简称，亦称芳香烃。
芳烃按其结构可分为三类： 单环芳烃
芳烃 多环芳烃 稠环芳烃
①单环芳烃:分子中含有一个苯环的芳烃，称为单环芳烃。 例如：
②多环芳烃：分子中含有两个或两个以上独立苯环的芳烃， 称为多环芳烃。例如：
1
2
3
1.苯环上C—H伸缩振动 2.苯环的C=C伸缩振动 3.二取代苯C—H面外弯曲振动 （770～735）
8.4单环芳烃的化学性质
苯环平面的上下方有π电子云，与σ 键相比，平行重叠的π电子云结合较 疏松，因此在反应中苯环可充当一个电子源，与缺电子的亲电试剂发生反应， 类似于烯烃中π键的性质。但是苯环中π电子又有别于烯烃,π键共振形成的大 π键使苯环具有特殊的稳定性，反应中总是保持苯环的结构。苯的结构特点 决 定 苯 的 化 学 行 为 ， 它 容 易 发 生 亲 电 取 代 反 应 ( elcctrophilic substulion reaction)而不是加成反应。
基本反应： 2RSH +0.5O2 Cat. RSSR + H2O
N
C
C
CN
N
N
Co
CN
N
C
C
N
酞菁钴
Br+
3.磺化反应的机理
苯用浓硫酸磺化，反应很慢。若用发烟硫酸磺化， 在室温即可进行。故认为磺化试剂很可能是三氧化硫(也 有人认为是+SO3H)。在硫酸中也能产生三氧化硫：
SO3因为极化使硫原子显正性，通过硫原子进攻苯环。磺 化反应是可逆的。在浓硫酸中，磺化反应机理可能如下：
第八章 芳烃 芳香性
一般把苯及其衍生物总称为芳香族化合物。芳烃是 芳香族碳氢化合物的简称，亦称芳香烃。
芳烃按其结构可分为三类： 单环芳烃
芳烃 多环芳烃 稠环芳烃
①单环芳烃:分子中含有一个苯环的芳烃，称为单环芳烃。 例如：
②多环芳烃：分子中含有两个或两个以上独立苯环的芳烃， 称为多环芳烃。例如：
1
2
3
1.苯环上C—H伸缩振动 2.苯环的C=C伸缩振动 3.二取代苯C—H面外弯曲振动 （770～735）
8.4单环芳烃的化学性质
苯环平面的上下方有π电子云，与σ 键相比，平行重叠的π电子云结合较 疏松，因此在反应中苯环可充当一个电子源，与缺电子的亲电试剂发生反应， 类似于烯烃中π键的性质。但是苯环中π电子又有别于烯烃,π键共振形成的大 π键使苯环具有特殊的稳定性，反应中总是保持苯环的结构。苯的结构特点 决 定 苯 的 化 学 行 为 ， 它 容 易 发 生 亲 电 取 代 反 应 ( elcctrophilic substulion reaction)而不是加成反应。
基本反应： 2RSH +0.5O2 Cat. RSSR + H2O
N
C
C
CN
N
N
Co
CN
N
C
C
N
酞菁钴
《有机化学》(第四版)第五章 芳烃(习题答案)
第五章 芳烃 芳香性思考题P152 习题5.1 写出四甲(基)苯的构造异构体并命名。
解：CH 3CH 3CH 3CH 3CH 3CH 3CH 3H 3CCH 3CH 3CH 3H 3C1,2,3,5-四甲(基)苯1,2,3,4-四甲(基)苯1,2,4,5-四甲(基)苯P152 习题5.2 命名下列各化合物或基：解：CH 3C 2H 5CH(CH 3)2CH 2CH 2C=CCH 3HH 3C1-甲基-2-乙基-4-异丙基苯1,2-二苯乙烷顺-2-苯基-2-丁烯(E)-2-苯基-2-丁烯CH 3CH 3CHC(CH 3)3(CH 3)3C 2,6-二甲基苯基β-苯乙基2,2,4,4-四甲基-3-苯基戊烷CH 2CH 22-苯乙基P153 习题5.3 写出下列各化合物或基的结构式：(1) 异丁苯CH 2CHCH 3CH 3(2) 间甲苯基环戊烷CH 3(3) (E)-1,2-二苯乙烯C=CH PhPhH(4) 顺-5-甲基-1-苯基-2-庚烯C=CHHCH 2CHCH 2CH 3CH 2CH 3(5) 二苯甲基CH C 6H 5C 6H 5(6) 3-苯基-2-丙烯基CH 2CH=CH C 6H 5P156 习题5.4 甲苯的沸点比苯高30.5℃，而熔点低~100℃，为什么？解：甲苯的相对分子质量大于苯，分子间色散力大于苯，因比甲苯的沸点也高于苯；但苯分子的对称性好，晶格能大于甲苯，因此苯的熔点高于苯。
P161 习题5.5 写出乙苯与下列试剂作用的反应式(括号内是催化剂)：(1) Cl 2(FeCl 3) (2) 混酸 (3) 正丁醇(BF 3) (4) 丙烯(无水AlCl 3) (5) 丙酸酐(CH 3CH 2CO)2O(无水AlCl 3) (6) 丙酰氯CH 3CH 2COCl(无水AlCl 3) 解：(1)CH 3CH 2CH 3CH 2ClClCH 2CH 3Cl FeCl 3+(2) 混酸CH 3CH 2CH 3CH 2NO 2+NO 2CH 2CH 3(3)BF 3323C 2H 5CHCH 2CH 3CH 3CH 2CH 3+CHCH 2CH 3CH 2CH 3CH 3(4)233+CH(CH 3)2CH 2CH 3CH 2CH 3CH 2CH 3CH(CH 3)2(5)(CH 3CH 2CO)2O 3+COCH 2CH 3CH 2CH 3CH 2CH 3CH 2CH 3CCH 2CH 3O(6)323CH 2CH 3+COCH 2CH 3CH 2CH 3CH 2CH 3CCH 2CH 3OP161习题5.6 由苯和必要的原料合成下列化合物：(1)解：HO H SO +(或环己烯)(2) 叔丁苯解：C CH 3CH 3CH 3+ CH 2=C CH 3CH 3H SO (3) CH 2(CH 2)5CH 3解：HCl+C(CH 2)5CH 3OCH 3(CH 2)5C O3CH 2(CH 2)5CH3(4)C CH 2CH 2OC OH O解：OOO+3CCH 2CH 2C OH OOP164 习题5.7 试以苯和必要的原料合成正丙苯。
第5章 芳烃 芳香性
芳香性的概念和芳香化合物的定义
第一阶段：从植物胶中取得的具有芳香 气味的物质称为芳香化合物。 第二阶段：将苯和含有苯环的化合物称 为芳香化合物。 第三阶段：将具有芳香特性的化合物称 为芳香化合物。
芳香性的概念
1. C/H的比例高，即不饱和度比较高； 2. 具有平面和接近平面的环状结构； 3. 键长接近平均化； C6H6
芳环亲电取代反应历程: (1) 亲电试剂E+进攻苯环，并很快和苯环的电子形成 络合物 (2) 络合物中亲电试剂 E+ 进一步与苯环的一个碳原 子直接连接，形成络合物
H + E 快 E 慢 E
络合物
H E H E
络合物
H E
C: sp2 → sp3
H E Nu
H E Nu
E
Nu
Br + Br2 H = -45.14 kJ/mol H = 8.36 kJ/mol
Michael Faraday 1791-1867
Kekulé 1829-1896
5.2 苯的结构 历史上苯的表达方式
凯库勒式
双环结构式 杜瓦苯
棱形结构式 棱晶烷
向心结构式
对位键结构式
余价结构式
5.2 苯的结构
1. 按凯库勒式：苯分子中有交替的碳碳单键和双键，而单键和 双键的键长是不等的，苯应该是一个不规则的六边形结构。 实际上：苯分子中C－C键的键长完全相等，均为0.139nm， 即比一般的碳碳单键短，比一般的碳碳双键长一些。 却不发生加成； 而发生取代。
或 (RCO)2O
O R C Cl + AlCl3 R C O + AlCl4 O H + R C O COR -H R
讨
第十讲 第五章 芳烃 芳香性(1)
NO2
NO2
+ H2 O
NO2 + NO2
1%
第 十 讲
(13)
NO2 + 浓HNO3
浓H2SO4 100~110oC
NO2 NO2
6%
+
NO2
93%
NO2
发烟 HNO3, 浓 H2SO4 95oC
NO2
发烟 HNO3, 浓 H2SO4 NO2 110oC, 5天
ψ6 ψ4 ψ5
反键轨道
能 量
ψ2
ψ3
成键轨道
ψ1
图 5-2 苯的分子轨道和能级
有 机 化 学
5.2.3 共振论对苯分子结构的解释 共振论认为，苯的结构是两个或多个经典结构的共振杂化体： 共振论认为，苯的结构是两个或多个经典结构的共振杂化体：
（Ⅰ）
（Ⅱ）
（Ⅲ）
（Ⅳ）
（Ⅴ）
共振使苯的能量比假想的1,3,5-环己三烯低 环己三烯低149. 4 kJ/mol，这就是苯的 共振使苯的能量比假想的 环己三烯低 ， 共振能或离域能，因此苯比较稳定。 共振能或离域能，因此苯比较稳定。 历史上苯的表达方式： 历史上苯的表达方式：
苯
CH 3
甲苯
CH 3 CH 3
二甲苯
（2）多环芳烃：分子中含有两个或两个以上独立苯环的芳烃。例如： ）多环芳烃：分子中含有两个或两个以上独立苯环的芳烃。例如：
第 十 讲
(3)Βιβλιοθήκη 联苯H C三苯甲烷
（3）稠环芳烃：分子中含有两个或多个苯环彼此间通过公用两个相邻 ）稠环芳烃： 碳原子稠合而成的芳烃
萘 蒽 菲
CH3 Br
1. 3%
（b）硝化反应 ） 定义：苯在浓HNO3和浓 2SO4（通常称为混酸）作用下，于50~60oC 和浓H 通常称为混酸）作用下， 定义：苯在浓 反应，芳环上的一个氢被硝基取代生成硝基苯的反应称为硝化反应。 反应，芳环上的一个氢被硝基取代生成硝基苯的反应称为硝化反应。
第五章 芳烃 芳香性
• 第二类定位基－间位位定位基： （钝化
苯环） -N+(CH3)3, -NO2, -CN, -SO3H, -CHO, COCH3, COOH, -COOCH3, -CONH2, N +H 3 ；
B:苯环上取代反应定位规则的理论解释
• （1）电子效应
Z H Z E+ Z + E+ E Z
+ Z E + H E H
常用烷基化试剂：卤代烷，烯烃，醇， Cl 环醚； CH2=CH-Cl
不能做烷基化试剂
烷基化反应历程：
CH3CH2Cl + AlCl3 CH3CH2+AlCl4CH2CH3 + CH3CH2+AlCl4CH2CH3 + H+ + H
特点：可逆，歧化，重排
1). 可逆：芳烃可以在催化条件下烷 基化成为烷基苯，烷基苯也可在同 一催化剂存在下脱烷基成为芳烃。
二硝化主要产物为间二硝基苯；
NO2 + 浓 HNO3 浓 H2SO4 100~110℃ 93% NO2 + NO2 NO2 1% NO2 + NO2
NO2
6%
CH3 浓 HNO3 浓H2SO4 30℃
CH3 NO2 +
CH3 +
CH3
NO2 NO2
59％
37％
4％
硝化反应历程
H2SO4 + HONO2 H2O+ NO2 H2O + H2SO4 2H 2SO4 HNO3
• （一）苯系芳烃分类：
1.单环芳烃：分子中含有一个苯环；
2.多环芳烃：分子中含有两个或两个以上独立苯 环；
3.稠环芳烃：分子中两个或多个苯环彼此间共用 两个相邻碳原子而成的芳烃；
大学有机化学重点知识总结第五章 芳烃 芳香性汇总
COOR > OH > Cl >
COCl > C C
CONH2 > >
NH2 > NO2
COOH
C
C >
1
对-甲酰基苯甲酸
SO 3H
CHO
NH2
COOH
对氨基苯磺酸 1
HO NO2
3-硝基-5-羟基苯甲酸
COOH > C N C C
NH2 Cl OCH3
SO3H > CHO > C C >
COOR > C O > OR >
命名原则： 1. 简单的芳烃以苯环为母体， 称“某苯”
CH3
甲苯 异丙苯
Cl
氯苯
CH3 CHCH3
NO2
硝基苯
2. 当苯环上连有两个以上取代基时，需标明取 代基位次或取代基间的相对位置
二取代苯的3个异构体:
CH3 CH3
CH3 CH3
CH3
CH3
1,2–二甲苯 邻二甲苯 o–
1,3–二甲苯 间二甲苯 m–
CH3 CH CH2 CH3 CHCH2 Cl CH3
H2 SO4 Δ AlCl3 Δ
如何得到直链烷基苯？
*④ 苯环上连有强吸电子基（如–NO2、 -SO3H、-COOH、-COR等取代基）时， 烷基化反应不发生。
NO 2 + CH3CH2Cl
X
不反应 (因为N和O的孤对电子 与AlCl3配合使AlCl3失效)
+ RX AlCl3 R + HX
① 常用催化剂：AlCl3、FeCl3、ZnCl2、 (HF、BF3、H2SO4)
② 常用烷基化试剂：卤代烃、烯烃、 醇、 环醚
有机化学：第5章 芳烃 芳香性
Br Br FeBr3 H Br
Br + Br FeBr3
H Br
H Br
π电子的离域产生共振杂化体：
H Br
Br FeBr3 H
Br
Br + Br H + FeBr3
催化剂的作用：使卤素变成强亲电试剂，促进反应进行。
第五章 芳烃 芳香性（四、单环芳烃化学性质）
第一步： Br2的极化
Polarization of Br2
苯的闭合共轭体系非常稳定。加成反应， 闭合共轭体系破坏，难以发生。 取代不破坏此稳定结构，且由于离域电 子的流动性较大，向亲电试剂提供电子， 易发生取代反应。
第五章 芳烃 芳香性（二、苯的结构）
2、共振论对苯分子结构的解释
两个或多个经典结构的共振杂化体：
（I） （II） （III） （IV） （V）
苯的氢化热：208.5 kJ • mol-1 环己烯氢化热的3倍： 3×119.3＝357.9 kJ•mol-1 离域能149.4kj/mol-1
苯分子的结构是平面正六边形
苯分子中的碳碳键长: 0.14 nm C－C 单键键长: 0.154 nm C C 双键键长: 0.134 nm
键角: 120 °
苯的真实结构式是共振式（I）和（II）产生的杂化体。
其共振能为：149.4 kJ·mol-1 环状的共轭体系导致苯分子具有相当高的稳定性。
第五章 芳烃 芳香性（二、苯的结构）
苯的结构小结：
（1）苯是一个正六边形的平面分子，键长、键角平均化； （2）电子云分布在苯环的上方和下方； （3）π电子高度离域，6个π电子在基态下都在成键轨道
1,4–二甲苯 对二甲苯
o-dimethylbenzene m-dimethylbenzenep-dimethylbenzene
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4.1.1 芳烃按其结构分为三类：
芳烃
单环芳烃 苯
多环芳烃
联苯
CH3 CH3
甲苯
CH3 二甲苯
H C
三苯甲烷
稠环芳烃
萘
菲
4.1.2 芳烃的构造异构
一元取代只有一个结构式，二、三、四元取代各有三个 异构体。例：
CH3
甲苯
CH3 CH3
邻二甲苯 1,2-二甲苯
o-
CH2CH3
乙苯
CH3
CH3
间二甲苯 1,3-二甲苯
-CH3可直接分散 正电荷，稳定！
H +
H2SO4
(ii) Friedel-Crafts酰基化反应
O + R-C-Cl AlCl3
酰氯
O C-R
酰基苯
酰基
+ HCl
R CO
➢酸酐(
R
O CO
)也可做为酰基化试剂。
➢ 酰基化反应不异构化、不多元取代。
➢ 如果想得到正丙苯：
Clemmenson还原
O + CH3CH2-C-Cl AlCl3
CH3
C-CH3 CH3
KMnO4
x
2、自由基氯代反应
Cl2 CH3 light
or
heat
CH2Cl
氯苄，具催泪性
当氯气过量时，可以进一步氯化，生成二氯化苄和三氯化苄。 溴代反应也可用NBS。
4.5 苯环上取代反应的定位规则
➢ (1) 三类定位基 ➢ 苯环上已有一个取代基之后，新引入取代基的位置取向受
-CH2OH 羟甲基
-CH2CN -CH2COOH 氰甲基 羧甲基
-CH2NH2 -CHO 氨甲基 醛基
例：
CH2Cl
NaOH/H2O NaCN
CH2OH
CH2CN
H2O H+orOH-
CH2COOH
详见第6章卤代烃、金属有机化合物
(3) 加成反应 （了解） (甲) 加氢
。
+ 3H2
Pt,175 。C
50%
p-二氯苯 45%
+ Br2 6F0e-B7r03。C
Br + HBr
Br2 FeBr3
Br
Br
Br+
o-二溴苯
Br
p-二溴苯
注意：第二个卤素原子进入第一个卤素原子的邻、对位。
卤化反应机理
• 无Fe或FeX3存在时，苯不与溴或氯发生反应，所以苯 不能使溴的四氯化碳溶液褪色。
• 但有Fe或FeX3存在时，苯可与溴或氯气发生反应，其 中FeX3的作用是促进X2极化离解：
H
H
H
H
H
H
➢ π66是离域的大π键，其离域能为152KJ/mol， 体系稳定，能量低，不易开环(即不易发生加成、 氧化反应) 。
➢ 处于π66大π键中的π电子高度离域，电子云 完全平均化，像两个救生圈分布在苯分子平面 的上下侧 ，在结构中并无单双键之分，是一个 闭合的共轭体系。
苯分子中电子云分布：
m-
CH(CH3)2
异丙苯
CH3
CH3
对二甲苯 1,4-二甲苯
p-
CH3 CH3 CH3
连三甲苯 1,2,3-三甲苯
CH3 CH3
CH3
偏三甲苯 1,2,4-三甲苯
CH3
H3C
CH3
均三甲苯 1,3,5-三甲苯
CH3
CH3
CH3 H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
1,2,3,4-四甲苯 1,2,3，5-四甲苯
仪器测得：
苯分子中12个原子共平面。所有的 C-C键长为0.140nm，所有的C-H键长为 0.104nm，键角∠CCH及∠CCC均为 120º。
H
H 0.108nm
H
120。
H
H
H
0.140nm
(1) 价键理论
Kekulé于1865年对苯的结构提出了一个设想：
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
两种不同的“环己三烯” 在迅速地相互转变
R
+ R+
+H
R+ + AlCl4-
AlCl4-
R + HCl + AlCl3
➢ 付氏烷基化反应的特点及问题： ① 多元取代
+ CH3CH2Cl
AlCl3
CH2CH3
乙苯 更易亲电取代
C2H5Cl AlCl3
CH2CH3 CH2CH3 +
CH2CH3 CH2CH3
➢ 这个问题可通过控制C6H6及RCl的 相对用量，使主要产物为一元取代。
➢ 在19世纪， Kekulé提出的苯的结构式 是最满意的一种。它成功地解释了许多 实验事实，但不能解释苯环的特殊稳定 性及苯只有一种邻二取代物。
➢杂化轨道理论的解释：
苯分子中12个原子共面，其中六个碳原子均 采取sp2杂化，每个碳原子上还剩下一个与σ平 面垂直的p轨道，相互之间以肩并肩重叠形成 π66大π键。
OH SO3H
Br2
Fe HO3S
Br OH H2O
SO3H
Br OH
4、 Friedel-Crafts反应
(i) Friedel-Crafts烷基化反应
+ RX AlCl3
R + HX (X=Br、Cl)
常用催化剂：无水AlCl3(Liews酸)或H2SO4等。
例1：
+
CH 2=CH 2
AlCl3 orH2SO4
4.4.1 亲电取代反应
苯环亲电取代反应的一般模式
+ E+
H
E+
+E
亲电试剂 -络合物 -络合物
E
+ H+
-络合物的表达方式
H
H
E
E
+
+
共振式
+H
E
H
+E
离域式
4.4.1 亲电取代反应
1、 卤化反应
+
Cl2
FeCl3。
40-60 C
Cl
+ HCl
Cl2 FeCl3
Cl
Cl
Cl +
o-二氯苯
Cl
HOSO2OH + HO-NO2
H-O+ -NO2 H
H-O+ -NO2 + HSO4H
+NO2 + H2O
3、 磺化反应
。 + 浓H2SO4 80 C
SO3H + H2O
+ H2SO4 SO3 室温
发烟硫酸
SO3H + H2O
其他磺化试剂还有SO3、ClSO3H(氯磺酸，合成中 主要用于制备磺酰氯)等：
SO3H + H2O
定位效应： 苯环上已有一个－SO3H后，苯环钝化，且第二个
基团上m-； 苯环上已有一个－CH3后，苯环活化，且第二个基
团上o-、p-。
。 SO3H + H2SO4 SO3 200-230 C
发烟硫酸
SO3H
SO3H
间苯二磺酸
+ H2O
CH3 + 浓 H2SO4 室温
CH3 SO3H
FeCl3 + Cl 2 FeBr3 + Br 2
FeCl
4
+
Cl +
FeBr
4
+
Br +
亲电试剂
+ Br+ 快
Br+ 慢
Br
+H
-H+
快
Br
-络合物
-络合物
2、 硝化
+ HNO3
浓H2SO。4
50-60 C
若苯环上已有取代基：
NO2 + H2O
硝基苯
NO2 + 发烟HNO 3
发烟。H2SO4
➢ 两类定位基定位能力的强弱是不同的，大 致如上述次序。
➢第三类：致钝的邻对位定位基，苯环钝化， 但新引进的基团主要进入邻位和对位。包括卤 素，-F, -Cl, Br, I等。
(2) 苯环上取代反应定位规则的理论解释
(甲) 电子效应
(a) 第一类定位基对苯环的影响及其定位效应
这类取代基对苯环均有推电子效应，因而使苯环
orNi,300 C
(乙) 加氯
+ 3Cl2 hn
Cl Cl
Cl Cl Cl
Cl
H Cl 六氯化苯
Cl （六、六、六） Cl
Cl
Cl
Cl
➢ 六六六有七种异构体，其中γ－异构体(～ 18%) 有杀虫作用，但其化学性质太稳定，残 毒大，已被淘汰。
4.4.5 芳烃侧链的反应
1、氧化反应
CH3
KMnO4
例：
x NO2
O
AlCl3
+ R-C-Cl(或RCl)
所以，常用硝基苯做为付氏反应的溶剂。
5、氯甲基化
3
+ (HCHO)3 + 3HCl
ZnCl2
。
60 C
3
CH2Cl + 3H2O
CH3O CH3O
+ HCHO + HCl ZnCl2 CH3O CH3O
CH2Cl
➢ 氯甲基化反应在有机合成上很重要，因 为-CH2Cl(氯甲基)很容易转化为：
电子云密度↑，使苯环活化。
H
H
甲基: