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芳香
此外,在芳香族中,一些芳香環中並不完全是苯的結構,而是其中的碳原子,會被氮、氧、硫等元素取代,我們稱之為雜環,例如:像是呋喃的五元環中,包括一個氧原子,吡咯中含有一個氮原子,噻吩含有一個硫原子等。
而芳烃可分为:
而具有鏈狀的芳香烴一般稱之為脂芳烴(arenes),常見的脂芳烴有甲苯、乙苯、苯乙烯等。
苯,為最簡單的一種芳香烴,芳香族化合物皆由其衍生而成,首先在1865年,由弗里德里希·凱庫勒年提出了苯環單鍵、雙鍵交替排列、無限共軛的結構,即現在所謂「凱庫勒式」。又提出了苯中的雙鍵並不是固定的,而是會藉由共振,產生介於單鍵與雙鍵之間的鍵長,以圓圈型的符號表示代表苯中電子的未定域化。苯結構是一個平面正六邊形分子,碳原子以sp2軌域鍵結,所以任二鍵互成120°。
芳香烴具有下列性質,一般稱之為芳香性(aromaticity):
德國化學家Hückel根據量子力學計算,若環狀電子要具備芳香性,共振電子數必須為4n+2個(n=0,1,2,...),ex:苯環有六個共振電子,符合Hückel規則故為芳香族;環庚三烯基陽離子(cycloheptatrienyl cation)有六個π電子,所以具備穩定的芳香性;;環庚三烯基陰離子(cycloheptatrienyl anion)有八個π電子,故較不穩定。
親電芳香取代反應(electrophilic aromatic substitution),為親電試劑與芳香環所進行的取代反應,該反應類型主要可分為硝化反應、鹵代反應、磺化反應以及傅-克反應。反應機構中有一個中間物,而他會進行共振,這個中間物有個特別的名稱,一般稱之為σ-複合物或者芳基正離子(arenium ion),整個反應為環當親核基攻擊親電試劑,產生σ-複合物,再用鹼抓住並脫去質子,完成取代反應。
親核芳香取代反應,為親核劑與芳香環所進行的取代反應,該反應類型主要可分為加成-消去與消去-加成二種。加成-消去主要依循SNAr反應機構,而不是遵循過去常見的SN1以及SN2反應機構,過程中亦會產生一會共振的中間物,但這個中間物所帶的是負電荷,所以我們不叫他sigma複合物而稱之為Meisenheimer複合物。消去-加成反應則是在反應過程中形成一種名為苯炔的中間物,再利用親核基攻擊苯炔,完成取代反應。是利用同位素標定法確定其反應機構,並用狄爾斯-阿爾德反應的捕捉技巧,確認這個反應性很強的中間物存在。
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:
名称 | 结构式 | 在无水三氯化铝的存在下 与氯仿反应显色[1] |
在四氯化碳溶液中 和五氯化锑反应显色[2] |
和甲醛-硫酸试剂作用显色[3] (Le Rosen 试验) |
---|---|---|---|---|
苯 | 橙色至红色 (苯及同系物) |
黄色 | 红色 | |
甲苯 | 黄橙色(硝基苯溶剂)[2] | 红色 | ||
乙苯 | 红褐色 | |||
正丁苯 | 红色[4] | |||
均三甲苯 | 黄褐色 | |||
六甲基苯 | 暗红色(硝基苯溶剂)[2] | |||
六乙基苯 | 黄色 | |||
1,3,5-三苯基苯 | 蓝色 | |||
苯甲醚 | 红紫色 | |||
苯甲醛 | 红色 黄棕色(浓硫酸中) | |||
二苯基乙烯 | 棕色 | |||
芳基卤化物 | 橙色至红色 | 粉红色至紫红色[4] | ||
没食子酸 | 黄绿色 | |||
苯酚 | 红紫色 | |||
对苯二酚 | 黑色 | |||
萘 | 蓝色或紫色 (萘及衍生物) |
绿色 | ||
联苯 | 紫色 | 蓝绿色 | ||
联苄 | 暗红色 | |||
三联苯 | 蓝色或绿蓝色[4] | |||
二苯甲烷 | 红色 | |||
菲 | 紫色 | |||
蒽 | 绿色[5] | 绿色沉淀 | 黄绿色 | |
芴 | 绿色 | |||
咔唑 | 绿色 |
反应机理:
多环芳香烃(PAHs)是由芳香环結合而成且不含有杂原子和取代基的芳香烴。[6]萘是最簡單的多環芳香烴之一。多環芳香烴存在於油、煤炭和焦油中,是燃料(無論是化石燃料還是生物質)燃燒的副產品。多環芳香烴作為污染物,它們受到關切,因為一些化合物被確認會致癌、導致變異或引起發展缺陷。多環芳香烴也出現於食物中。根據研究,高溫烹飪的肉(如燒烤)和熏魚中含有大量多環芳香烴。[7][8][9]