還記得這些風靡一時的表情包嗎---發生在“苯寶寶”上的化學反應

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這些表情包看起來挺萌的,如果沒有深入學化學這們學科還真體會不到其中的“真意”。苯環是個十分特殊的結構,所以在苯環上也能發生很多反應,其中大部分發生在苯環上的是芳香親電取代反應。

硝化反應

定義:有機物的氫被硝基取代稱為硝化反應。

苯在濃硫酸和濃硝酸的作用下,能發生硝化反應,苯環上的氫被取代。

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苯環上的硝化

反應機理:

(i)濃硝酸在濃硫酸的作用下質子化,然後脫水形成硝基正離子。

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第一步機理

(ii)上一步產生的硝基正離子作為親電試劑進攻苯環形成碳正離子中間體。被進攻的碳原子由SP2雜化變成SP3與親核試劑形成σ鍵,由於苯環是一個大的共軛體系,碳正離子的正電荷就被均勻的分到六個碳原子上,形成一個離域體系,使中間體的更穩定。連接親核試劑的碳上的氫失去,形成雙鍵,恢復苯環結構。

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第二步速率比較快

硝基苯的衍生物一般都是易制爆有機物,所以存放時要放在棕色瓶存放於陰涼乾燥處。換色炸藥---TNT就是通過甲基苯的硝化製備的。甲基苯比苯更活潑,當硝基量足夠時,就可以在甲基的鄰對位上3個硝基,合成黃色炸藥。

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TNT的製備


鹵化反應

定義:有機物分子的氫被滷原子取代稱為鹵化反應。苯在路易斯酸的催化下(如三氯化鐵、三氯化鋁等)與鹵素單質發生反應,苯環上的氫被滷原子取代,發生鹵化反應。


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由於鐵能與氯氣或溴反應生成氯化鐵或溴化鐵,所以也可以直接用鐵作催化劑。

磺化反應

有機化合物分子中的氫被磺酸基取代的反應稱為磺化反應。苯及其衍生物幾乎都能發生磺化反應,生成苯磺酸。

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磺酸基是很好的佔位基團,在有機合成中,很多時候先在苯環上磺酸基佔一個位置,然後再在苯環上其他取代基,而磺酸基也是一個很好的離去基團,在酸性條件下也很好脫去。

傅-克反應

有機化合物的氫被烷基(-R)取代稱作烷基化反應;有機物分子的氫被酰基(-COR)取代稱作酰化反應。苯環上發生烷基化是傅-克烷基化反應,苯環上的酰基化是傅-克酰基化。

(1)傅-克烷基化

苯和鹵代烴在路易斯酸的催化下反應,生成烷基苯。

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此反應機理和前面硝化反應相似。鹵代烴與路易斯作用形成碳正離子作為親電試劑進攻苯環,形成碳正離子,然後失去一個質子形成烷基苯。

傅-克烷基化的中間體是碳正離子,容易發生氫或烷基的遷移,使碳正離子更穩定,所以傅-克烷基化的產物需要考慮遷移的情況,如下。

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路易斯酸催化活性的強弱迅速如下:


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(2)傅-克酰基化

傅-克酰基化和烷基化反應機理相似,也是在路易斯的催化下,酰氯形成酰基正離子,然後和苯環發生親電取代。

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由於氯化鋁容易和羰基絡合,所以酰基化需要的氯化鋁比烷基化多很多。通過酰基化後生成的酰基苯,也可以通過Clemmensen還原生成烷基苯。

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克萊門森還原


當製備烷基苯是首選傅-克烷基化,可是上面說明了其中間體容易發生遷移,所以很難製備直鏈烷基苯。而酰基化時中間體酰基正離子就不會發生遷移,這時就需要先發生酰基化,在利用Clemmensen還原形成直鏈烷基苯。

苯的來源

煤和石油時製備簡單苯的原料,如苯、甲苯等,而這些簡單苯又可以通過硝化反應、磺化反應、傅-克烷基化、傅-克酰基化等合成其他苯的衍生物。當煤在無氧條件下加熱至1000℃,煤分子通過熱分餾產生煤焦油,從煤焦油中可以產生苯、甲苯、萘和其他芳香化合物。

總結

雖然上面寫了很多關於苯的反應,這些都是用於科研實驗中的。生活中,苯是一種有害的氣體,它具有一定的揮發性,在廢水排放中,含苯系化合物對人體傷害極大的。長期接觸苯及苯的衍生物,會使人患貧血甚至白血病。當然也不用擔心,現在我國對環境十分重視,所以環境中的苯不足以危害我們的健康。在實驗室工作接觸苯的科研人員在使用苯時要注意防護措施。

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