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芳香烃

芳香烃,通常指分子中含有苯环结构的碳氢化合物。是闭链类的一种。具有苯环基本结构,历史上早期发现的这类化合物多有芳香味道,所以称这些烃类物质为芳香烃,后来发现的不具有芳香味道的烃类也都统一沿用这种叫法。例如苯、二甲苯、萘等。苯的同系物的通式是CnH2n-6 (n≥6)。芳香烃的π 电子数为4n+2 (n为整数)。

芳香烃简称芳烃(aromatic hydrocarbons/arene),为苯及其衍生物的总称,是指分子结构中含有一个或者多个苯环的烃类化合物。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。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。 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。

主要来源于煤、焦油和石油。芳香烃不溶于水,溶于有机溶剂。芳香烃一般比水轻;沸点随分子量的增加而升高。芳香烃易起取代反应,在一定条件下也能起加成反应。如苯跟氯气在铁催化剂条件下生成氯苯和氯化氢,在光照下则发生加成反应生成六氯化苯(CHCl)。芳香烃主要用于制药、染料等工业。

芳香族化合物在历史上指的是一类从植物胶里取得的具有芳香气味的物质,但目前已知的芳香族化合物中,大多数是没有香味的.因此,芳香这个词已经失去了原有的意义,只是由于习惯而沿用至今.

分子中含有一个或多个苯环的烃类,叫芳香烃;简称芳烃。根据它们的结构,可分为三类:

1、单环芳烃分子中只含一个苯环的芳烃。如苯、甲苯、二甲苯等。

2、稠环芳烃两个或两个以上的苯环分别共用两个相邻的碳原子而成的芳烃。如萘、蒽、菲等。

3、多环芳烃。

芳香烃主要来源于煤焦油和石油。芳香烃不溶于水,溶于有机溶剂。芳香烃一般比水轻;沸点随分子量的增加而升高。芳香烃易起取代反应,在一定条件下也能起加成反应。如苯跟氯气在铁催化剂条件下生成氯苯和氯化氢,在光照下则发生加成反应生成六氯化苯(CHCl)。芳香烃主要用于制药、染料等工业。

(1)苯的结构

近代物理方法证明:苯分子的六个碳原子和六个氢原子都在一个平面内,因此它是一个平面分子,六个碳原子组成一个正六边形,碳碳键长是均等的,约为140pm,介于单键和双键之间。碳氢键键长为108pm,所有的键角都为120°。

(2)苯的芳香性

从结构上看,苯具有平面的环状结构,键长完全平均化,碳氢比为1。从性质上看,苯具有特殊的稳定性:环己烯的氢化热ΔH=-120KJ/mol,1,3-环己二烯的氢化热ΔH=-232KJ/mol(由于其共轭双键增加了其稳定性)。而苯的氢化热ΔH=-208KJ/mol。1,3-环己二烯失去两个氢变成苯时,不但不吸热,反而放出少量的热量。这说明:苯比相应的环己三烯类要稳定得多,从1,3-环己二烯变成苯时,分子结构已发生了根本的变化,并导致了一个稳定体系的形成。

苯难于氧化和加成,而易于发生亲电取代反应,与普通烯烃的性质有明显的区别。

苯还具有特殊的光谱特征。苯环上的氢处于核磁共振的低场。

上述特点说明了苯具有典型的芳香特征。

(3)苯的表达

怎样来表达苯的结构?自1825年英国物理学家和化学家Farady M(法拉第)首先从照明气中分离出苯后,人们一直在探索苯结构的表达式。科学家们提出了各种有关苯结构式的假设;其中比较有代表性的苯的结构式有。

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,产生介于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○。

物理性质

芳香烃不溶于水,但溶于有机溶剂,如乙醚、四氯化碳石油醚等非极性溶剂。一般芳香烃均比水轻;沸点随相对分子质量升高而升高;熔点除与相对分子质量有关外,还与其结构有关,通常对位异构体由于分子对称,熔点较高。

芳香烃的加成反应

1.苯的加成反应

苯具有特殊的稳定性,一般不易发生加成反应。但在特殊情况下,芳烃也能发生加成反应,而且总是三个双键同时发生反应,形成一个环己烷体系。如苯和氯在阳光下反应,生成六氯代环己烷。

只在个别情况下,一个双键或两个双键可以单独发生反应。

2.萘、蒽和菲的加成反应

萘比苯容易发生加成反应,例如:在不受光的作用下,萘和一分子氯气加成得1,4二氯化萘,后者可继续加氯气得1,2,3,4-四氯化萘,反应在这一步即停止,因为四氯化后的分子剩下一个完整的苯环,须在催化剂作用下才能进一步和氯气反应。1,4-二氯化萘和1,2,3,4-四氯化萘加热可以失去氯化氢而分别得1-氯代萘和1,4-二氯代萘。

由于稠环化合物的环十分活泼,因此一般不发生侧链的卤化。

蒽和菲的9、10位化学活性较高,与卤素的加成反应优先在9、10位发生。

芳香烃的还原反应

1.Birch还原反应

碱金属(钠、钾或锂)在液氨与醇(乙醇、异丙醇或二级丁醇)的混合液中,与芳香化合物反应,苯环可被还原成1,4-环己二烯类化合物,这种反应叫做Birch(伯奇)还原。例如,苯可被还原成1,4-环己二烯。

Birch还原反应与苯环的催化氢化不同,它可使芳环部分还原生成环己二烯类化合物,因此Birch还原有它的独到之处,在合成上十分有用。

萘同样可以进行Birch还原。发生Birch还原时,可以得到1,4二氢化萘和1,4,5,8-四氢化萘。

2.催化氢化反应

苯在催化氢化( catalytic hydrogenation)反应中一步生成环己烷体系。萘在发生催化加氢反应时,使用不同的催化剂和不同的反应条件,可分别得到不同的加氢产物。蒽和菲的9、10位化学活性较高,与氢气加成反应优先在9、10位发生。

3.用金属还原

醇和钠也可以还原萘,温度稍低时得1,4-二氢化萘,温度高时得1,2,3,4-四氢化萘。

芳香烃的氧化反应

1.苯及其衍生物的氧化

烯、炔在室温下可迅速地被高锰酸钾氧化( oxidation),但苯即使在高温下与高锰酸钾、铬酸等强氧化剂同煮,也不会被氧化。只有在五氧化二钒的催化作用下,苯才能在高温被氧化成顺丁烯二酸酐

烷基取代的苯易被氧化,但一般情况下,氧化时苯环仍保持不变,只是和苯环相连的烷基被氧化成羧基。

而且,不管侧链多长,只要和苯环相连的碳上有氢,氧化的最终结果都足侧链变成只有一个碳的羧基,如果苯环上有两个不等长的侧链,通常是长的侧链先被氧化。

只有苯环和一个三级碳原子相连或与一个极稳定的侧链相连时,在强烈的氧化条件下,侧链才得以保持,苯环被氧化成羧基。

2.萘、蒽和菲的氧化反应

萘比苯易氧化,在室温用三氧化铬的醋酸溶液处理得1,4-萘醌。若在高温和五氧化二钒的催化下被空气氧化,则得重要的有机化工原料邻苯二甲酸酐

当萘环上有取代基时,活化基团常常使氧化反应在同环发生,而钝化基团使氧化反应在异环发生。

由于萘环比侧链更易氧化,所以不能应用侧链氧化法来制备萘甲酸。

蒽和菲的氧化反应首先在9、10位发生。蒽用硝酸或三氧化铬的醋酸溶液或重铬酸钾的硫酸溶液氧化生成9,10 -蒽醌,9,10-蒽醌是合成蒽醌染料的重要中间体。菲用上述氧化剂氧化生成9,10 -菲醌。

苯环上的芳香亲电取代反应

芳香族化合物芳核上的取代反应从机理上讲包括亲电、亲核以及自由基取代三种类型。所谓芳香亲电取代(aromatic electrophilic substitution)是指亲电试剂取代芳核上的氢。苯的亲电取代称为苯的一元素电取代,一元取代苯再在苯环上发生亲电取代称为苯的二元亲电取代。典型的芳香亲电取代有苯环的硝化、卤化、磺化、烷基化和酰基化。这些反应的反应机理大体是相似的。

硝化反应

有机化合物分子中的氢被硝基(NO)取代的反应称为硝化反应。苯在浓硝酸和浓硫酸的混合酸作用下,能发生硝化反应,反应的结果是苯环上的氢被硝基取代。

芳香族化合物的硝化反应是一个十分有用的取代反应。例如:苯甲醛的硝化产物间硝基苯甲醛是生产强心急救药阿拉明的重要原料。

因为基易氧化,因此反应必须在低温(0℃)进行,操作时,先在浓硫酸中加入少量发烟硝酸,冷却至0℃,然后慢慢滴加苯甲醛和发烟硝酸,反应完成后,立即将产物倾倒在冰中。许多硝基化合物是炸药。广泛使用的强烈炸药TNT是2,4,6-三硝基甲苯,它是甲苯经分阶段硝化制备的,即三个硝基是在多次硝化反应中逐步引入的。

根据结构的不同可分为三类:①单环芳香烃即苯的同系物;②稠环芳香烃,如萘、蒽、菲等;③多环芳香烃,如联苯、三苯甲烷。主要来源于石油和煤焦油。芳香烃在有机化学工业里是最基本的原料。现代用的药物、炸药、染料,绝大多数是由芳香烃合成的。燃料、塑料、橡胶及糖精也用芳香烃为原料。

国内情况

荣盛石化增资9.6亿投建芳烃项目

荣盛石化拟以自有资金9.6亿元,增资全资子公司宁波中金石化有限公司,用于投资建设芳烃项目。

增资后,宁波中金石化注册资本由3980万元增至10亿元。荣盛石化表示,此次增资有利于确保投资项目顺利实施,也有利于公司向产业链上游拓展,发挥产业链优势。

此外,荣盛石化同意控股子公司逸盛大化,将坐落于大连经济技术开发区董家沟居住区的城镇住宅用地使用权,转让给关联公司大连海滨置业有限公司,转让总价1.07亿元。

国外情况

印度OMPL将在2013年5月底启动芳烃项目

度石油天然气公司芒格洛尔石化有限公司(OMPL)将在2013年5月底启动新芳烃项目的商业化生产。该项目包括位于新芒格洛尔的92万吨/年对二甲苯(PX)装置和27万吨/年纯苯装置。

OMPL首席执行官SRamachandran参加在孟买举办的2012印度石化大会时表示:“该项目装置已完成87.67%。新装置长期出口PX和纯苯的销售招标反响不错。”

蔻( coronene)在自然界中不存在,现在可用多种方法合成。其中一个方法是利用傅一克反应及硒脱氢反应而实现的。用2,7二甲萘通过N一溴代丁二酰亚胺进行苯甲型的溴化,两个甲基的氢各被一个溴取代,然后用Wurtz反应将两分子缩合,即得到一个十四元的环状化合物。在三氯化铝的作用下即行关环。这步反应的过程和芳香烃被烯烃烷基化类似。最后用硒脱氢即得到蔻。

苯是一种应用广泛的有机溶剂,是黏合剂、油性涂料、油墨等的溶剂。短时间内吸入大量苯蒸气可引起急性中毒。急性苯中毒主要表现为中枢神经系统麻醉,甚至导致呼吸心跳停止。长期反复接触低浓度的苯可引起慢性中毒,主要是对神经系统、造血系统的损害,表现为头痛、头晕、失眠,白血球持续减少、血小板减少而出现出血倾向,甚至诱发白血病。我国规定操作车间内空气中苯的浓度不得超过40mg/m^3,居室内空气中苯含量平均每小时不得超过0.09mgm.制鞋、皮革加工业、箱包、家具制造中使用的黏胶剂,喷漆、油漆工作中使用的溶剂都含有苯或苯的同系物,因此从事上述职业的人群要加强防范,避免苯中毒。

人若长期接触或吸入稠环芳烃如萘(俗称卫生球,过去用来驱蚊防霉)等则会致癌。许多稠环芳烃是强烈的致癌物质,如苯并芘等。秸秆、树叶等物质不完全燃烧形成的烟雾中含有较多的稠环芳烃,我国有些省市已经禁止焚烧树叶和秸秆。香烟的烟雾中也存在多种稠环芳烃,提醒青少年应珍视生命,远离香烟烟雾的危害。

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