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芳香烃

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芳香烃（tīng）（英语：aromatic hydrocarbons）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

主条目：苯
苯共振式

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°。

性质

主条目：芳香性

芳香烃具有下列性质，一般称之为芳香性（aromaticity）：

  1. 具有特别的稳定性，通常每个双键氢化热为28~30仟卡，预估环己三烯的氢化热为85.8仟卡，但实际上该化合物（即苯）的氢化热只有49.8仟卡，低了预估值36仟卡，这个值称为苯的共振能（resonance energy），稳定了整个化合物。
  2. 苯的核磁共振光谱（NMR）出现在7.3ppm，比一般烯类的氢原子还要处于低磁场（down field），这是因为苯的电子环可产生诱导磁场(induced magnetic field)，使的质子所需的感应磁场较弱，这种往低磁场方向移动的特性可用来检验一化合物是否具有芳香性。
  3. 由苯的分子式C6H6，看起来应属于不饱和烃，但比较它与环己烯的性质后就会发现截然不同，苯中看似拥有双键，应具有不饱和烃活性大的性质，但由于π电子的共振结合，却异常安定，故反应性通常比烯类还小。下表比较苯与环己烯的性质：
试剂 环己烯 苯
KMnO4

（冷、稀溶液）

迅速氧化 无反应
Br2/CCl4

（黑暗中）

迅速加成 无反应
HI 迅速加成 无反应
H2+Ni 迅速氢化

(25度C，20 lb/in2)

缓慢氢化

(100~200度C，1500 lb/in2)

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
主条目：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

主条目：亲核芳香取代反应

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：

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：

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

六苯并蒄是一种大型多环芳香烃。
主条目：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。[6]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。[7][8][9]

它们也存在于星际物质、彗星和陨石中，可能是形成最早生命形式的主要物质（英语：PAH world hypothesis）。在石墨烯中，多环芳香烃被扩大成大型平面结构。

苯及其衍生物

参考文献

  1. ^ John C. Gilbert., Stephen F. Martin. Experimental Organic Chemistry: A Miniscale and Microscale Approach[永久失效链接]. Brooks/Cole CENGAGE Learning, 2011. pp 872. 25.10 Aromatic Hydrocarbons and Aryl Halides - Classification test - Chloroform and Aluminum Chloride. ISBN 978-1-4390-4914-3
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 V. Gold. Advances in Physical Organic Chemistry. Vol 13. Academic Press, 1976. pp 164. ISBN 0-12-033513-1
  3. ^ Fritz Feigl. Spot Tests in Organic Analysis, Elsevier, 1966. ISBN 0-444-40209-8
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 姚瑾. 介绍一个鉴别烷烃与芳烃的简易方法. 化学教学 , 1991 (1) :48-48
  5. ^ http://www.chem.umass.edu/people/mcdaniel/CHEM-268/Experiments/Qualitative-Organic-Analysis.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆） pp 778
  6. ^ Fetzer, J. C. The Chemistry and Analysis of the Large Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Polycyclic Aromatic Compounds (New York: Wiley). 2000, 27 (2): 143. ISBN 0-471-36354-5. doi:10.1080/10406630701268255. 
  7. ^ Polycyclic Aromatic Hydrocarbons – Occurrence in foods, dietary exposure and health effects (PDF). European Commission, Scientific Committee on Food. December 4, 2002 [2021-12-24]. （原始内容存档 (PDF)于2011-05-19）. 
  8. ^ Larsson, B. K.; Sahlberg, GP; Eriksson, AT; Busk, LA. Polycyclic aromatic hydrocarbons in grilled food. J. Agric. Food Chem. 1983, 31 (4): 867–873. PMID 6352775. doi:10.1021/jf00118a049. 
  9. ^ Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs). Agency for Toxic Substances and Disease Registry. 1996 [2021-12-24]. （原始内容存档于2021-02-08）. 
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