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芳香烴

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芳香烴（ㄊㄧㄥ）（英語：aromatic hydrocarbons）簡稱芳烴，為苯及其只含碳與氫的衍生物的總稱，乃指分子結構中含有一個或者多個苯環的烴類化合物。其中最簡單和最重要的芳香烴是苯及其同系物甲苯、二甲苯、乙苯等。名稱來源由於有機化學發展初期，這一類化合物幾乎都在揮發性、有香味的物質中發現，例如：從安息香膠中取得安息香酸，自苦杏仁油取得苯甲醛等。但後來許多性質應屬芳香族的化合物，卻沒有擁有香味，因此現今芳香烴，意指的只是這些含有苯環的化合物。

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。

而芳烴可分為：

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。

苯環模型

主條目：苯
苯共振式

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°。

性質

主條目：芳香性

芳香烴具有下列性質，一般稱之為芳香性（aromaticity）：

  1. 具有特別的穩定性，通常每個雙鍵氫化熱為28~30仟卡，預估環己三烯的氫化熱為85.8仟卡，但實際上該化合物（即苯）的氫化熱只有49.8仟卡，低了預估值36仟卡，這個值稱為苯的共振能（resonance energy），穩定了整個化合物。
  2. 苯的核磁共振光譜（NMR）出現在7.3ppm，比一般烯類的氫原子還要處於低磁場（down field），這是因為苯的電子環可產生誘導磁場(induced magnetic field)，使的質子所需的感應磁場較弱，這種往低磁場方向移動的特性可用來檢驗一化合物是否具有芳香性。
  3. 由苯的分子式C6H6，看起來應屬於不飽和烴，但比較它與環己烯的性質後就會發現截然不同，苯中看似擁有雙鍵，應具有不飽和烴活性大的性質，但由於π電子的共振結合，卻異常安定，故反應性通常比烯類還小。下表比較苯與環己烯的性質：
試劑 環己烯 苯
KMnO4

（冷、稀溶液）

迅速氧化 無反應
Br2/CCl4

（黑暗中）

迅速加成 無反應
HI 迅速加成 無反應
H2+Ni 迅速氫化

(25度C，20 lb/in2)

緩慢氫化

(100~200度C，1500 lb/in2)

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。

芳香烴反應

取代反應

這是芳香烴的有機反應中最常見的反應，可分為親電芳香取代反應和親核芳香取代反應，通常是其中的氫原子被其他物質所取代。

親電芳香取代反應

親電芳香取代反應
主條目：親電芳香取代反應

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-錯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-錯合物，再用鹼抓住並脫去質子，完成取代反應。

親核取代反應

主條目：親核芳香取代反應

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錯合物而稱之為Meisenheimer錯合物。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。

顯色反應

芳烴和一些試劑作用，可以產生特徵顏色，用於鑑別不同種類的芳烴：

名稱 結構式 在無水三氯化鋁的存在下
與氯仿反應顯色[1]		 在四氯化碳溶液中
和五氯化銻反應顯色[2]		 和甲醛-硫酸試劑作用顯色[3]
（Le Rosen 試驗）
苯 橙色至紅色
（苯及同系物）		 黃色 紅色
甲苯 黃橙色（硝基苯溶劑）[2] 紅色
乙苯 紅褐色
正丁苯 紅色[4]
均三甲苯 黃褐色
六甲基苯 暗紅色（硝基苯溶劑）[2]
六乙基苯 黃色
1,3,5-三苯基苯 藍色
苯甲醚 紅紫色
苯甲醛 紅色
黃棕色（濃硫酸中）
二苯基乙烯 棕色
芳基鹵化物 橙色至紅色 粉紅色至紫紅色[4]
沒食子酸 黃綠色
苯酚 紅紫色
對苯二酚 黑色
萘 藍色或紫色
（萘及衍生物）		 綠色
聯苯 紫色 藍綠色
聯苄 暗紅色
三聯苯 藍色或綠藍色[4]
二苯甲烷 紅色
菲 紫色
蒽 綠色[5] 綠色沉澱 黃綠色
芴 綠色
咔唑 綠色

反應機理：

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

多環芳香烴

六苯駢蒄是一種大型多環芳香烴。
主條目：多環芳香烴

多環芳香烴（PAHs）是由芳香環結合而成且不含有雜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]

它們也存在於星際物質、彗星和隕石中，可能是形成最早生命形式的主要物質（英語：PAH world hypothesis）。在石墨烯中，多環芳香烴被擴大成大型平面結構。

苯及其衍生物

參考文獻

  1. ^ John C. Gilbert., Stephen F. Martin. Experimental Organic Chemistry: A Miniscale and Microscale Approach[永久失效連結]. 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. 介紹一個鑑別烷烴與芳烴的簡易方法. 化學教學 , 1991 (1) :48-48
  5. ^ http://www.chem.umass.edu/people/mcdaniel/CHEM-268/Experiments/Qualitative-Organic-Analysis.pdf （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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]. （原始內容存檔 (PDF)於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]. （原始內容存檔於2021-02-08）. 
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