有機化學、8.芳香族

 8.芳香族 Aromatic

芳香族：特性類似苯，主要親電取代反應，疏水，熔點高(平面對稱)

苯環：平面，6組sp2混成分子p軌域，電子密度均勻分布的環形 π鍵，共振穩定強，
            喜SN親電取代反應，幾乎不加成        

             (兩個p軌域形成一個π鍵，雙鍵和三鍵的原子通常有一個σ鍵，餘下的則是π鍵)

   *4C 環丁二烯，產生兩個未鍵結軌域，不穩定；8C環辛四烯平面不穩定，喜好盆型結構

芳香性判斷 

前提：環狀、連續共軛p軌域 C=C-C=C...、平面結構       

組成π鍵的電子總數為 4n+2      = 芳香性      Ar    Aromatic
組成π鍵的電子總數為 4n          = 反芳香性  Anti Ar   親電取代特慢
組成π鍵的電子總數非上述 / 非平面，沒連續共軛  = 非芳香性 non Ar

簡易判斷：插雙鍵到極限的？C環，有 + 少1；有  -  多1     7C環+ : Ar ；5C環 - : Ar

            C=N   C=C算兩個  ；-O-  O 算兩個 ；  -NH-  N同樣算兩個 ；-BH- 等同C+H 少一

芳香雜環：在sp2混成軌域 C-N=C 上的酸鹼表現較強 (電子不參與 π 共振) 

*如果解離後成為芳香性高穩定的陰/陽離子，離子的酸/鹼性會特別強，反應速率也更快

*產生明顯+ -  電荷分離共振式的鏈結雙環會有較大的偶極矩

親核: Nu-，   R3P >RS- /HS- >I- >CN- >RO- >HO- >Br- >NH3- >AcO- >Cl- >F- >H2O
親電：陽離子(如NO2+)、極性分子、自由基、路易士酸、大多帶正電/不具八隅體電子

芳香族親電取代：苯可視為親核劑，只提供π電子給活性高親電劑，插上取代

需活性高親電劑(Lewis酸)：HNO3、H2SO4(磺化可當保護基) 、[  X2、RX... ] / H+

*C=O拉電子     **去活化O.P位置，使插上M位    

           

     *EDG  如 -NHR推電子活化O.P位 、好親電        *鹵素則是去活化M位，使插上O.P位

          **如果同時有EDG和鹵素，牴觸位置，以EDG推電子強活化的O.P位優先

        強活化：O- 、NH2、NHR、NR2、OH、OR      (推    o p      

        中活化：O=NC-R、-NHCOR                      * N環有 =O 可能轉成  強活化 O-

        弱活化：R、benz、C=CH2、CH3       

        弱去活化：鹵素                            ~o p                          

        中去活化：O=C-H、O=C-OR、O=C-R、C≡N、SO3H、COOH    (拉    m 去

        強去活化：CF3、CCl3、NO2                 NO2  C≡N 拉 其他N推

        *多環則在優先在活化環的o p 位置     (通常離=O近的是去活化

                                

取代基酸性次序表(考慮氫鍵)  ex：Ar-COOH皆不同取代基酸性

   NO2(強拉)：O > P > m > 不接    O近，誘導強

   OH(強推)：O > m > 不接 > P      O產生氫鍵穩定更酸，m位沒共振推反而誘導拉，P推
   NH2(強推鹼性)：不接 > m  >P >O       O 產生氫鍵但鹼性抵銷，m位沒共振推反而誘導拉

  CH3(弱推立障)：O >不接 > m >  P        O立障，m少共振推

硝化親電反應：放熱，苯與硝酸在濃硫酸催化下可生成硝基苯

       硝酸先與濃硫酸產生強親電NO2+，與鹼HSO4-
       苯供 π電子，接上NO2破壞自身芳香，鹼HSO4-消去H，恢復芳香

硝基苯可催化氫化  H2 / Ni；Fe、Zn、Sn / HCl，轉為胺基苯Ar-NH2

Ar-NH2    →   NaNO2 / 2HCl  →  Ar- N≡N+   (重氮鹽 強LVG)，大量Nu-可取代

磺化親電反應：Ar-H  →   SO3 / fuming H2SO4 →  Ar-SO3H   可逆

        SO3 / 濃 H2SO4互相酸鹼反應，得到強親電 HSO3-，與鹼HSO4-
        苯供 π電子，接上HSO3-破壞自身芳香，鹼HSO4-消去H，恢復芳香

       *加熱可逆，放進dliute稀硫酸液內加熱還原，硫酸加水放熱有利反應

磺酸保護基：先磺化 HSO3卡住高立障丁基對面180 para 對位，
                     之後的NO2只能插到60 ortho鄰位，再逆磺化拔HSO3插H，得鄰位取代

苯鹵化反應：Ar-H  →   Br2；Cl2 / Lewis Acid (AlX3；FeX3) →  Ar- X

                     *必要Lewis Acid，拔走X2的電子成為鹼，之後再拔走X旁邊的H消去

                    *其他組合  I2 / 強氧化劑(HNO3)   ； F2 / 重氮鹽；F-TDA-BF4

             *NBS (N-溴代丁二醯亞胺  五環插兩個=O和Br) 可當Br加成o位，苯環溴化反應

                          酸(THF)催化時加成苯上官能烯做出β-鹵代醇 (拆烯 多取代OH 末端Br)

                            或 DMSO (C2H6OS)    (拆烯 多取代優先OH 末端Br)

Friedel-Crafts  F-C烷基化反應(傅-克)：強路易斯酸催化鹵化物，烷基化芳香環，烷陽離子重排

酸拔走鹵化物的鹵素，產生陽離子；強路易斯酸變成鹼 YX4-   *芳香環不可有鹼性官能基NH2/NO

碳陽離子攻擊取代環上的氫，鹼 YX4-拔走H ~ HX，最後產生Ar-R和HX(離開)

*中間物烷陽離子重排，傾向穩定多取代三級碳，   C=C也可能打開 *不拆芳香環鹵素官能基

   **Ar連的中/強去活化基、或中間物鹵烷陽離子是SP2 C=C-X / 有橋頭碳則不反應
      會酸反應的鹼性取代基Ar- NH2也不行，除非接上醯基保護基  R-C=O 降低鹼

          強去活化基：N=O+、NR3+、CX3、    
         中去活化基：RC=O、HOC=O、H2NC=O、SO3H、C≡N

*烯類也可以用路易斯酸拔走一根雙鍵，產生烷陽離子，注意 C-F 拆不掉

*烷基屬於推電子基，鹵烷過多會產生多取代產物，過量苯才可得單取代

*也有分子內 F-C反應，有去活化基也能得到產物，多環很容易還原C=C合環

F-C醯基化反應：強路易斯酸催化 醯氯與苯環，接上R-C=O得到Ar-酮

       接上的C=O可以還原，拆成烷基 (斷鍵插滿H      *HO-CO沒法拆，SOCl2先把OH換成Cl
        1、N2H4 / 鹼性    ；    2、Zn / 濃HCl     ；    3、H2 / Pb (限定拆benz -C=O

蓋特曼反應：先插上再氧化製作醛  R-C=O      ；或高壓CO和HCl做出中間物 H-C=O+

苯親電取代SEAr反應速率：苯環SEAr提供 π電子親電，

環上有推電子基EDG則親電快=活化基，       負電荷    偶極向環

環上有拉電子基EWG則親電慢=去活化基，   正電荷    偶極拉走環電子

ortho  meta para 酸性判斷：   o 60  m 120 p180

Benz-COOH，有推電子基酸性降低；拉電子基酸性增加

            酸性:接Br>Cl > F >H  但如果是醋酸反而F>Cl>H (F陰離子更穩

  氫鍵:酸插NO2: o  > p > m >不插 ；OH-插NO2: p > o > m >不插  (分子內氫鍵降酸性)

  誘導推:酸插NH2:  不插 > m > p > o ；  拉電子:酸插同種鹵素: o > m > p >不插

  酸插CH3: o (立障使酸不同平面解離) > 不插 > m > p

插新取代基位向：推電子與鹵素:使產物新插入鄰o對p位， 拉電子基:使產物新插入m間位

推電子： o p位置共振陽離子產物為三級(共振在推電子基上)，較穩定

弱拉電子(鹵素)：o p位置共振陽離子產物為三級(共振在新取代基上)，較穩定

拉電子：o p位置共振陽離子產物的正電在已是正電的拉電子基上(雙 +)，m位相對穩定

*注意無法進行F-C烷基化的強活化基   ;  NO2、SO3H、NH2

*阿斯匹靈:COOH-[Ar]-COOCH3   (ortho)

多環芳香化合物

兩個芳環:萘：離中間四取代鍵較近的為 α 位；  遠者為 β 位        所有反應只高溫才β 位

              鹵素優先動力產物，插 α 位

              硝化SEAr反應NO2優先動力產物，插較活化環的 α 位         笑欸  傻(S)B

              磺化反應(加熱可逆)，低溫SO3H動力產物，插 α 位，高溫最終熱力產物， β 位

              

雙環萘插新取代基位向：有活化基的活化環優先、一般 α ,磺化 β 、o/p和m定位基最終位

活化基：選活化環上 α 位(更優先ortho位)；有加熱則熱力產物，旁環對向 β 位

去活化基：選旁環 α 位                 *考慮立障 優先對向對稱位

三環蒽---菲ㄇ：親電取代優先離對稱線近立障小的 9、10 位置，共振可以保留2個benz結構
                           接兩個Br，加熱後會脫去一個H- ，H攻擊，脫去 Br-，形成C=C~benz

五元芳香雜環：吡咯類  N / O / S 取代一個C，取代時優先 α 位  (離取代N/O/S近的碳)

         進行D-A周環反應會架橋，產物 Z/E異構    親電取代速度/穩定:N >O >S >benz

       不用催化也能進行F-C親電取代   (但鹼性反應較差)   遇事不決 α 位 

六元芳香雜環：反應速率小於苯，

                      接N與親電劑的取代選m位 (60)，共振三次最穩

                     接N-O取代選p位 (180)，沒有斥力   *可以PPh3加熱移除O

鹵芳環親核取代反應SNAr：鹵芳環只有在 o / p 位置有拉電子基才可親核取代 (無中間物

     *SNAr不是 "SN1/2=先加成再消去"，如果在m位或沒拉電子基則不SNAr(要中間物或X

   *SNAr反應速度: 插F > Cl > Br > I ；o / p 位置拉電子基越多越快 (m位不影響

    反應速率與LVG好壞無關 與拉電子強度有關(降電子密度更好拆

   *相似: 高溫高壓NaNH2/NH3 形成中間物苯炔C≡C  直接取代 / 拆C≡C其中一邊，兩種產物

重氮鹽取代制備：Ar-NH2   →  NaNO2/ HCl  (低溫) →  Ar-N≡N+ (好LVG)

               重氮苯能直接以鹵素/CN / OH 取代N≡N+，甚至自身偶聯

碳碳偶聯：苯上的sp2C-X 可以由有機銅鋰R-CuLi ； R-B/ Pd；R-Sn / Pd 取代接上R

        催化劑Pd先打斷C-X氧化加成，得Ar-Pd-X，親核的R取代X，還原消去Pd，得Ar-R

        *Heck反應：Pd / Et3N 將烯類的C-H與C-X轉成C-C接上，H-X離開，變成trans向

芳香族氧化還原：苯一般不被還原，只會把苯上接的雙鍵C=O還原插上H 

                          Ar-C=O → (AlCl3；HCl)  →  Ar- CH2

      *側長鍊/鍵 benz-C-R 可直接被 高溫KMnO4 過錳酸鉀氧化成  HO-C=O (  benz-COOH  )

       *側長鍊/鍵 benz-C-R 可直接被 H2Cr2O4 氧化成 C=O           

                    只有NO2、鹵素、SO3H、COOH、C(Me)3 不會被氧化  (沒benz C-H鍵)

          *但 benz-NO2可被 Pt   Fe   H3O- 還原成  benz-NH2

例外-Birch還原：以Na或Li在液氨/醇中還原芳香環~ 1-4環己二烯   Na / NH3  R-OH

                                    *推電子基旁雙鍵不還原，拉電子基旁雙鍵優先還原    推近拉遠

                                    *產物可以再親核取代，插上其他基團

7.炔類 ↼    8.芳香族  ⇀  9.醇、醚、酚