有機化學

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歐亞書局

有機化學第五章

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歐亞書局第 5 章芳香族化合物

第 5 章芳香族化合物

5.1 苯的結構

5.2 芳香族化合物的命名

5.3 親電子性芳香族取代反應：溴化反應

5.4 其他的芳香族親電子性取代反應

5.5 夫理得－夸夫特烷化與醯化反應

5.6 芳香族親電子性取代反應的取代基效應

5.7 取代基效應的說明

5.8 芳香族化合物的氧化與還原反應

5.9 其他的芳香族化合物

5.10有機合成

特論阿斯匹靈、NSAIDs 和 COX-2 抑制劑

p.147

在有機化學發展的早期，aromatic 這個字是用來描述 有芳香味道的化學物質，如苯（從煤炭的蒸餾物提 煉）、苯甲醛（從櫻桃、桃子、杏仁提煉），和甲苯

（從香油提煉）。

許多的重要化合物包括像類固醇荷爾蒙裡的雌酯酮，

以及商品名為立普妥（Lipitor），用來降低膽固醇的 用藥阿托伐他汀（Atorvastatin）等，均屬於芳香族。

5.1 苯的結構

苯（C6H6）在分子式上比一般六個碳的烷（C6H14）還 少掉八個氫，明顯地會是一個不飽和的結構，普遍的，

苯的結構是以一個六員環有著交互的單雙鍵的方式來 加以表示。

例如：環己烯會與 Br2迅速的發生反應而生成 1,2-二溴 環己烷，但是苯則只會與 Br2緩慢的進行反應而生成 取代的產物C6H5Br。

p.148

當一個反應的加成，只在兩個位向的其中之一產生 時，我們把這種現象稱之為具有位向特殊性

（regiospecific）。

p.108

典型的碳－碳單鍵鍵長約為 154 pm，而碳－碳雙鍵 鍵長約為 134pm，苯的碳－碳鍵長則都是 139 pm。

在圖 5.1a的靜電能勢圖中所見，環上的六個碳－碳 鍵的電子密度也都是相同的。

苯的結構是一個平面六角形對稱分子。結構裡所有 的C－C－C 鍵角均為 120°，每個碳原子均以 sp²-混 成軌域形成鍵結，而每個碳原子都有一個與六員環 平面垂直的剩餘 p 軌域。

以共振理論來解釋，苯的結構可以兩個共振混成式 加以闡釋，但都無法正確代表它真實的結構，它的 真實結構是介於兩者之間的中間物。

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圖 5.1 (a)苯的靜電能勢圖 (b)苯的分子軌域圖。六個碳原 子每一個都提供一個 p 軌域與相鄰的兩邊的 p 軌域均等的重疊。

π電子形成甜甜圈形狀的電子雲，由環上的原子來共享，而且 所有的 C

－

C 鍵均是等位的。

p.149

5.2 芳香族化合物的命名

芳香族物質的命名較大量使用俗名。

甲基苯（methylbenzene）依一般的俗名就稱為甲苯

（toluene）；羥基苯（hydroxybenzene）稱為酚（phenol）；

胺基苯（aminobenzene）稱為苯胺（aniline）。

單取代苯衍生物的系統化命名跟其他碳氫化合物是一致的，

就以苯（-benzene）作為基本的名稱。所以 C6H5Br 命名 為溴苯（bromobenzene）；C₆H5NO2命名為硝基苯

（nitrobenzene）；C₆H5CH2CH3命名為乙基苯

（ethylbenzene）。苯基（phenyl）是－C₆H5作為取代基 時的名稱，有時簡寫成 Ph 或 Φ。

p.149

p.150

一般的芳香族的取代稱為 aryl 官能基，簡寫為 Ar，

而 基（benzyl）即代表C6H5CH2— 取代基。

p.149

雙取代苯衍生物的命名，就必須使用前置詞：鄰

（ortho-；簡寫 o-）、間（meta-；簡寫 m-）或對

（para-；簡寫 p-）來指示取代基相互的位置。

一個鄰位-雙取代苯衍生物，代表它的兩個取代在環 上的 1,2 的位置；間位-雙取代苯衍生物，代表它的 兩個取代在環上的 1,3 的位置；對位-雙取代苯衍生 物，代表它的兩個取代在環上的1,4 的位置，如圖：

p.150

苯環上的取代若超過兩個以上，則所有取代基在命 名時，就要以組合起來最小的一組號碼，來加以表 示其相關位置，取代基的名稱再依英文字母順序，

依序加以書寫排列。

p.150

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練習題 5.1 命名芳香族化合物

下列的化合物的 IUPAC 命名？

解答 因為硝基（－NO2）及氯基分別在 1 號及 3 號位 置的碳上，相互的關係屬於間位關係，再將取代 基依字母順序排列下來，所得的 IUPAC 名稱為 間-氯硝基苯（m-chloronitrobenzene）。

p.151

5.3 親電子性芳香族取代反應：溴化反應

芳香族化合物最典型的反應，就是親電子性芳香族取 代反應（electrophilic aromatic substitution）。這類反 應的發生主要由缺乏電子的試劑（親電子基，E^＋），

與擁有較多電子的苯環（親核性基）反應取代環上的 氫而形成。

藉由幾個簡單的化合物的取代反應，我們就製造出幾 千種的芳香族化合物出來（圖 5.2）。

p.152

圖 5.2 一些親電子性芳香族取代反應。

當一個像 HCl 試劑加到烯類上時，親電子性的 H^＋ 先接到雙鍵中一個碳原子的 p 軌域上，讓另一個碳 上產生正電荷。這個 離子的中間物，再與親核性 試劑 Cl^－反應而產生了加成產物。

p.153

親電子性取代反應的進行，跟烯類加成反應有些類 似，只有在幾個地方有些差異。

第一個差異點：芳香族環上對於親電子基的反應，

跟烯類比較起來反應較差。

1.例如：Br2在 CH2Cl2溶液中，跟大部分烯類會 立即產生反應，但是跟苯反應就無法進行。

2.苯的溴化反應發生必須要有催化劑，如 FeBr3的 幫助下才能進行。這當中催化劑 FeBr3 的功能，

在於先與 Br2反應產生 FeBr4－和 Br^＋，以增 加Br2分子的親電子性。

p.153

3.這個親電子性的 Br^＋再與擁有較多電子（親核 性）的苯環反應，產生一個非芳香性的 離子 中間物。這個 離子是烯丙性的而且是具有三 個共振混成的形式。

4.苯環與親電子試劑的反應會有較高的活化能，而 反應速率就會比較緩慢。

(4)

第二個差異點：主要在於親電子基加入形成 離子 中間物後的變化。

取代在加成反應裡由 Br^－與離子中間物加成產生產 物，親電子性取代反應進行的，則是從接受溴的碳

上面脫去一個 H^＋，而產生中性的芳香族取代產 物。整個反應機構最後的結果，是發生 Br^＋將 H^＋ 取代，如圖 5.3 所示。

p.153

p.154

反應機構

圖 5.3 親電子性溴化反應的反應機構。反應以 離子 中間物，分兩個步驟進行。

如果加成反應發生，則造成苯環的共振穩定性喪失，

而這樣的結果對熱力學定律來說，這是較不受歡迎 的。

而當發生的是取代反應，芳香環的共振穩定性則可 以保留下來，這樣的反應則是較受歡迎的。兩則不 同反應所造成的能量變化的情形，如圖 5.4 所示。

p.153

歐亞書局第 5 章芳香族化合物 p.154

圖 5.4 親電子性溴化反應的反應能量圖。反應分兩個步驟 進行，並且伴隨著能量釋放。

5.4 其他的芳香族親電子性取代反應

氯化與碘化反應

芳香族環可以在催化劑 FeCl3存在下，與 Cl2起氯化反 應產生氯苯。例如：商品名為敏樂斯的抗過敏性治療藥 物羅伐它丁（loratadine）的製造。

p.155

在人體裡，最著名的例子就是發生在甲狀腺裡的甲狀腺素

（一個甲狀腺激素涉及到生長和代謝調節）的生化合成過 程。

p.155

(5)

硝化反應

芳香環的硝化反應在自然界是不發生的，可是卻是在實 驗室裡非常重要的反應，因為硝化反應的產物可以經過 像鐵、錫或者氯化錫（SnCl2）的還原後，做成胺基取 代的化合物，或者芳香胺（arylamine，ArNH2）。

p.156

磺酸化反應

芳香環的磺酸化反應可以以發煙硫酸（SO3與 H2SO4的 混合物）來進行。反應裡的親電子基是 HSO3^＋，取代反 應的發生如同溴化反應一樣，也是經由兩個步驟的反應 機構來達成。

p.156

練習題 5.2 寫出芳香族親電子性取代反應的反應機構

寫出苯與發煙硫酸反應產生苯磺酸的反應機構。

方法 藉由苯的磺酸化產生苯磺酸是一個典型的親電子 性取代反應這些反應都是經由相同的兩個步驟的反應機 構進行。一個親電子基先接到芳香環上，再脫去 H^＋而完 成反應。在磺酸化反應裡，使用到親電子基就是HSO3＋。解答

5.5 夫理得－夸夫特烷化與醯化反應

烷化反應（alkylation）是將一個烷基接到芳香環上，被 認為是最為有用的芳香族親電子性取代反應之一，這樣 的反應以它的發明者的名字給予命名，稱之為夫理得－

夸夫特烷化反應（Friedel-Crafts alkylation reaction）。

這個反應是由芳香族化合物與烷基氯化物（RCl）作用 產生，在 AlCl3存在下，先產生一個離子的親電子基，

R^＋。三氯化鋁催化劑主要在幫助烷基氯化物產生解離，

它的功能如 FeBr3在芳香族溴化反應中，幫助 Br2離子 化的方式一樣（5.3節）。接著再藉由失去 H^＋而完成整 個反應（圖 5.5）。

p.157

p.158

反應機構

圖 5.5 夫理得－夸夫特烷化反應的反應機構。親電子基是 離子，由催化劑AlCl3的協助下使烷基氯化物離子化產生。

夫理得－夸夫特烷化反應雖然在合成上非常有用，但 是也有許多限制。

其中之ㄧ：只有烷基鹵化物可以使用，而芳香基鹵化 物像是氯苯就無法反應。

其次，當夫理得－夸夫特烷化反應碰到芳香環上的取 代基如－NO2、－C≡N、－SO3H 或－COR 時，

也會無法進行。

(6)

與夫理得－夸夫特烷化反應非常類似的是夫理得－夸 夫特醯化反應（Friedel–Crafts acylation reaction）。當芳 香族的化合物在 AlCl3的存在下跟酸氯化物（RCOCl） 反應時，就可以在環上接上醯基〔acyl group；R－C

＝O〕。例如：以苯跟乙醯氯反應時就可以產生一個 酮類化合物的產物，乙醯苯。

p.158

5.6 芳香族親電子性取代反應的取代基效應

芳香環上的取代基對於取代反應，會有兩個效應：

1.取代基對芳香環反應性的影響。一些官能基的存在會活 化環的親電子反應性，使得該化合物的反應性會比苯來 得高，相反的，有些則會產生去活化效應，而使反應性 降低。

p.159

2.取代基對反應的位向的影響。三個可能的雙取代基產物，

鄰、間和對位，經常是非等量的產生出來。芳香環上原 有的取代基的性質，將影響第二個取代基的取代位置。

p.159

圖 5.6 取代基效應對親電子性取代反應的影響。所有的 活化基都是鄰、對位-定位的官能基。所有的去活化基除了 鹵素以外，都是間位-定位的官能基。鹵素是屬於鄰、對位- 定位的去活化基。

練習題 5.3 預測芳香族親電子性取代反應的相關反應性

你預期氯苯跟乙基苯的親電子性取代反應，哪一個會比 較快？為什麼，試解釋之。

方法 參考圖 5.6 並比較氯及烷基的相對反應性。

解答 氯取代基是去活化基，而烷基是活化基，所以乙 基苯會比氯苯的反應性高。

p.160

5.7 取代基效應的說明

芳香環的活化及去活化效應

1.活化官能基的一般特色，就是它們能提供電子給環，

使得環上的電子密度增加，進而提升 離子中間物 的穩定性和降低生成的活化能。

2.去活化基的一般特色就是它們會從環上拉取電子、造 成環上的電子密度減少，進而使得 離子中間物的 穩定性降低並增加了生成的活化能。

3.當我們把苯甲醛（強去活化的）、氯苯（弱去活化 的）和酚（活化的）跟苯的靜電能勢圖作比較時，可 以發現當有－CHO 或－Cl 等拉電子基取代時，環上的 電荷會偏正電（黃色），而－OH的推電子基取代則會 使得環上電荷偏負電（紅色）。

p.161

(7)

4. 電子的供給或拉取是可以藉由誘導效應（1.9 節）或 共振效應（4.10 節）來達成。

5. 誘導效應主要起因於環與所接取代基的原子之間陰電 性的差異，透過σ鍵所造成的電子的供給或拉取的 效應，而共振效應的電子的供給或拉取的效應，則是 由環上 p 軌域，及取代基 p 軌域之間的軌域重疊，所 形成的π鍵造成的。

p.161

芳香環上的位向效應：鄰位與對位定位基

1.以酚的硝化反應為例，來檢視這些鄰、對位-定位基是 如何來作用的。

2.反應物跟親電子基（NO2^＋）反應時，可以在－OH 官 能基鄰位、間位、對位的位置發生產生如圖 5.7 的 離 子中間物。

3.在鄰位及對位的中間物因為有較多的共振式—四個對上 三個—（包含一個正電荷會產生在取代基的氧原子上的 共振結構）的原因，會比間位中間物還來得穩定。也因 為鄰、對位中間物比較穩定，它們的產生速度也比較快。

圖 5.7 酚硝化反應的 離子中間物。在鄰位及對位的中間物會比間位中

間物還來得穩定，因為鄰位及對位的中間物有較多的共振式，包 含一個正電荷會產生在取代基的氧原子上的共振結構。

一般來說，任何的取代基的原子上如果有一對未共用電 子對，可以跟芳香環形成鍵結而讓電子供給式的共振作 用發生，則這樣的官能基就會成為鄰、對位定位基：

p.162

芳香環上的位向效應：間位定位基 1.以苯甲醛的氯化為例子（圖 5.8）。

2.在三個位置所產生出來的 離子中間物裡，間位中間物 有三個較穩定的共振形式，而鄰、對位中間物只有兩個。

3.在鄰、對位中間物裡，第三個共振式因為所產生的正電 荷，正好落在接醛基的碳上，而受到極化後帶正電的 C

＝O 上的碳原子的排斥，產生不穩定性。因此，間位中 間物是比鄰、對位中間物較穩定，而且會較快形成。

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圖 5.8苯甲醛氯化的中間物。間位中間物是比鄰、對位中間物穩定，因為

間位中間物有三個較穩定的共振形式，而鄰、對位中間物只有兩個。

4.一般來說，任何的取代基上如果有一帶正電荷的極化原 子（δ＋），接到芳香環上，造成鄰、對位中間物會有 一或兩個共振式產生不穩定，則這樣的官能基就會成為 間位定位基。

p.162

練習題5.4 預測芳香族親電子性取代反應的產物

你預期苯胺，C6H5NH2溴化後會產生什麼產物？

方法 參考圖 5.6 判斷－NH2取代基是鄰、對位-定位基 或者是間位-定位基。因為胺基是鄰、對位-定位 基，所以預期產物將是鄰-溴苯胺及對-溴苯胺的混 合。

解答

p.164

5.8 芳香族化合物的氧化與還原反應

苯雖然有許多不飽和鍵，可是一般的情況下，並不會與 強氧化劑如 KMnO4等產生反應。

接在芳香環上的烷基則會與氧化劑立即的反應，轉變成 羧酸基官能基（－CO2H）。例如：丁基苯會被 KMnO4

氧化產生苯甲酸。這個反應的反應機構是頗為複雜的，

其中牽涉到氧化劑由攻擊到芳香環隔壁的支鏈上的C－ H 鍵，而產生自由基中間物後再發生。

p.164

類似的氧化反應也發生在許多的生化途徑裡。

例如：去甲腎上腺素（norepinephrine），一種神經傳 遞素，在生化上是由多巴胺經過 基位置的氧化反應所 生成的。而這個反應是由一種含有銅離子的觸酶（多巴 胺β-單加氧；dopamineβ-monooxygenase）催化，而 經過自由基機構來發生的。

p.164

跟氧化反應一樣，以典型烯類氫化的條件來針對芳香族 進行還原反應，一般情況下不會有任何反應。而只有在 高溫及高壓下，芳香族的還原反應才能夠發生。例如：

鄰-二甲苯在高壓下會被還原產生順-1,2-二甲基環己烷。

p.165

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5.9 其他的芳香族化合物

芳香性的概念—從類似苯的環狀共振分子，所產生的非 正常的化學穩定性—可以從單純的單環化合物，擴充到 多環芳香族碳氫化合物。

萘，一般用在樟腦丸的製作，由兩個似苯的環融合在一 起，這就是一個多環芳香族化合物（polycyclic aromaticcompound）。

在多環芳香香族碳氫化合物裡，苯并[a]芘（benzo [a]

pyrene），它有五個似苯的環狀結構，而且被發現就是 在煙囪的煤煙、香菸的煙霧、木炭烤肉裡的致癌物。

p.165

當苯并[a]芘進入身體，身體裡面將嘗試把這些外來的物 質，經過生化代謝轉變成為雙醇環氧化物（diol epoxide），這個雙醇環氧化物代謝物會跟細胞的 DNA 反應，然後縛在 DNA 上，而導致變異或致癌。

氮、硫或者是氧原子，是雜環族（heterocycles）裡 環上常見的異原子。

例如： 、嘧啶（pyrimidine）、 （pyrrole）和咪 唑（imidazole）等，雖然它們並不是純粹的碳氫化合 物，甚至有的是五員環而非六員環的結構(圖5.9），

但也都跟苯一樣是屬於芳香族的化合物，因為它們都 具有環狀共軛排列的六個 p 電子，其中 和嘧啶 的環上的每個原子上均有一個π電子。 和咪唑 在環上有四個原子有一個π電子，還有另外兩個π電 子是在 N－H 的氮上的未共用電子對。

圖 5.9 含氮的化合物 (a) 、(b) 嘧啶、(c) 和 (d) 咪唑的 軌域圖。它們都跟苯一樣是屬於芳香族的化合物，因為它們都具有 環狀共軛排列的六個π電子。其中 和嘧啶的環上的六個原子上 均有一個π電子。 和咪唑在環上有四個原子有一個π電子，還 有另外兩個π電子（未共用電子對）是在N

－

H 的氮上。

5.10 有機合成

設計一個有機分子的合成路徑，必須要能以合乎邏輯的 方式，逐步來了解問題，應用有機反應性的知識，並將 它組合成一個可行的工作計畫。

設計一個有機合成路徑唯一的訣竅，就是要反序的推衍

（workbackward）。觀察產物並問自己「什麼會是這 個產物的先驅物？」當找到這個先驅物後，再往前繼續 推演，找到下一個先驅物，持續一步一步地往前，直到 最後找到適合的起始物為止。

p.167

練習題 5.5 合成一個取代的芳香族化合物

試以苯作為起始物，來合成出間-氯硝基苯。

方法 反序的推衍的第一步驟「什麼是間-氯硝基苯的 先驅物？」

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練習題 5.5 (續)

在環上有兩個取代基，一個是－Cl，屬於鄰、對位-定 位基；而另一個－NO2，則屬於間位-定位基。我們沒 有辦法藉由氯苯的硝化來達成目的，因為結果會產生 錯誤的異構物（鄰和對-氯硝基苯）。而硝基苯的氯化 反應就可以獲得想要的產物。

p.167

練習題 5.5 (續)

「什麼會是硝基苯的先驅物？」答案是把「苯」硝 化就可以了。

解答 讓我們用下列的兩個步驟來解答這個問題：

p.168

練習題 5.6 合成一個取代的芳香族化合物

試以苯作為起始物，來合成出對-溴苯甲酸。

方法 反序的推衍的第一步驟「什麼是對-溴苯甲酸的 先驅物？」

p.168

練習題 5.6 (續)

在環上有兩個取代基，一個是－CO2H，屬於間位-定 位基；而另一個－Br 原子，則屬於鄰、對位-定位基。

我們無法藉由苯甲酸的溴化來達成目的，因為結果會 產生錯誤的異構物（間-溴苯甲酸）。無論如何，我們 曾經介紹過烷基苯的支鏈氧化會產生苯甲酸，因此，

我們的先驅物的標的分子就是對-溴甲苯。

p.168

練習題 5.6 (續)

「什麼是對-溴甲苯的先驅物？」可能是甲苯，因為甲 基將使溴化反應產生鄰及對位的位置，我們可再將異 構物分離開來。相對的，溴苯也可以是先驅物，因為 我們可藉由夫理得－夸夫特烷化反應得到對位的產物，

兩個方法都可以達到目的。

p.168

練習題 5.6 (續)

「什麼會是甲苯的先驅物？」將「苯」藉由夫理得－

夸夫特烷化反應進行甲基化就可以了。

「相對的，什麼會是溴苯的先驅物？」將「苯」進行 溴化就可以了。

p.169

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練習題 5.6 (續)

解答 合成步驟反序推衍的結果，從苯出發到對-溴苯甲 酸的製造，有兩個可行路徑。

p.169

特論

特論 阿斯匹靈、NSAIDs 和 COX-2 抑制劑

一般最常見的 NSAID 就是阿斯匹靈，或稱乙醯柳酸。

當我們把水楊素置於水裡反應，可以把它轉變成水楊醇，在 經過氧化後就變成水楊酸。

水楊酸在解熱的效果上會比水楊素來得有效，且具有止痛及 抗發炎的性質。比較不好的是，水楊酸若每日使用，會對胃 壁會造成腐蝕性的傷害。把酚上的－OH 官能基轉變成酯類 官能基時，會產生跟水楊酸效果一樣，但對胃的腐蝕性較低 的乙醯柳酸。

p.170

特論

伊布普洛芬和那普洛辛與阿斯匹靈相同，都是具有一個羧酸 官能基支鏈的簡單型芳香族化合物。

伊布普洛芬一般以 Advil、Mortin、Nuprin 以及其他的名稱 販售，它幾乎跟阿斯匹靈有同樣的療效，但較不會造成胃部 的不適。

那普洛辛則以 Naprosyn 或 Aleve 名稱販售，也與阿斯匹靈 的療效差不多，而其在體內則可保持活性長達六倍的時效。

特論

近來，醫藥化學家們已經製造出一些藥物，可以在身體內選 擇性的只針對COX-2做抑制。原先作為治療關節炎疾病的突 破性的藥物，第一代的COX-2抑制劑如：偉克適（Vioxx）、

希樂葆（Celebrex）或Bextra等，經證明會造成潛在的心臟嚴 重問題。第二代的COX-2抑制劑，製造商在上市前，將會對 這些藥物的安全性與副作用進行嚴謹的監控。

p.170

有機化學

有機化學 第五章

第 5 章 芳香族化合物

5.1 苯的結構

－

5.2 芳香族化合物的命名

練習題 5.1 命名芳香族化合物

5.3 親電子性芳香族取代反應：溴化反應

反 應 機 構

5.4 其他的芳香族親電子性取代反應

練習題 5.2 寫出芳香族親電子性取代反應 的反應機構

5.5 夫理得－夸夫特烷化與醯化反應

反 應 機 構

5.6 芳香族親電子性取代反應的取代基效應

練習題 5.3 預測芳香族親電子性取代反應 的相關反應性

5.7 取代基效應的說明

練習題5.4 預測芳香族親電子性取代反應 的產物

5.8 芳香族化合物的氧化與還原反應

5.9 其他的芳香族化合物

－

5.10 有機合成

練習題 5.5 合成一個取代的芳香族化合物

練習題 5.5 (續)

練習題 5.5 (續)

練習題 5.6 合成一個取代的芳香族化合物

練習題 5.6 (續)

練習題 5.6 (續)

練習題 5.6 (續)

練習題 5.6 (續)

有機化學第五章

第 5 章芳香族化合物

反應機構

練習題 5.2 寫出芳香族親電子性取代反應的反應機構

反應機構

練習題 5.3 預測芳香族親電子性取代反應的相關反應性

練習題5.4 預測芳香族親電子性取代反應的產物