A 級化學/OCR（Salters）/芳烴的反應

芳烴，例如苯（上圖），在其苯環的上下方具有高電子密度的區域。佔據這些區域的軌道中的離域電子吸引陽離子或部分帶正電的親電子試劑。

芳烴的反應是化學思想中第 12.4 節的標題。

介紹

芳烴比烯烴穩定得多，反應性也更低。與烯烴不同，芳烴不進行親電加成反應，因為這樣做會破壞芳烴的芳香性（由於環中的電子離域而產生的穩定性）。

芳烴的特徵反應完全不同。它們傾向於進行親電取代，這涉及親電子試劑取代芳烴苯環上的一個氫原子。

苯的溴化

空間填充模型的溴苯

概述

機理

氯化

概述

無論何時使用三氯化鋁，AlCl₃，無水條件都是必不可少的——與水接觸時，可能會發生爆炸性反應，釋放出腐蝕性氯化氫氣體。

機理

傅-克反應

傅-克烷基化

概述

傅-克醯基化

概述

機理

傅-克醯基化中心的親電試劑是醯基離子，[RCO]⁺。它的碳原子帶有很大的部分正電荷，並且具有高度的親電子性，使其能夠與苯等非常不活潑的芳烴反應。醯基離子的鍵合最好描述為兩種共振形式的共振雜化體

硝化

概述

芳烴與 NO₂⁺ 反應，NO₂⁺ 是一種高度親電的線性陽離子，稱為硝醯離子。結果，硝基，RNO₂，取代了芳烴苯環上的一個氫原子。

由於 NO₂⁺ 反應性很高，因此它不方便以鹽的形式使用。它必須原位（在反應容器中）透過濃硫酸與濃硝酸反應產生，兩者合稱為硝化混合物。

HNO₃ + 2H₂SO₄ → NO₂⁺ + 2HSO₄⁻ + H₃O⁺

每摩爾硝化的苯消耗一摩爾的硝酸，因此硝酸是反應物。相反，硫酸在硝化完成後再生，使其成為催化劑。

球棍模型的TNT，一種帶有硝基的芳烴

為了限制新增的硝基數量，溫度必須保持在 55 °C 以下。高於此溫度，會形成二硝基和三硝基化合物，這些化合物通常極不穩定，容易爆炸。一個例子是 TNT（三硝基甲苯，2,4,6-三硝基甲苯的俗名）。

機理

硝基芳烴還原為芳胺

濃鹽酸中的錫是將硝基芳烴還原為芳胺的有效催化劑。

磺化

苯磺酸（苯磺化反應的產物）的球棍模型

概述

機理

濃硫酸中含有一些三氧化硫，SO₃，被認為是芳烴磺化反應中涉及的親電試劑。SO₃的中心硫原子具有很大的正偏電荷，它足夠親電以吸引苯環上的離域電子。

氫化

苯很難氫化，因為這樣做會導致穩定的芳香體系（離域電子）消失。氫化苯需要高度活性的催化劑以及高溫高壓條件。

該催化劑基於高度分散的鎳，被稱為雷尼鎳。工業上使用的條件是30個大氣壓和300 °C的溫度。氫化一摩爾苯需要三摩爾氫氣，H₂。

總結

除了氫化以外，這裡介紹的芳烴反應都是親電取代反應。芳烴，尤其是苯，具有極其穩定且不活潑的芳香體系（離域電子）。因此，芳烴只與最活潑的親電試劑反應，並且需要特殊的催化劑來生成所需的高度親電物質，例如Br⁺、NO₂⁺和R⁺。

目前的證據表明，親電芳香取代反應透過高能、不穩定的四面體碳正離子中間體進行。

一旦生成了合適的親電物質E⁺，它將與苯快速反應。形成一個高度不穩定的中間體（包含一個四面體碳），這會顯著破壞環中電子的離域。中間體立即釋放一個質子以恢復完全的芳香環，從而大幅降低其能量。

對機理的更詳細觀察表明，苯中的一個氫原子被親電試劑取代。