苯(C6H6)在室溫下是壹種無色、有甜味的透明液體,有強烈的芳香氣味。苯易燃、有毒,是壹種致癌物質。苯是壹種碳氫化合物,也是最簡單的芳香烴。它不溶於水,溶於有機溶劑,本身也可用作有機溶劑。苯是壹種基本的石油化工原料。苯的產量和生產技術水平是壹個國家石油化工發展水平的標誌之壹。苯所具有的環系稱為苯環,是最簡單的芳香環。去掉壹個氫後的苯分子結構稱為苯基,用 Ph 表示。
化學性質:
苯參加三種化學反應:苯環上其他基團與氫原子的取代反應;苯環上的加成反應(註意:苯環上沒有碳碳雙鍵,而是單鍵與雙鍵之間的獨特鍵);通性燃燒(氧化反應)(不能使酸性高錳酸鉀褪色)。
1、取代反應
苯環上的氫原子在壹定條件下可被鹵素、硝基、磺酸基、烴基等取代,生成相應的衍生物。由於取代基和氫原子的位置不同、數目不同,可生成數目和結構不同的異構體。
苯環的電子雲密度較大,因此苯環上發生的大多數取代反應都是親電取代反應。親電取代反應是芳香環的代表反應。苯取代基發生親電取代時,第二個取代基的位置與原取代基的類型有關。
2、鹵化反應
苯鹵化反應的通式可寫成:
PhH+X2-催化劑(FeBr3/Fe)→PhX+HX
反應過程中,苯中的鹵素分子與催化劑****,異氰酸酯的作用相同,X+攻擊苯環,X-與催化劑結合。
以溴為例,將液態溴與苯混合,溴溶解在苯中,形成不反應的紅棕色液體,加入鐵屑後,在生成的三溴化鐵的催化作用下,溴與苯反應,混合物微沸,有紅棕色溴蒸氣因反應放熱而生成,冷凝氣體暴露在空氣中呈白霧狀(HBr)。催化過程:
FeBr3+Br--→FeBr4
PhH+Br+FeBr4--→PhBr+FeBr3+HBr
反應後的混合物倒入冷水中,紅棕色油狀物(溶於溴)沈入水底,用稀堿液洗滌後得到無色液體溴苯。
在工業中,氯和溴取代基在鹵代苯中最為重要。
3、硝化反應
苯與硝酸在濃硫酸作催化劑下可生成硝基苯
PhH+HO-NO2 -----H2SO4(濃)△---→PhNO2+H2O
硝化反應是強放熱反應,容易生成取代基,但進壹步反應速率較慢。其中,濃硫酸作為催化劑,加熱到 50~60 攝氏度時進行反應,如果加熱到 70~80 攝氏度時苯就會與硫酸發生磺化反應,所以壹般采用水浴加熱法進行溫度控制。苯環上連接硝基後,硝基對苯的進壹步硝化有抑制作用,硝基是鈍化基團。
4、磺化反應
用發煙硫酸或濃硫酸在較高(70~80℃)溫度下可將苯磺化成苯磺酸。
PhH+HO-SO3H------△--→PhSO3H+H2O
苯環上引入壹個磺酸基團,反應活性降低,不易進壹步磺化,而且需要較高的溫度才能引入第二、第三個磺酸基團。這表明硝基和磺酸基團是鈍化基團,即阻止親電取代反應再次進行的基團。
5、傅-克反應
在 AlCl3 催化下,苯也可以與醇、烯烴和鹵代烴發生反應,苯環上的氫原子被烷基取代生成烷基苯。這種反應稱為烷基化反應,也稱為 Fou-ke 烷基化反應。例如,與乙烯發生烷基化反應生成乙苯
PhH+CH2=CH2----AlCl3--→Ph-CH2CH3
在反應過程中,R 基可能發生重排:例如,1-氯丙烷與苯反應生成異丙苯,這是因為自由基總是傾向於穩定構型。
在強硫酸的催化下,苯與酰基鹵化物或羧酸酐發生反應,苯環上的氫原子被酰基取代,生成酰基苯。反應條件與烷基化反應類似,稱為傅立葉酰化反應。例如乙酰氯的反應:
Ph + CH3COCl --- AlCl3-→PhCOCl3
6、加成反應
苯環非常穩定,但在壹定條件下也能發生雙鍵加成反應。通常經過催化加氫,以鎳為催化劑,苯可以生成環己烷。但該反應極其困難。
此外,在紫外線照射下,苯與氯發生加成反應,可以得到由苯生成的六氯環己烷(HCH)。該反應是苯與自由基的加成反應。
7、氧化反應
苯和其他碳氫化合物壹樣,可以燃燒。當氧氣充足時,產物是二氧化碳和水。但是,在空氣中燃燒時,火焰明亮,並冒出濃濃的黑煙。這是因為苯中碳的質量分數很大。
2C6H6+15O2--點燃-→12CO2+6H2O
苯本身不能與酸性的 KMnO4 溶液反應,但苯環上直接連有 H 的 C 後,能使酸性的 KMnO4 溶液褪色。
8、臭氧氧化反應
苯在壹定情況下也能被臭氧氧化,生成物為乙二醛。這種反應可以看作是苯的離域電子定域後生成的環狀聚烯烴的臭氧氧化反應。
在正常情況下,苯不能被強氧化劑氧化。但是,在氧化鉬等催化劑的作用下,苯可以與空氣中的氧氣發生反應,選擇性地氧化成順丁烯二酸酐。這是少數幾個可以破壞苯的六元碳環系統的反應之壹。(順丁烯二酸酐是五元雜環)
這是壹個強放熱反應。
9.其他
在高溫下,以鐵、銅和鎳為催化劑,苯可發生縮合反應生成聯苯。而甲醛和次氯酸在氯化鋅存在下可生成氯甲基苯。與乙基鈉和其他烷基金屬化劑反應可生成苯基金屬化劑。在四氫呋喃、氯苯或溴苯中與鎂反應可生成苯基格氏試劑。
苯不會與高錳酸鉀發生褪色反應,與溴混合才會發生萃取反應,而苯及其衍生物,只有在苯環側鏈上的取代基與苯環上相連的碳原子相連的氫的情況下才能使高錳酸鉀褪色(實質是氧化反應)、這也適用於芳香烴(取代基上如果有不飽和鍵就壹定能與高錳酸鉀發生褪色反應)。).這裏要註意:1、只有當取代基碳原子連接到苯環上時;2、此碳原子要與氫原子相連(成鍵)。
至於溴水,苯和苯的衍生物以及飽和芳香烴只能發生萃取反應(條件是取代基上沒有不飽和鍵,否則仍會發生加成反應)。
苯的尾氣處理也是及其重要的。
10、光異構化
苯在強光條件下可轉化為杜瓦苯(Dewar benzene):
杜瓦苯的性質很活潑(苯本身是穩定的芳香態,能量低,轉化為杜瓦苯需要大量的光,所以杜瓦苯的能量很高,不穩定)。
在激光的作用下,它可以轉化為更活躍的棱柱烷烴:
棱柱烷烴呈現三維狀態,導致碳原子的 sp3 雜化軌道形成的 π 鍵之間的相互排斥力更大,因此更加不穩定。