在石油被發現之前 人們常用從鯨魚脂肪提取出的鯨魚油 來作煤氣燈的燃料、潤滑、製造蠟燭等 1825年 英國科學家法拉第 透過加熱來分解鯨魚油 分離出一種無色油狀的液體 發表了關於「碳氫化合物的新化合物」的論文 並測量了有關這個新化合物的簡單性質 但當時科學家還不知道此化合物中 所含的原子的比例 1834年 德國科學家米切利希 將苯甲酸與氫氧化鈣混合 並蒸餾此混合物 會產生一種浮在水面上的油狀液體 並提出此分子碳、氫原子的比例為1：1 並以用來製備苯甲酸的安息香樹脂 將此物質命名為苯 1845年 德國科學家霍夫曼 從煤焦油的分餾中發現了苯和其他有機物 其學生曼斯菲爾德 更優化了苯的純化方法 使苯可以工業化生產 大量應用於化工原料、 合成染料和藥物等用途 在有機化合物中含有苯環的化合物 為芳香族化合物 而苯環上帶有烴基則稱為脂芳烴 我們在上一支影片中學到了 「脂芳烴的結構與命名」 今天則是會接著介紹 「脂芳烴的製備、性質與反應」 讓我們開始今天的影片吧！ 首先我們來討論脂芳烴的物理性質 脂芳烴具有特殊氣味、密度比水小 由於分子中只含碳原子和氫原子 為非極性化合物 也無法和水形成氫鍵 故脂芳烴難溶於水 但易溶於有機溶劑 芳香烴碳數較多 分子量較大 分子間有較強的凡得瓦力 熔沸點比簡單烴類化合物來得高 例如1個碳到4個碳的烷烴 熔沸點低 常溫常壓下為氣態 戊烷、己烷和苯的分子量較大 熔沸點也較高 常溫常壓下為液態 聯苯則是固態 另外 分子的結構也會影響脂芳烴的熔沸點 以二甲苯為例 二甲苯有3個同分異構物 分別為鄰二甲苯、間二甲苯和對二甲苯 其結構式如畫面所示 二甲苯極性低 但2個甲基的位置也會影響整體分子的極性 由2個甲基的夾角可知 三者的極性為鄰二甲苯>間二甲苯>對二甲苯 當分子有相同分子量時 極性越大、沸點也越高 因此三者的沸點比較為 鄰二甲苯>間二甲苯>對二甲苯 分子的熔點除了極性外 也和結構對稱性有關 結構越對稱、分子的排列就越整齊 熔點也越高 在二甲苯的異構物中 對二甲苯的結構對稱性最高 熔點最高 接著是極性較大的鄰二甲苯 間二甲苯的熔點最低 那脂芳烴可以透過哪些方法反應而得呢？ 苯常來自不完全燃燒的過程 例如森林火災、火山爆發等 香菸和電子菸的煙霧中也含有高濃度的苯 早期的苯主要來自於蒸餾石油或煤焦油 但此方法得到的苯純度較低 工業上可用甲苯與氫氣反應 在高溫、鉑或鎳金屬的催化下 脫去甲基反應生成苯 苯也可由乙炔的三聚反應製得 將乙炔通過高溫的石英管 在三氯化鋁、鐵或鉻的催化下 乙炔分子內其中一個π鍵斷裂 π鍵中的2個電子會和相鄰的乙炔 生成新的共價鍵 3分子的乙炔可生成1分子的苯 甲苯是最簡單的脂芳烴 工業上常見的製備方式是 以正庚烷在鉑的催化下 還原脫去氫氣而得 反應時會先生成六元環的甲基環己烷 然後再進一步脫去氫氣生成甲苯 苯和鹵烷在氯化鋁或溴化鐵的催化下 會發生取代反應 脫去鹵化氫後生成脂芳烴 例如苯和一氯甲烷反應可生成甲苯和氯化氫 芳香烴和烯、炔一樣 屬於不飽和烴 那我們可以用一樣的方法來檢驗嗎？ 芳香烴必含有苯環 苯環和烯烴一樣含有碳碳π鍵 但由於苯環結構相對穩定 破壞苯環需要很大的能量 在一般的反應條件下 苯環會維持穩定的共振系統 苯環上的π鍵並不發生加成反應 反應性和飽和烴相似 同學們還記得 我們在前面的影片中學過 有關不飽和烴類的反應嗎？ 含有雙鍵的烯類和含有參鍵的炔類 皆為不飽和烴 因為雙鍵和參鍵中的π鍵較弱 因此π鍵容易被破壞 化合物易進行加成反應 例如乙烯和氫氣反應生成乙烷 和氯化氫反應生成一氯乙烷 在酸催化下會水解 反應生成乙醇 我們也可以用有顏色的反應物 來檢驗不飽和烴類 例如乙烯和溴水反應會生成1,2-二溴乙烷 反應後紅棕色的溴水會變成無色 乙烯和過錳酸鉀的弱鹼性溶液 反應生成1,2-乙二醇 原本紫色的過錳酸鉀溶液也會褪色 反應生成二氧化錳沉澱 但這些加成反應都不會發生在苯環上 溴水和過錳酸鉀溶液 也都不能用來檢驗苯環的存在 由於大部分的反應都不會破壞苯環結構 脂芳烴的反應一般會發生在取代基上 或是苯環上的氫原子發生取代反應 常見苯的取代反應有 鹵化反應 苯和鹵素在氯化鋁或溴化鐵的催化下 苯環上的氫會被取代生成鹵苯和鹵化氫 例如苯和溴水反應生成溴苯和溴化氫 第二個為硝化反應 苯和硝酸在濃硫酸的催化下 會脫水生成硝基苯 若以甲苯和過量的硝酸反應 則會生成2,4,6-三硝基甲苯 又稱為TNT 是常見的炸藥之一 爆炸的威力強大 常用於軍事攻擊 第三個為磺化反應 苯和濃硫酸反應亦會脫水 生成苯磺酸 可用作合成藥物的原料 也當作酯化反應的催化劑 在特殊的條件下 苯環的π鍵仍有可能發生加成反應 例如苯在鎳的催化下 苯環上的3個π鍵和氫氣反應 生成環己烷 另外在紫外光的照射下 將氯氣通入苯中 苯環中的3個π鍵都會和氯氣反應 生成1,2,3,4,5,6-六氯環己烷 此化合物又稱六氯化苯 主要用於製作農藥 同學們要注意 六氯化苯中不再具有苯環的共振結構 故並不屬於芳香化合物 除了苯環上的取代反應 在脂芳烴中 苯環所帶的側鏈可與強氧化劑發生氧化反應 由於苯環的電子密度大 會使側鏈中最靠近苯環的碳 也就是α碳 容易受到強氧化劑攻擊而失去氫原子 發生氧化反應 例如甲苯與過錳酸鉀的弱鹼性溶液反應時 過錳酸鉀會搶走α碳上的氫原子 由於溶液呈鹼性 會得到苯甲酸鹽溶液 溶液進一步酸化後可得到苯甲酸 由於反應是發生在α碳上 即使苯環上的取代基碳數增加 產物仍為苯甲酸 例如丙苯和過錳酸鉀的弱鹼性溶液反應時 酸化後的產物仍為苯甲酸 若是苯環上有2個烷基 如對二甲苯 兩個甲基都會被過錳酸鉀氧化 反應生成對苯二甲酸 值得注意的是 若α碳上沒有可被過錳酸鉀搶走的氫原子 烷基則無法被氧化 例如第三丁基苯 由結構中可以看出 α碳上接有4個碳原子 故與過錳酸鉀的鹼性溶液並不反應 本次影片提到了因為苯環結構很穩定 在大部分條件下 芳香族化合物會進行取代反應而非加成反應 但隨著取代基的不同 苯環上可被取代的氫位置也不同 可能的原因為何？ 同學們可以搜尋網路上的資料 也歡迎在底下的留言區告訴我們喔！ 我們下次見！