苯胺可說是胺類家族中最重要的成員之一 不管藥物、染料、指示劑和導電高分子等 都可以看到他的身影 現在就來認識一下這個重要的化學分子 氨分子中的一個氫被苯環取代 所形成的胺類分子即為苯胺 是具有特殊臭味的無色油狀液體 在空氣中會逐漸氧化變成褐色 19世紀初科學家就透過靛藍屬植物分離出苯胺 苯胺的名字也和葡萄牙語中可以提煉出靛藍的植物有關 早期的苯胺是由天然物分離而得 目前則是以化學合成的方式製備 工業上製備苯胺的步驟是先將苯和濃硫酸 濃硝酸混合物進行硝化反應得到硝基苯 再以鉑為催化劑 使氫氣和硝基苯反應得到苯胺 實驗室中 則是將硝基苯置於酸性溶液 例如鹽酸 再以錫或鐵還原製備 但因為苯胺具有鹼性 在溶液中會先得到氯化苯胺 總反應式如畫面所示 最後再加入氫氧化鈉水溶液和乙醚 此時氯化苯胺會和氫氧化鈉反應中和變回苯胺 製備時 將氯化苯胺水溶液與氫氧化鈉水溶液和乙醚混合 充分搖晃後 使苯胺溶解於上層的乙醚中 接著移去下方水層 取出乙醚層並將乙醚蒸發後 即可製得苯胺 接下來我們要探討苯胺的性質 包括溶解度、沸點和鹼性等 首先是對水的溶解度 由剛才的分離方法可以發現 苯胺可溶於乙醚等有機溶劑 但對水的溶解度並不大 主要原因是因為苯胺的胺基部分 雖然可以和水形成氫鍵 提高對水的溶解度 但是六個碳的苯環部分卻難溶於水 所以在20℃時 1mL的水只能溶解0.036克苯胺 遠低於可以和水互溶的甲胺、乙胺等 在沸點部分 因為苯胺分子量較大 且可以形成氫鍵 所以沸點高於分子量相近的甲苯 和同樣具有氫鍵的苯酚沸點相近 但如果比較對水的溶解度時則會發現 因為氮、氫和氧之間的氫鍵 比氧、氫和氧之間的氫鍵弱 所以苯酚對水的溶解度會高於苯胺 醇溶於水是中性的 但苯酚上氧的孤對電子會和苯環上的pi電子共振 而有極少部分的苯酚形成酮式結構 並產生氫離子而呈弱酸性 但原本鹼性的氨分子 若氮上的氫被苯環取代後 試著推測看看 苯胺的鹼性會比氨大還是比氨小呢？ 我們在前面「胺的介紹、命名與分類」的單元中已經說明過 當胺或氨分子的氮原子電子密度變大 接受氫離子能力變強 鹼性也會跟著變大 但苯胺上氮原子的孤對電子 因為會和苯環上的pi電子共振 因此氮原子電子密度相對變小 所以與氫原子結合能力下降 苯胺的鹼性會大幅降低 實驗結果發現氨及苯胺的解離常數如表格所示 苯胺鹼性較低 你答對了嗎？ 畫面中是利用物質的酸性和鹼性 分離甲苯、苯酚和苯胺混合物的流程圖 已知分離完成之後 A、B、C、D和E各有一個主要存在的化合物 試判斷甲苯、苯酚和苯胺分別存在哪一個部分？ 正確答案如畫面所示 甲苯、苯酚和苯胺的混合物溶於乙醚 並加入稀鹽酸後 鹼性的苯胺會和稀鹽酸反應 生成氯化苯胺並溶於水層 經過氫氧化鈉中和後 變回溶於乙醚層中的苯胺 蒸乾乙醚後即可得到E部分的苯胺 甲苯和苯酚的混合物加入稀氫氧化鈉後 乙醚層中留下了不溶於鹼的甲苯 蒸乾乙醚後即可得到位於C的甲苯 酸性的苯酚則會和氫氧化鈉反應 生成苯酚鈉並溶於水層 水層中的苯酚鈉經過鹽酸中和後 變回溶於乙醚層的苯酚 蒸乾乙醚後即可得到B部分的苯酚 苯胺的重要用途包括製作染料 藥物 例如乙醯胺酚 指示劑 例如甲基橙等 也是重要的導電高分子材料 以下就讓我們舉例說明 首先要介紹的是苯胺在染料史上的重要性 2003年 由化學家與歷史學家共同票選出史上最美麗的十大化學實驗 其中之一就是威廉柏金合成苯胺紫 柏金於十五歲時進入倫敦皇家化學學院就讀 1856年 18歲的柏金在嘗試製備治療瘧疾的奎寧時 將苯胺以二鉻酸鉀氧化後 意外得到黑色沉澱物 而將沉澱物碾碎後 用乙醇溶解可得到亮麗的紫色溶液 這個美麗的意外 就是名垂青史的苯胺紫 後續鑑定出是四個化合物的混合物 在此之前紫色的染料是紫螺 根據歷史學家換算 西元301年時一磅用紫螺染成的絲綢售價 相當於現代的300萬美金左右 因此在西方紫色一直是代表著權力、財富的象徵 但柏金發現的苯胺紫所染出的絲綢染色耐洗又漂亮 大大降低了紫色染料的售價 並開設工廠製造販售 值得一提的是 柏金於數年後也提出了人工香水「香豆素」的合成方法 所以柏金不但是有機化學合成行業的重要推手 也改變了當時時尚界的風貌 接下來要介紹的是聚苯胺 利用苯胺為單體 就可做出材質輕、容易加工的導電高分子 是近50年來研究最多的導電聚合物之一 以簡單的無色聚苯胺為例 將苯胺加入適當氧化劑氧化聚合而成 常見的氧化劑是以1M鹽酸配製的過硫酸銨 如同前面所提 N上的孤電子對會參與苯環的共振 而和聚乙炔一樣 出現類似的共軛系統而能導電 這種導電塑膠有電致變色的特性 也就是導電高分子的顏色會受電場影響而改變 經過適當處理可製作成汽車的車窗玻璃 當按壓按鈕改變通電情況 車窗可由透明變成不透明 進而抵擋強烈的太陽光 下列有關苯胺的敘述何者正確？ 最後讓我們複習一下今天學到的觀念 苯胺的工業製備方法為以鉑為催化劑 加入氫氣將硝基苯還原 實驗室的製備方法 則是在酸性條件下以錫或鐵為還原劑 將硝基苯還原 苯胺的性質包括 室溫下 是特殊臭味的無色液體 放在空氣中會氧化變成褐色 微溶於水 可溶於有機溶劑 水溶液為弱鹼性 但鹼性比氨低 苯胺是重要的胺類 是製作染料、藥物、指示劑和導電高分子等物品的重要原料 利用苯胺做出來的染料種類極多 聚合所得的導電分子聚苯胺也有許多的應用性 同學們可以試著找找看更多苯胺的應用喔！ 我們下次見 掰掰