🎨 靛蓝 — 一种非常古老的天然染料
靛蓝属于双吲哚类生物碱，均为含氮的芳香化合物。异靛蓝、靛玉红和靛蓝互为同分异构体， 它们三者之间的差别仅仅是两个吲哚环的连接位置不同，以至于其化学活性就有非常明显的不同， 所体现出的颜色也完全不同。1870年，德国化学家A. von Baeyer以靛红为原料成功合成了靛蓝。 靛蓝主要用于棉布或棉纱的着色，农村染坊用发酵法染土布以及牛仔裤染色的染料大都采用靛蓝。
染料与含氮芳香化合物
染料是能够使其颜色附着在纤维上的物质，且不易脱落、变色，分天然和合成两大类。 染料通常溶于水，有些染料需要依赖媒染剂才能黏着于纤维上。考古资料显示，染色技术已有五千多年历史。
1856年，W. H. Perkin 通过将含对甲苯胺的苯胺氧化合成了第一个合成染料—— 阿尼林紫（mauveine），发现了苯胺衍生物氧化制造染料的方法， 并开创了染料工业。W. H. Perkin的发现使有机化学中产生了一门新的分支——染料化学。
Indigo
Indirubin
Mauveine
Azo Dyes
芳香胺的结构特征和基本化学性质
芳香胺的结构特点
芳香胺中氮原子的孤对电子占据的 sp³ 杂化轨道比氨中氮原子的孤对电子占据的 sp³ 杂化轨道有更多的 p 轨道成分， 可在某种程度上与芳环 π 电子轨道发生重叠，形成包括氮原子和芳环在内的共轭离域分子轨道。
当氮原子上的杂化轨道和芳环的 π 电子轨道接近于平行时，其重叠最有效，共轭也最有效。 因此，尽管苯胺仍是棱锥形的结构，其中 H—N—H 键角为 113.9°，H—N—H 平面与苯环平面的二面角为 142.5°。
苯胺中氮原子的杂化形式介于 sp² 和 sp³ 杂化之间
芳香胺的碱性
由于氮原子上的孤对电子与苯环的 π 电子互相作用，形成一个大的共轭体系而变得稳定； 但也降低了氮原子的电子云密度，从而减弱了其质子化的能力，因此苯胺的碱性（pKb = 9.40） 比氨或烷基胺（接近于 pKb = 6）弱得多。
| 取代基 | 邻位 pKb | 间位 pKb | 对位 pKb |
|---|---|---|---|
| H | 9.40 | 9.40 | 9.40 |
| OH | 9.28 | 9.83 | 8.66 |
| OMe | 9.48 | 9.77 | 8.50 |
| CH₃ | 9.56 | 9.28 | 8.90 |
| NO₂ | 14.26 | 11.53 | 13.00 |
| Cl | 11.35 | 10.48 | 10.02 |
不同胺的碱性比较
吡啶与咪唑的碱性
若氮原子位于芳环上，如吡啶，其氮原子采用了 sp² 杂化方式，与其类似物六氢吡啶相比， 其碱性要差 10⁶ 倍。
而咪唑的碱性要比吡啶强100倍，这是由于咪唑环质子化后可以形成更为稳定的共振结构。
芳香硝基化合物的结构、基本性质及其用途
硝基的结构
硝基与苯环直接相连的化合物称为芳香硝基化合物。根据分子中所含硝基的数目，可以分为一元、二元、三元或多元芳香硝基化合物。 芳香硝基化合物中氮原子为 sp² 杂化，其中两个 sp² 杂化轨道与氧原子形成 σ 键，另一个 sp² 杂化轨道与碳原子形成 σ 键。
首先，未参与杂化的 p 轨道与两个氧原子的 p 轨道形成共轭体系，因此硝基的结构是对称的。 物理方法测出，硝基中的氮原子到两个氧原子的距离均为 121 pm。硝基可以与羧酸根负离子一样形成一个离域结构。
芳香硝基化合物的用途
芳香硝基化合物在有机化学的基础研究及工业生产上的成就是多方面的。 它们既是化学工业的基本原料，又在军事和化妆品方面具有重要的作用。
橡胶、医药、染料工业的重要原料
既便宜又安全的炸药
染料中间体
硝基和氨基在芳环上的作用对比
对比芳香硝基化合物和芳香胺的结构特点，硝基和氨基这两个取代基对芳环电子云密度的影响是截然相反的。
🔴 硝基 (−NO₂)
- 具有吸电子诱导效应
- 具有吸电子共轭效应
- 使苯环成为一个缺电子体系
- 芳环难以进行亲电取代反应
- 更容易进行亲核取代反应
- 是间位定位基团
🔵 氨基 (−NH₂)
- 具有吸电子诱导效应
- 具有给电子共轭效应
- 给电子共轭效应 > 吸电子诱导效应
- 使苯环变成一个富电子体系
- 有利于亲电取代反应进行
- 是邻/对位定位基团
芳香胺的制备：芳香硝基化合物的还原反应
还原反应概述
由于芳香硝基化合物相对容易制备，因此通过各类还原反应可以将芳香硝基化合物还原为芳香胺， 这也是制备苯胺衍生物的有效方法。许多还原试剂可以将芳香硝基化合物完全还原为芳香胺：
还原方法分类
金属主要使用 Zn、Fe、Sn 以及 SnCl₂。
1854年，P. J. A. Béchamp 最早研究了铁屑还原硝基苯和硝基萘的反应， 因此，此反应也称为 Béchamp 反应。
使用 In/NH₄Cl/CH₃CH₂OH 或者 In/H₂O/THF。
使用 Pd、Ni、Pt/H₂（1～4 atm）。
使用 Pd/C/HCOONH₄，在此条件下，羧基、酯基、氰基以及酰氨基均不受影响。
也可以还原溴基和碳碳双键，参见黄鸣龙反应。
Na₂S₂O₄ 可以将硝基、亚硝基、羟氨基、偶氮基还原为氨基。
使用硫化钠、氯化铵、多硫化铵。
Zinin 还原反应相对比较缓和，可使多元硝基化合物中硝基选择性地部分还原。 研究结果表明，苯环上取代基的极性对硝基还原反应速度有很大的影响，引入给电子基团会减缓反应速率， 引入吸电子基团会加速反应，间硝基苯胺的还原速率要比间二硝基苯慢1000多倍。
还原反应中间体
在酸性条件下，芳香硝基化合物主要发生单分子还原反应，此还原反应过程应该是一个阶段性反应， 因此，可以通过控制适当的还原条件，得到各种中间的还原产物。
芳香胺的氧化
氨基的氧化与苯环的氧化
芳香胺比较容易被氧化。随着氧化剂种类及反应条件的不同，氧化产物也不同。 但其氧化反应主要分为两类：氨基的氧化以及富电子苯环的氧化。
由于氮原子上的孤对电子参与了苯环 π 体系的离域，因此与脂肪胺相比，芳香胺的氧化条件要显得强一些。
一级芳香胺的氧化
二级芳香胺的氧化
在以上条件下会被氧化为芳香羟胺，它很难继续被氧化。
三级芳香胺的氧化
可以高产率地被氧化成氨氧化合物。由于没有氮原子上的孤对电子，因此，四级铵盐很难被氧化。
由于氨基的强给电子效应，苯环也很容易被氧化。因此，在各种氧化剂的作用下，苯胺可以转化为各种染料。
在重铬酸的作用下
苯胺可以被氧化为苯醌：
在盐酸和氯酸钾的作用下
苯胺可以直接被氧化为四氯苯醌（chloranil）。
聚苯胺的形成
苯胺在过硫酸铵（persulfate）作用下，可以形成导电聚合物——聚苯胺。 聚苯胺（polyaniline, PANI）是近年来研究最多的导电高分子材料之一。
芳香胺的芳香亲电取代反应
氨基的双重作用
在芳香亲电取代反应中，氨基是一类非常特殊的基团。需要从两个方面去理解氨基在芳香亲电取代中的作用：
主要亲电取代反应类型
苯胺极易发生芳香亲电取代反应，无需 Lewis 酸催化。除与碘反应生成对碘苯胺外， 氯化或溴化反应都直接生成 2,4,6-三卤苯胺，很难使反应停留在一取代的阶段。
如果需制备一氯代或一溴代苯胺，常用的一个方法是先将苯胺乙酰化，再进行卤化反应，最后水解除去乙酰基。 先酰基化后卤化的原因是乙酰基的吸电子效应能减少氮原子上孤对电子向苯环的离域， 因此，可以将卤化反应控制在一元取代。
由于氮原子具有强亲核能力以及苯环自身的芳香性，因此，在酰基化反应中， 存在着氮基酰基化和芳环酰基化的竞争反应。若氮原子上没有氢原子，三级芳香胺可以直接进行 Friedel-Crafts 酰基化反应。
而一级、二级芳香胺需要将氨基保护后再进行 Friedel-Crafts 酰基化反应。
苯胺磺化反应通常在浓硫酸或发烟硫酸中直接反应，氨基会与硫酸反应形成盐。 因此，反应需要在加热的条件下进行，主要产物为对氨基苯磺酸；若继续提高硫酸浓度， 如在发烟硫酸中反应，主要形成间位取代产物。
产物中因含有酸性和碱性两种基团，在分子内即可成盐，即内盐。因磺酸是强酸，胺是弱碱， 因此该内盐是强酸弱碱盐。
由于苯胺很容易被硝酸氧化，因此很少直接用硝酸将苯胺硝化。通用的方法是先将氨基乙酰化， 接着再硝化，反应后再将乙酰基除去。产物通常是邻硝基苯胺与对硝基苯胺的混合物。
如用90%的 HNO₃ 为硝化试剂，反应在−20℃进行，邻、对位产物的比例为 23/77； 提高反应温度，则会增加邻位硝化产物的产率；如用 HNO₃/Ac₂O 在 20℃硝化， 邻、对位产物的比例为 68/32。
1925年，A. Vilsmeier 在处理 N-甲基-N-苯基乙酰胺与 POCl₃ 反应后得到的混合物时， 发现其主要产物为 1,2-二甲基-4-氯喹啉氯化盐。
这是一个很有效地在芳环上引入甲酰基的反应，已实现了工业化生产。 在此反应中，由于氮原子孤对电子的作用，此亚胺盐是一个弱的亲电试剂， 只能与富电子体系的芳环发生芳香亲电取代反应。因此，只有羟基或氨基取代的苯环、 呋喃、吡咯、吡唑和吲哚环等才会发生此反应。
此后，将在富电子体系芳环中通过亚胺盐方式引入甲酰基的方法称为 Vilsmeier-Haack 甲酰化， 也称为 Vilsmeier 反应。
联苯胺重排和 Wallach 重排
联苯胺重排 (Benzidine Rearrangement)
氢化偶氮苯（也称为 N,N'-二芳基肼）在酸催化下可以发生重排反应，生成约 70% 的 4,4'-二氨基联苯 和 30% 的 2,4'-二氨基联苯。
氢化偶氮苯类衍生物基本上都能进行此重排反应，因此称之为联苯胺重排。 此反应除主要生成 4,4'-二氨基联苯和 2,4'-二氨基联苯外，还可以生成以下副产物：
Wallach 重排
1880年，O. A. Wallach 发现，在硫酸或其他强酸的作用下氧化偶氮苯，可以转化为对羟基取代的偶氮苯。 此重排反应称为 Wallach 重排。
通过 ¹H NMR 研究表明，在反应过程中可能形成双氮正离子体系。 此反应主要用于酚羟基取代的偶氮苯以及偶氮萘的制备。这些偶氮化合物可以用于制备肥皂、油漆以及树脂。
芳香重氮盐
重氮化反应
一级芳香胺和亚硝酸或亚硝酸盐及过量的酸在低温下可以转化为芳香重氮盐（diazonium salt）， 此转换反应也称为重氮化反应（diazotization reaction）。
芳香重氮盐比较稳定，不溶于醚，但可溶于水，其水溶液呈中性。芳香重氮盐比脂肪重氮盐稳定的原因在于， 重氮正离子可以与苯环 π 体系共振离域，分散其正电荷。
重氮盐的重要反应
Sandmeyer 反应
1884年，T. Sandmeyer 尝试利用氯化苯基重氮盐与乙炔亚铜偶联制备苯乙炔时， 却意外发现此反应的主要产物为氯苯，而不是苯乙炔。
Schiemann 反应
1927年，G. Schiemann 和 G. Balz 发现，芳香重氮盐与氟硼酸反应生成了溶解度较小的氟硼酸重氮盐， 此盐在加热或光照时会分解放出氮气并产生芳香氟化物。
这仍是至今为止在芳环上引入氟原子的最佳方法之一。
重氮盐的亲核取代、还原与偶联反应
芳香亲核取代（SN1Ar）机理
重氮盐的酸性水溶液一般很不稳定，即使保持在零度也会慢慢水解生成酚，并放出氮气。 提高酸的浓度和反应温度可以使水解迅速进行。
这是一个单分子的芳香亲核取代反应。反应分两步进行，先是重氮盐分解成苯基正离子和氮气， 苯基正离子十分活泼，则立刻和具有亲核性的水分子反应生成酚。
去氨基还原反应
重氮盐在水溶液中在还原剂的作用下能发生重氮基被氢原子取代的反应。 由于重氮基通常由氨基转化，因此该反应常称为去氨基还原反应。 最常用的还原剂有乙醇、H₃PO₂ 和 NaBH₄。
重氮盐的偶联反应
重氮盐正离子可以作为弱的亲电试剂与酚、三级芳胺等活泼的芳香化合物进行芳环上的亲电取代反应， 生成偶氮化合物，此反应称为重氮偶联反应。
Chrysoidine
Naphthol Blue Black
Congo Red
Methyl Orange
苯炔的发现、结构、制备与反应
苯炔的发现与结构
苯炔（aryne）是将芳环的两个邻位取代基去除后（剩下含两个电子的两个轨道）得到的高活性电中性中间体。 苯炔（C₆H₄，benzyne）是最简单的芳炔。苯炔是比苯少两个氢的化合物，故又称去氢苯（dehydrobenzene） 或"邻去二氢苯"。
苯炔的三种共振式，从而有一定的稳定性
苯炔中含有一个特殊的碳碳叁键。一般炔烃中碳碳叁键的碳原子是 sp 杂化的，在形成 σ 键时键角为 180°， 但这样的碳原子不可能在苯炔环中存在，因此苯炔中碳原子仍为 sp² 杂化。碳碳叁键中，有一个 π 键是由 sp² 轨道 通过侧面微弱地重叠形成的，并与苯炔环的大 π 体系相互垂直。
从图中可以看出，两个 sp² 轨道相距较远，彼此不可能重叠得很多，所以这个 π 键很弱且有张力，容易发生反应。 苯炔中碳碳叁键的振动频率约为 1846 cm⁻¹，与炔烃中碳碳叁键的 2150 cm⁻¹ 相比，为非常弱的叁键。 正是由于这个结构特点，使苯炔及其衍生物成为合成多种化合物非常有用的中间体。
苯炔的历史发现
苯炔的制备方法
受分子内重叠较差的 π 键影响，苯炔活性很高，因此通常采用原位制备的方式进行研究。 苯炔可以通过多种方法制成。
最早制备苯炔的方式为卤代苯在强碱的作用下，如氨基钠作用下，脱除邻位的氢生成苯炔。
利用邻二卤代苯制备苯炔时则不利用强碱，只能利用金属锂或镁。
但最经济、简便的方法是用邻氨基苯甲酸制成重氮盐，该重氮盐再受热分解成二氧化碳、氮气和苯炔。
以芳基三氟磺酸酯代替卤代苯在比较温和的条件下制备苯炔，是一种比较简便的方法。
苯炔的主要反应
对于烃类的碳碳叁键而言，未杂化的 p 轨道是在 σ 键上下相互平行，以达到最大限度的轨道重叠。 但在苯炔中，由于受环的限制，p 轨道被扭曲，使得此轨道重叠未达到最大。 因此，苯炔具有很高的反应活性。此外，苯炔的反应也都围绕在碳碳叁键的加成反应上。
1. 环加成反应
苯炔是一个高度活泼的亲双烯体，能与大多数 1,3-二烯类化合物发生 Diels-Alder 反应。 苯炔可与各种环状双烯体，如蒽、呋喃、吡咯进行 Diels-Alder 反应。
苯炔与蒽形成三蝶烯的 Diels-Alder 反应常用来鉴定苯炔的存在。
2. 二聚反应
苯炔原位制备后若无其他化合物参与反应，自身就能聚合成二聚体（二聚体也叫二联苯）。
3. 亲核加成反应
许多亲核试剂或基团如醇、烷氧负离子、烃基锂、氨或胺、羧酸根负离子、氰基负离子、烯醇负离子等， 都能与苯炔发生亲核加成反应。
4. 亲电加成反应
三烷基硼、卤素、卤化汞、卤化锡、卤化硅等亲电试剂易与苯炔发生亲电加成。
5. 过渡金属参与的芳炔反应
过渡金属参与的脂肪炔烃的反应在合成上展示了广阔的应用前景，但是在这方面芳炔的反应却还是很少。 其主要原因在于，金属芳炔配合物在合成上很有难度以及所需使用的金属通常都是化学计量的。
苯炔中间体机理
1928年，化学家发现，在 340℃ 和 25000 kPa 压力下，将氯苯与稀 NaOH 反应可大量制备苯酚。 20世纪50年代初，J. D. Roberts 发现，溴苯在液氨中与氨基钠（金属与氨作用）反应，很容易制得苯胺。
以上说明，即使没有吸电子基团存在，溴苯或氯苯也可以进行芳香亲核取代反应。但是，随后的继续深入研究表明， 此芳香亲核取代反应的机理既不同于 SN1Ar，也不同于 SN2Ar，更不属于 SRN1Ar 机理。
这些反应通常在强碱作用下，在无需活化的芳环上进行，而且亲核基团进入的位点并不一定是离去基团原先所占的位点。 这样的反应过程基本上属于消除-加成（elimination-addition）机理， 但通常称为苯炔中间体机理（benzyne intermediate mechanism）。
复习本章的指导提纲
基本概念和基本知识点
- 芳香硝基化合物的定义、分类、结构和互变异构体
- 重氮盐、重氮氢氧化物和重氮酸盐的定义、结构和表达式
- 苯炔的定义、结构和表达式
基本反应和重要反应机理
- 芳香硝基化合物的单分子还原和双分子还原
- 芳香亲核取代反应的定义和反应机理（SN1Ar 机理、苯炔中间体机理）
- 芳香胺的氧化反应
- 芳香胺芳环上的亲电取代反应：卤化、酰基化、磺化、硝化和 Vilsmeier 反应
- 联苯胺重排反应的定义和反应机理
- 重氮化反应的定义和反应机理
- Sandmeyer 反应和 Gattermann 反应的定义和反应机理
- 重氮盐水解反应的定义和反应机理
- Schiemann 反应的定义和反应机理
- Gomberg-Bachmann 反应的定义和反应机理
- Pschorr 反应的定义和反应机理
- 重氮盐的还原反应
- 重氮盐偶联反应的定义、条件和反应机理
- 苯炔的亲核加成、亲电加成和环加成
重要合成方法
英汉对照词汇
aniline 苯胺
aromatic amine 芳香胺
aromatic nitro compound 芳香硝基化合物
azobenzene 偶氮苯
azo compound 偶氮化合物
azo dye 偶氮类染料
azoxybenzene 氧化偶氮苯
benzidine rearrangement 联苯胺重排
benzyne 苯炔
benzyne intermediate mechanism 苯炔中间体机理
coupling reaction 偶联反应
dehydrobenzene 苯炔; 去氢苯
diazonium salt 重氮盐
diazotization reaction 重氮化反应
fluoroboric acid 氟硼酸
Gattermann reaction 加特曼反应
Gomberg-Bachmann reaction 刚伯格-巴赫反应
hydrazobenzene 氢化偶氮苯
indigo dye 靛蓝染料
mauveine 阿尼林紫
nitrobenzene 硝基苯
phenylhydrazine 苯肼
Pschorr reaction 普塑尔反应
Sandmeyer reaction 桑德迈耳反应
Schiemann reaction 席曼反应
sulfanilamide 对氨基苯磺酰胺
Vilsmeier reaction 威尔斯麦尔反应
Wallach rearrangement 瓦拉赫重排
zwitter ion 两性离子