大量实验事实表明,当一些基团处于苯环上时,苯环的亲电取代反应会变得容易进行,同时使再进入的基团将连接在它的邻位或对位。例如,当苯环上已存在一个甲基时(即甲苯),它的卤化、硝化和磺化等反应,反应温度均远低于苯,且新基团的导入均进入苯环上甲基的邻或对位:
甲基的这种作用称为定位效应。在这里甲基是一个邻、对位指向基,具有活化苯环的作用,称为活化基。类似的活化基团还有许多,它们也被称为第一类取代基,并按活化能力由大到小的顺序排列如下:
-NH2,-NHR,-NR2,-OH>-NHCOR,-OR,>-R,-Ph>-X
处于这一顺序最末的卤素是个特例。它一方面是邻、对位指向基,另一方面又是使苯环致钝的基团,这是由于卤素的电负性远大于碳,因此其吸电子效应已超过了本身的供电子能力,这就使环上的电子云密度比卤素进入前有所降低,因而使亲电试剂的进攻显得不力。此称为钝化作用。
还有许多比卤素致钝力更强,而且使再进基团进入间位的取代基,它们被称为间位指示基或第二类取代基,按其致钝能力由大到小的顺序排列如下:
-NR3+,-NO2,-CF3,-CCl3>-CN,-SO3H,-CH=O,-COR,-COOH,-COOR
常见的取代基的定位作用见表
邻对位定位基 |
|
间位定位基 |
活化苯环 |
钝化苯环 |
|
-NR2 -NR2 -NHR -NH2 -OH -OCH3 -NHCOR -CH3 -C2H5 -CH(CH3)2 -C(CH3)2 -Ar (-H) |
(-H) (-H) -CH2Cl -CH2Cl -F -Cl -Br -I |
-NO2 -CN -SO3H -CHO -COCH3 -COOH -COOR -CONH2 |
由于取代基的指向和活化或钝化作用,在合成一个指定化合物时,采取哪种路线就必须事先作全面考虑。如:欲合成下列化合物时,显然b-路线是合理的。
如果以苯为原料,欲合成对-硝基苯甲酸(此物质在后面章节将学到)时,则应该先对苯进行甲基化后再进行硝化,最后将甲基氧化:
3.例题精讲
例1、A、B、C三种物质分子式为C7H8O,若滴入FeCl3溶液,只有C呈紫色;若投入金属钠,只有B没有变化。在A、B中分别加入溴水,溴水不褪色。
(1)写出A、B、C的结构简式:A_________,B_________,C_________
(2)C的另外两种同分异构体的结构简式是:①_________,②_________
解析:利用性质推断有机物结构式。从分子式C7H8O看,应属含一个苯环的化合物,可能为酚,芳香醇或芳香醚。滴入FeCl3溶液,C呈紫色,C应为甲基苯酚;投入金属钠,B没有变化,C应为苯甲醚;在A、B中加入溴水,溴水不褪色,说明A为苯甲醇。
例2、怎样除去苯中混有的苯酚?
解析:在溶液中加入溴水,再过滤除去生成的三溴苯酚即可。
事实上,三溴苯酚为白色不溶于水的沉淀,却溶于有机物苯中,根本不能过滤出来。正确的解法:在溶液中加NaOH溶液,再分液。
例3、摄影胶卷上涂布的感光材料主要是AgBr。在照相时按动快门一瞬间,进入相机的光使AgBr发生了分解反应2AgBr2Ag+Br2。由于进光量极少,分解出的Ag极少,所以必须通过化学方法进行显影才能看到底片上的影像。对苯二酚是一种常用的显影剂,在显影时发生了如下变化:
(1)曝光时所产生的微量Ag在显影过程中_________。
(A)是氧化剂 (B)是还原剂
(C)起催化剂的作用 (D)不起什么作用
(2)显影液中如果只溶有对苯二酚,显影速度则非常缓慢。为提高显影速度,可加入_________。
(A)Na2SO4 (B)Na2SO3 (C)Na2CO3 (D)Na2S2O3
(3)溶于显影液中的氧气能与对苯二酚反应,最终生成棕褐色的污斑,影响底片的质量。
为避免形成污斑,可向显影液中加入_________。
(A)Na2SO4 (B)Na2SO3 (C)Na2CO3 (D)Na2S2O3
解析 :(1)Ag不是反应物,它不可能是氧化剂或还原剂。如果微量Ag不起作用,显影后的底片就会漆黑一片。曝光时产生的微量Ag能催化反应③,因底片各处的曝光程度不同,分解出的Ag的量也不同,催化作用就有强弱之别,这样才能使底片上出现黑白有致的影像。
(2)由苯酚的弱酸性可联想到对苯二酚也是弱酸,加碱(Na2CO3)可促其电离,增大 的浓度,提高显影速度。
(3)可加入还原性比对苯二酚更强的物质,以消耗显影液中的O2。Na2SO3和Na2S2O3虽都有还原性,但后者能与AgBr发生配合反应(是定影剂),应选(B)。
例4、下列物质久置于空气中,颜色发生变化的是 ( )
A. B.苯酚 C. D.CaO
解析:这四种物质在空气中都易变质。
(黄) (白)
苯酚在空气中被氧化成粉红色物质。
答案:B、C
例5、A和B两种物质的分子式都是C7H8O,它们都能跟金属钠反应放出H2。A不与NaOH溶液反应,而B能与NaOH溶液反应。B能使适量的溴水褪色,并产生白色沉淀,A不能。B的一溴化物(C7H7BrO),有两种结构。试推断A和B的结构。并说明它们各属于哪一类有机物。
解析:本题重点考查酚和醇的结构及性质的区别。由题意:
①由于A、B都能与金属钠反应放出H2,且这两种物质分子中都只含有一个氧原子,所以它们的结构中有羟基,即它们是酚或醇。
②A不与NaOH溶液反应,说明A为醇,分子式可写为C7H7OH。B能与NaOH溶液反应,说明B为酚,分子中必含有苯环,分子式可写为:(CH3)C6H4(OH)。
③从A的分子组成看,具有极大饱和性但A不能使溴水褪色,说明分子中不含有不饱和链烃基,应该含有苯环,即A是芳香醇分子式写为:C6H5CH2OH苯甲醇。
B能使溴水褪色并生成白色沉淀,这是酚具有的特性,证明它是酚类,是甲基苯酚。
④甲苯酚有邻、间、对三种同分异构体。但只有对-甲苯酚的一溴代物含有两种结构:
答案:A是苯甲醇,结构简式为: (醇类)B是对-甲苯酚,结构简式为:
例6、A、B、C三种物质的分子式都是。若滴入溶液,只有C呈现紫色;若投入金属钠,只有B无变化。
(1)写出A、B、C的结构简式。
(2)C有多种同分异构体,若其一溴代物最多有两种,C的这种同分异构体的结构简式为:_________。
解析:C能遇水溶液变紫色,说明属于分类,应为:
C与Na能反应,A与Na也反应,说明A中也有羟基且羟基不能与苯环直接相连,则为醇类: 。B中无羟基,但与醇A、酚C又是同分异构体,可以属于醚类:
答案(A). B. (2)
例7、漆酚是生漆的主要成分,黄色,能溶于有机溶剂中。生漆涂在物体表面,能在空气中干燥转变为黑色漆膜,它不具有的化学性质为( )
A.可以燃烧,当氧气充分时,产物为CO2和H2O
B.与FeCl3溶液发生显色反应
C.能发生取代反应和加成反应
D.不能被酸性KMnO4溶液氧化
解析:结构决定性质。从漆酚的结构式看,它具有苯酚和二烯烃或炔烃(-C15H27)的性质。作为含氧衍生物,可以燃烧生成CO2和H2O;作为酚,与FeCl3溶液发生显色反应;作为苯酚和不饱和烃,能发生加成和取代反应,也能被酸性KMnO4溶液氧化,只有D不对。
答案:D
例8、丁香油酚的结构简式是: 该物质不具有的化学性质是 ( )
①可以燃烧 ②可以跟溴加成 ③可以被酸性溶液氧化 ④可以与溶液反应 ⑤可以跟NaOH溶液反应 ⑥可以在碱性条件下水解
A.①③ B.③⑥ C.④⑤ D.④⑥
解析:丁香油酚是一种含多种官能团的复杂有机物。分子中含有C、H元素,可以燃烧;含碳碳双键,可以发生与溴的加成反应,也可以被酸性溶液氧化;苯环碳上连有羟基,属酚类,显极弱酸性,可与NaOH溶液反应,但不能与溶液反应;分子中不存在“-X为Cl、Br、I”等能发生水解的官能团,故不能水解。
答案:D