芳香環的取代基與側鍊反應 Reaction of Substituents and Side Chains of Aromatic Rings

有機化學的基礎360

1.        就像經由福瑞德－克萊福特的醯化作用引介到芳香環上的醯基，可以再轉換成烷基，其他經由親電性芳香取代反應引介到芳香環的取代基，也可以轉換成各種不同的官能基。

Beethoven Triple Concerto C major, Kurt Masur LPO

硝基還原成一級胺 Reduction of Nitro Groups to Primary Amines

2.        硝基苯與酸反應，在錫或鋅等還原金屬催化下，能夠將苯上的硝基－NO2轉換成胺基－NH2，接著反應再添加的碳酸氫鈉NaHCO3，中和第一步驟的酸。這二步驟的系列反應使硝基苯變成苯胺。

3.        就替苯環加掛胺基的反應來說，「苯先進行硝化反應，再接著進行還原反應」，比「溴苯加入胺基鈉變成苯炔，苯炔中間產物再與氨反應」的方法好。

重氮化 Diazotization

4.        將苯胺與亞硝酸HNO2反應製造出重氮鹽diazonium salt，這個反應稱為重氮化diazotization。

5.        重氮鹽是十分重要的合成中間產物，重氮鹽進行耦合反應會形成偶氮染料，也能進行取代反應改變芳香環上的取代基。

6.        重氮耦合Diazo Coupling。苯胺是製造偶氮染料的原料之一。苯胺重氮化之後製造出來的重氮鹽陽離子是活性的親電性試劑，能夠攻擊富含電子的芳香環。

7.        舉例來說，氯化重氮苯benzenediazonium chloride 與二甲基苯胺N,N-dimethylaniline取代基對面的位置進行反應，產生對-偶氮苯 p-(dimethylamino) azobenezene，這是一種亮黃色固體，曾經用來為人造奶油染色。

8.        偶氮化合物有鮮明的顏色，因為二個芳香環之間連接的－N＝N－，－N＝N－上的π系統與芳香環上的π系統共軛，因此能夠強力吸收可見光。這二個苯環可裝上各種取代基，因此偶氮化合物可製備出各種顏色。偶氮染料是最早合成用來染羊毛與棉花的染色劑之一。

重氮取代反應：官能基的轉換（桑德麥爾反應）Diazo Substitution：Functional Group Conversion（Sandmeyer Reaction）

9.        芳基重氮分子的官能基可轉換成其他的官能基原子團，因此科學家利用重氮取代反應，將偶氮與芳香環結合，然後再轉換成其他的原子團，這個反應可以解決某些原子團無法直接與芳香化合物結合的問題。

10.     Nitriles腈。氯化重氮苯與氰化物Cu2(C≡N)2和KC≡N在50℃反應產生苯甲腈benzonitrile：

11.     這個反應是1884年Traugott Sandmeyer發現的，因此稱為桑德麥爾反應Sandmeyer Reaction。這個反應機制目前還不十分清楚，不過有一些證據顯示氯化重氮苯失去氮原子之後形成一個苯基碳陽離子中間產物。這類的反應可能也有自由基中間產物。

12.     鹵素Halides。如同上述重氮鹽與氰離子的桑德麥爾反應，芳基重氮鹽類與Cu2Cl2、Cu2Br2、或KI反應會產生苯基氯化物、苯基溴化物或苯基碘化物：

13.     芳基重氮鹽類與KI反應製造碘化物的方法十分重要，因為其他的方法不太容易成功，在I2與FeI3與苯的反應中，平衡位置有利於往初始物質（反應物）移動，所以不太容易產生苯基碘。

14.     加熱「苯基重氮四氟硼酸鹽aryl diazonium tetrafluoroborate」就能製造出苯基氟化物，將苯胺與NaNO2和氟硼酸HBF4反應，就能製造出苯基重氮四氟硼酸鹽：

15.     酚Phenols。在100℃下重氮鹽類與水反應會產生酚，這是重要的製備酚的方法。這個反應必須在酸存在下進行，這樣可以避免產物酚回頭與初始反應物重氮鹽類起反應。這種製備酚的方法比用溴苯與NaOH反應製備酚的方法更好。

16.     重氮鹽類的重氮原子團被氫原子取代 Replacement by Hydrogen。當重氮鹽類與次磷酸H3PO2反應，重氮原子團能夠被氫原子取代：

17.     這個反應乍看之下沒有什麼價值，我們為什麼要將一個氮原子團引介到苯分子身上，然後再將它還原成胺，接著轉換成重氮鹽類，然後將氮原子移除，恢復成一開始的反應物苯？接下來我們將會討論將氮取代成氫在合成反應中的價值。

碳側鍊的氧化反應Oxidation of Carbon Side Chains

1.     芳香環側鍊的氧化反應是一種改變芳香化合物官能基的方法。芳香環的烷基在熱的過錳酸鉀KMnO4溶液中會造成側鍊被氧化斷裂，變成羧基carboxylic acid group；不論側鍊是長是短或有沒有分岔，芳香環的烷基在熱的過錳酸鉀KMnO4中，側鍊都會被氧化成羧基。

2.     舉例來說，對二甲基苯p-dimethylbenezene的烷基被熱的過錳酸鉀弄段，變成對苯二酸diacid terephthalic acid：

3.     因此我們知道各種苯酸的製備方法是，將苯進行福瑞德－克萊福特烷化或醯化後，再繼續氧化連接在苯上的側鍊。

芳基側鍊的反應 Reactions of Aryl Chains

1.     芳基會影響側鍊官能基原子團的反應度。舉例來說，芳香化合物親電性取代反應製造出來的烷基苯，烷基與苯連接的碳氫原子團變得比較容易起反應。

2.     舉例來說，芳香化合物經由親電性取代反應接上的烷基鍊，烷基鍊與苯連接的位置，能夠進行自由基溴化反應：

3.     這個反應顯示，烷基鍊上與芳香環連接的C－H鍵在區域選擇性上特別容易與溴起反應，這是因為苯能夠強化與它連接的碳自由基的穩定度。反應後的產物，再加入強鹼，就能進行脫溴化氫反應。

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》