苯

|colspan=2 align="center" bgcolor="#ffffff" |! style="background:#d6e0dc; text-align: center;" colspan="2" | 識別! style="background:#d6e0dc; text-align: center;" colspan="2" | 性質! style="background:#d6e0dc; text-align: center;" colspan="2" | 熱力學! style="background:#d6e0dc; text-align: center;" colspan="2" | 危險性! style="background:#d6e0dc; text-align: center;" colspan="2" | 相關物質苯是最簡單的芳香烴，難溶於水，易溶於有機溶劑，本身也可作有機溶劑。苯是石油化工基本原料，其產量和生產的技術-{zh-tw:水準; zh-hant:水平;zh-hans:水平}-是國家石油化工發展-{zh-tw:水準; zh-hant:水平;zh-hans:水平}-的標誌。苯的環系叫苯環，是最簡單的芳香環。苯分子去掉一粒氫後的結構叫苯基，用Ph表示；因此苯也可表示為PhH。發現.苯最早在18世紀初研究將煤氣作為照明用氣時合成出來。一般認為苯是由麥可·法拉第在1825年發現。他從魚油等類似物質的熱裂解產品中分離出了純度甚高的苯，稱之為“氫的重碳化物”。並且測定了苯的一些物理性質和其化學組成，闡述了苯分子的碳氫比。1833年，確定了苯分子中6碳和6氫原子的經驗式，即現在所謂“凱庫勒式”，據稱他夢到一條蛇咬住了自己的尾巴才受到啟發想出。他解釋稱環中雙鍵位置不固定，可迅速移動，所以6粒碳等價。他透過對苯的一氯代物、二氯代物種類的研究，發現苯是環形結構，每粒碳連線一粒氫。也有說法指出，把苯分子結構畫成六角形環狀最早是法國化學家奧古斯特·勞倫1854年在《化學方法》一書中提出。但是出於某種原因，凱庫勒在論文沒有提及勞倫的成果。也有人提出了其他設想：比如詹姆斯·杜瓦就歸納出不同結構，以其命名的杜瓦苯現已證實是與苯不同的另一種物質，可由苯經光照得到。1845年德國化學家霍夫曼從煤焦油的輕餾分中發現了苯，其學生查爾斯·曼斯菲爾德隨後加工提純了苯。後來他又發明了結晶法精製苯。他還研究工業用途，開創了苯的加工利用途徑。大約從1865年起開始工業生產。最初是從煤焦油中回收。隨著它用途增多，產量不斷上升，到1930年已經成為世界十大噸位產品之一。結構.苯的苯環結構給它特殊的芳香性。苯環是最簡單的芳環，由六粒碳原子構成六元環，每粒碳原子接一組基團，苯的6組基團都是氫原子。苯不是單、雙鍵交替排列的輪烯，原子間成鍵並不是不連續的單雙鍵交替，而是給離域π電子雲覆蓋。苯分子是平面分子，12粒原子處於同一平面，6粒碳和6粒氫均等，碳－氫鍵長1.08Å，碳－碳鍵長1.40Å，此數值介於單雙鍵長之間。分子所有鍵角均為120°，說明碳原子都採取sp2雜化。這樣每粒碳原子還剩餘一條p軌道垂直於分子平面，每條軌道有一粒電子。於是6條軌道重疊形成離域大Π鍵，有下圖所示的共振式，現在認為這是苯環非常穩定的原因，也直接使苯環有芳香性。從分子軌道理論來看，可以認為苯的6條"p"軌道相互作用形成6條π分子軌道，其中ψ1、ψ2、ψ3是能量較低的成鍵軌道，ψ4、ψ5、ψ6是能量較高的反鍵軌道。ψ2、ψ3和ψ4、ψ5是兩對簡併軌道。基態時苯的電子雲分佈是三個成鍵軌道疊加的結果，故電子雲均勻分佈於苯環上下及環原子上，形成閉合的電子雲。它是苯分子在磁場中產生環電流的根源。物理性質.苯的沸點80.1℃，熔點5.5℃，在常溫無色，透明，有芳香氣味，易揮發。苯比水密度低，密度為每毫升0.88克，但其分子質量比水高。苯難溶於水，1升水最多溶解1.8克苯；但苯是良好的有機溶劑，溶解有機分子和一些非極性無機分子的能力很強。苯能與水恆沸，沸點69.25℃，含苯91.2％，在有水生成的反應中常加苯蒸餾，以將水餾出。10～1500毫米汞間的飽和蒸氣壓可以根據安託萬方程計算：formula_1P單位為mmHg，t單位為℃，A＝6.91210，B＝1214.645，C＝221.205。化學性質.苯可參與的化學反應大致有3種：其他基團和苯環的氫原子間發生取代反應；加成到碳＝碳鍵；苯環斷裂。取代反應.鹵素、硝基、磺酸基、烴基等可在一定條件下取代苯環的氫原子，生成相應衍生物。取代基不同以及氫原子位置、數量不同，可以生成不同數量和結構的同分異構體。苯環電子雲密度甚大，在苯環的取代反應大都是親電取代反應。親電取代反應是芳環的代表反應。苯的取代物在親電取代時，第二取代基的位置與原先取代基的種類有關。滷代反應.苯的滷代反應通式可以寫成：反應中，鹵素分子在苯和催化劑共同作用下異裂，X+進攻苯環，X-與催化劑結合。以溴為例：反應要加入鐵粉，鐵與溴作用先生成三溴化鐵。formula_2formula_3反應機理為：在工業，滷代苯中以氯和溴的取代物最重要。硝化反應.苯和硝酸經濃硫酸催化可生成硝基苯：硝化反應是強烈放熱反應，很易生成一取代物，但下步反應較慢。磺化反應.濃硫酸或者發煙硫酸在甚高溫可將苯磺化成苯磺酸。磺化是可逆反應，苯磺酸加熱與稀硫酸或鹽酸反應，可失去磺基，生成苯。合成時可以先磺化以保護芳核的某位置。苯環引入磺酸基後反應能力下降，不易繼續磺化，需要更高溫才能引入第二、第三組磺酸基。這說明硝基、磺酸基都是鈍化基團，即妨礙再次親電取代的基團。傅－克反應.三氯化鋁催化，苯和醇、烯烴和鹵代烴反應，烷基取代苯環的氫原子生成烷基苯。這反應稱為烷基化反應。例如與乙烯烷基化生成乙苯：formula_4反應過程中，烴基可能會重排：如1-氯丙烷與苯反應生成異丙苯，自由基總是趨向穩定的構型。強路易斯酸催化下，苯與醯氯或者羧酸酐反應，醯基取代苯環的氫原子生成醯基苯。反應條件類似烷基化反應。加成反應.苯環雖然很穩定，但其雙鍵有一定條件也能加成反應。通常用蘭尼鎳／鈀／鉑催化加氫，生成環己烷。此外由苯生成六氯環己烷的反應可以在紫外線照射的條件下，由苯和氯氣加成而得。氧化反應.苯和其他烴一樣都能燃。氧氣充足時，產物為二氧化碳和水。formula_5臭氧在特定情況也可氧化苯，生成乙二醛。這反應可以看作是苯的離域電子定域後生成的環狀多烯烴發生的臭氧化反應。但在一般條件下，強氧化劑不能氧化苯。但是在氧化鉬、五氧化二釩等催化劑存在下，與空氣中的氧在500℃反應，苯可選擇性氧化成順丁烯二酸酐。這是屈指可數的幾種能破壞苯的六元碳環系的反應之一。（馬來酸酐是五元雜環。)formula_6這是強放熱反應。其他反應.苯在高溫下，用鐵、銅、鎳做催化劑，可以發生縮合反應生成聯苯。和甲醛及次氯酸在氯化鋅存在下可生成氯甲基苯。和乙基鈉等烷基金屬化物反應可生成苯基金屬化物。在四氫呋喃中氯苯或溴苯和鎂反應可生成苯基格林尼亞試劑。苯環的親電取代定位效應.第一類鄰、對位定位基.鄰、對位定位基亦稱為"o"，除了鹵素以外都可活化苯環，有利親電取代反應。第二類間位定位基.間位定位基亦稱為"m"，並鈍化苯環，不利親電取代反應。製備.苯可以由含碳量高的物質不完全燃燒獲得。自然界中，火山爆發和森林火災都能生成苯。香菸的煙也有苯。直至二戰，苯還是一種鋼鐵工業焦化過程中的副產物。這種方法只能從1噸煤中提取出1千克苯。1950年代後，隨著工業，尤其是日益發展的塑膠工業對苯的需求增多，由石油生產苯的過程應運而生。現在全球大部分的苯石油化工。工業上生產苯最重要的三種過程是催化重整、甲苯加氫脫烷基化和蒸汽裂化。從煤焦油中提取.在煤煉焦過程中生成的輕焦油含有大量的苯。這是最初生產苯的方法。將生成的煤焦油和煤氣一起透過洗滌和吸收裝置，用高沸點的煤焦油作為洗滌和吸收劑回收煤氣中的煤焦油，蒸餾後得到粗苯和其他高沸點餾分。粗苯經過精製可得到工業級苯。這種方法得到的苯純度比較低，而且環境汙染嚴重，工藝比較落後。從石油中提取.原油中含有少量的苯，從石油產品中提取苯是最廣泛使用的製備方法。催化重整.重整這裡指使脂肪烴成環、脫氫形成芳香烴的過程。這是從第二次世界大戰期間發展形成的工藝。在500至525 ℃、8至50大氣壓下，各種沸點在60至200℃之間的脂肪烴，經鉑-錸催化劑，透過脫氫、環化轉化為苯和其他芳香烴。從混合物中萃取出芳香烴產物後，再經蒸餾即分出苯。也可以將這些餾分用作汽油。蒸汽裂解.蒸汽裂解是由乙烷、丙烷或丁烷等低分子烷烴以及石腦油、重柴油等石油組份生產烯烴的一種過程。其副產物之一裂解汽油富含苯，可以分餾出苯及其他各種成分。裂解汽油也可與其他烴類混合作為汽油新增劑。裂解汽油大約有40至60%苯，同時還含有二烯烴以及苯乙烯等其他不飽和組份，這些雜質在貯存過程中易進一步反應生成高分子膠質。所以要先經過加氫處理過程來除去裂解汽油中的這些雜質和硫化物，然後再適當地分離得到苯產品。芳烴分離.從不同方法得到的含苯餾分，組分非常複雜，用普通的分離方法很難見效，一般用溶劑液－液萃取或者萃取蒸餾的方法分離芳烴，然後再採用一般的分離方法分離苯、甲苯、二甲苯。根據採用的溶劑和技術的不同又有多種分離方法。甲苯脫烷基化.甲苯脫烷基製備苯，可以採用催化加氫脫烷基化，或是不用催化劑的熱脫烷基。原料可以用甲苯、及其和二甲苯的混合物，或者含有苯及其他烷基芳烴和非芳烴的餾分。甲苯催化加氫脫烷基化.用鉻、鉬或氧化鉑等作催化劑，500至600℃高溫和400至600大氣壓，甲苯與氫氣混合可以生成苯，過程稱為加氫脫烷基化作用。如果溫度更高，則可以省去催化劑。按照以下方程式反應：formula_7根據所用催化劑和工藝條件的不同又有多種工藝方法：甲苯熱脫烷基.甲苯在高溫氫氣流中可不催化就脫烷基生成苯。反應為放熱反應，針對遇到的不同問題，開發出了多種工藝過程。甲苯歧化和烷基轉移.二甲苯用量上升，在1960年代末相繼開發出可以同時增產二甲苯的甲苯歧化和烷基轉移技術，主要反應為：這反應可逆，工藝過程因催化劑、工藝條件、原料而異。其他方法.此外，苯還可以透過乙炔三聚得到，但產率很低。具體的做法是，將乙炔透過高溫石英管。反應方程式如下：formula_8此反應實則為狄爾斯－阿爾德反應。分析測試方法.氣相色譜和液相色譜可以檢測各種產品的苯含量。苯的純度一般用冰點法測定。檢測空氣中的微量苯，可以用甲基矽油等易揮發有機溶劑或者低分子量聚合物吸收，然後用色譜分析；或者採用比色法分析；也可以將含有苯的空氣深度冷凍，將苯冷凍下來，然後把硫酸鐵和過氧化氫溶液加入得到黃褐色或黑色沉澱，再用硝酸溶解，然後用比色法分析。或者直接用硝酸吸收空氣中的苯，硝化成間二硝基苯，然後用二氯化鈦溶液滴定，或者用間二甲苯配製的丁酮鹼溶液比色定量。安全.有毒.苯易揮發，暴露於空氣中很易擴散。人和動物吸入或皮膚接觸大量苯進入體內，會引起急性和慢性苯中毒。有研究報告表明，引起苯中毒的部分原因是苯在體內轉化為苯酚。苯會麻痺中樞神經系統，引起急性中毒。重者會出現頭痛、噁心、嘔吐、神志模糊、知覺喪失、昏迷、抽搐等症狀，嚴重者會因中樞系統麻痺而死亡。少量苯也能使人產生睡意、頭昏、心率加快、頭痛、顫抖、意識混亂、神志不清等現象。攝入含苯過多的食物會引起嘔吐、胃痛、頭昏、失眠、抽搐、心率加快等症狀，甚至死亡。吸入20000ppm的苯蒸氣5至10分鐘便會有致命危險。長期接觸苯會對血液造成極大傷害，引起慢性中毒，引起神經衰弱綜合症。苯可以損害骨髓，使紅血球、白細胞、血小板數量減少，並使染色體畸變，從而導致白血病，甚至出現再生障礙性貧血。苯可以導致大量出血，從而抑制免疫系統的功用，使疾病有機可乘。有研究報告指出，苯在體內的潛伏期可長達12至15年。婦女吸入過量苯後，會導致月經不調達數月，卵巢會縮小。苯對胎兒發育和對男性生殖力的影響尚未明瞭。孕期動物吸入苯後，會導致幼體的重量不足、骨骼延遲發育、骨髓損害。苯對皮膚、粘膜有刺激作用。國際癌症研究中心已經確認苯為致癌物。接觸限值：毒性：當然，每個人的健康狀況和接觸條件不同，對苯的敏感程度也不相同。嗅出苯的氣味時，它的濃度大概是1.5ppm，這時就應該警惕中毒的危險。檢查時，尿和血液可以很易查出苯的中毒程度。代謝.苯主要經呼吸道吸入。環氧苯與它的重排產物氧雜環庚三烯存在平衡，是苯代謝過程中產生的有毒中間體。接下來有三種代謝途徑：與谷胱甘肽結合生成苯巰基尿酸；繼續代謝為苯酚、鄰苯二酚、對苯二酚、偏苯三酚、鄰苯醌、對苯醌等，以葡萄糖苷酸或硫酸鹽結合物形式排出；以及氧化為已二烯二酸。可燃.苯可在空氣中燃燒，一般都定為危險品。例如在中華人民共和國國家標準《危險貨物品名錶》中，苯屬第三類危險貨物易燃液體中的中閃點液體。而且它甚易揮發，可能造成蒸氣區域性聚集，貯存、運輸時一般都要求遠離火源和熱源，防止靜電。苯的冰點頗高，在寒冷天氣中運輸會有困難，但是加熱熔化會有危險。工業用途.早在1920年代，苯就已是工業常用的溶劑，主要用於金屬脫脂。苯有毒，人體能直接接觸溶劑的生產過程現已不用苯作溶劑。苯有減輕爆震的作用而能作為汽油新增劑。在1950年代四乙基鉛開始使用以前，所有抗爆劑都是苯。然而現在含鉛汽油淡出，苯又重新起用。苯對人體有不利影響，對地下水質也有汙染，歐美國家限定汽油中苯的含量不得超過1%。2011年，美國國家環境保護局再次收緊限制，汽油的苯含量上限降至0.62%。苯在工業上最重要的用途是做化工原料。苯可以合成一系列苯的衍生物：此外還可以用來合成氫醌，蒽醌等化工產品。食品中的含量.在若干軟性飲品，如部份汽水、果汁飲品、果汁味飲品、葡萄適中，苯甲酸鹽類防腐劑，經二手菸吸入的苯也有63μg。2008年，可口可樂公司宣佈，將逐漸在其飲料中禁用苯甲酸鈉。苯的衍生物.下面是一些苯的著名取代物或與苯結構相似的物質。