高等有机第六章芳环上的亲电和亲核取代反应

第六章芳环上的亲电和亲核取代反应

芳环上的取代反应与饱和碳原子上的取代反应相似，有亲电取代、亲核取代和自由基取代反应。随反应物和试剂等条件的不同，将发生不同类型的取代反应。在脂肪族碳原子上的取代反应主要为亲核取代反应，而在芳香族主要为亲电取代反应，这是由于芳香环上具有较高的电子云密度，进攻试剂为正离子或偶极及诱导偶极的正的一端，而离去的原子团不带成键电子对。强吸电子基团取代的芳香化合物在一定条件下也可以进行亲核取代反应。在亲核取代反应中，进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的原子或基团，离去基团以弱碱负离子或分子的形式离去，其实用价值不如亲电取代反应。

实验已经证实芳正离子的存在：m.p:-15℃6.1亲电取代反应一、苯环的亲电取代反应历程（加成-消除反应历程）

苯及同系物的亲电取代历程，可用通式表示如下：硝化反应历程卤代反应历程磺化反应历程烷基化反应历程二、苯环上亲电取代反应的定位规律

1．两类定位基

问题的提出——定位效应——一元取代苯再亲电取代，新的取代基可进入原取代基（定位基）的邻、间、对位，生成三种异构体。若定位基对取代反应进攻位置无影响，则邻、间位异构体应各占40%，对位应占20%。——(1)甲苯硝化时，NO2+主要进攻甲基的邻、对位，且比苯容易；(2)硝基苯再硝化时，NO2+主要进攻硝基的间位，且比苯困难。——结论：原有取代基对新引入的基团：(1)进入苯环的位置有指定作用；(2)影响苯环的活性。取代基的这种作用称为定位效应(orientationeffect)。定位规律(orientationrule)定位基的定位效应、与苯相比的反应活性以及影响亲电取代的其它因素（如立体效应）的总称。

邻对位定位基(第一类)间位定位基(第二类)强烈活化:‐O‐,‐NR2,‐NHR,‐NH2,‐OH中等活性:

‐OR,‐NHCOR,‐OCOR较弱活化：‐Ph,‐R较弱钝化：‐F,‐Cl,‐Br,‐I,‐CH2Cl强烈钝化：‐+NR3，‐+NH3，‐NO2，‐CF3，‐CCl3中等钝化：‐CN,‐SO3H,‐CHO,‐COR，‐COOH,‐CONH2（1）第一类定位基—邻对位定位基

——使新引入的取代基主要进入它的邻、对位（邻位和对位异构体之和大于60%）；——除卤素、氯甲基外，一般使苯环活化。这类定位基与苯环直接相连接的碳原子上，一般只具有单键(有未共用电子对)或带负电荷。（2）第二类定位基—间位定位基

——使新引入的取代基主要进入它的间位（间位异构体大于40%）；——使苯环钝化。这类定位基与苯环相连接的碳原子上一般具有重键(电负性较大)或带正电荷。1）表现-I及+C效应的基团(1)+C效应>-I效应的基团:这类基团包括-OR，-OH，-NR22.苯环上不同取代基的电子效应(2)–I>+C效应的基团,典型例子为-F，-Cl，-Br，-I等2)表现+C及+I效应的基团:苯氧负离子的氧带负电荷，它有供电子的+I效应，同时其未共享电子对和苯环共轭，电子云向苯环转移（+C效应）。3)表现+I效应的基团:甲基、乙基、异丙基和叔丁基等烷基，致活作用的顺序一般服从超共轭效应。即CH3>CH3CH2>(CH3)2CH>(CH3)3C。4)

表现-I效应的原子团，典型例子：-N+R3

，P+R3，

As+R3，CCl3，N+H3等强吸电子基团。5)表现-I与-C效应的原子团，包括NO2，CN，SO3H，CHO，COR，COOH，COOR，CONH2

等吸电子基团。三、定位规律的理论解释

亲电取代反应的定位规律可从反应物的电子效应和－络合物的稳定性两方面去解释。对苯环来说，环上电子云密度是平均分布。但当引入一个取代基后，由于取代基的影响(供电子或吸电子)，会使苯环上电子云密度分布发生变化。由于苯环共轭链的传递作用，一般使电子云密度出现交替分布的现象。结果造成苯环各位置上发生亲电取代反应的难易程度不同。

1.邻、对位取代基对苯环的影响，以甲苯、苯酚和氯苯为例。

(1)甲苯在甲苯中，无论从诱导效应还是共轭效应，甲基都表现为供电子性，使苯环上电子云密度增加，更有利于亲电试剂的进攻。所以说，甲基使苯环活化。

在共轭体系中，电子云的传递是交替极化，即使甲基的邻位和对位上电子云密度增加的更多些，量子化学计算,甲苯中各碳上电子云密度分布如图。所以亲电试剂主要进攻邻位和对位。从反应历程和－络合物的稳定性看：由反应历程看，－络合物越稳定，反应的活化能越小，越容易反应。当亲电试剂进攻甲苯时，可能形成三种－络合物。可以看出，当亲电试剂进攻邻、对位时，甲基与带部分正电荷的碳相连，使正电荷得到分散，这两种络合物就较稳定，而进攻间位时，正电荷得不到分散，就不稳定。络合物越稳定，过渡态就也稳定，活化能就越低。(2)苯酚

诱导效应使芳环电子云密度降低，用“－I”表示。共轭效应使芳环电子云密度增加，用“＋C”表示。但在苯酚中，︱+C︱>>︱-I︱，所以总的结果使苯环电子云密度增加。与甲苯相似。由于P－＞－，所以，羟基的供电性大于甲基的供电性。苯酚比甲苯更容易进行亲电取代反应。与苯酚相似的还有：(3)氯苯

在氯苯中，具有与苯酚相似的情况。即共轭与诱导效应方向相反。但不同的是，在氯苯中，︱+C︱＜︱-I︱，总的结果是苯环上电子云密度降低。因此，氯苯比苯难进行亲电取代反应。如氯苯硝化比苯慢33倍。但由于共轭效应使苯环的邻、对位电子云密度增加，所以总的结果使苯环邻、对位电子云密度下降的较少。亲电试剂主要进攻电子云密度较高的邻、对位。所以，氯苯是钝化芳环，邻、对位定位基。与氯苯相似的还有氟苯、溴苯、碘苯。2.间位定位基对苯环的影响以硝基苯为例：由于N、O的电负性大于碳，诱导效应使芳环上电子云密度降低，用“－I”表示。从共轭效应看，硝基有一个键，当它与苯环相连时，就与苯环的大键发生－共轭，形成大共轭体系。在这个大共轭体系中，由于氧的电负性较大，使共轭体系中电子云向氧一边偏移，表现为吸电子性。用“－C”表示。总的结果是：诱导和共轭方向一致，都使苯环电子云密度降低。亲电取代比苯更难。与硝基苯相似的还有苯磺酸、苯甲酸、苯甲腈等。四、二取代苯的定位规律

当苯环上已有两个取代基时，第三个取代基的位置由原来两个取代基共同决定。根据定位是否一致，又分为两种情况:1.两个取代基定位效应一致，进入共同决定的位置。2.两个取代基定位效应不一致时，又分为两种情况：(1)两个取代基属于同类第三个取代基进入的位置主要由定位能力强的决定。(2)两个定位基不同类，邻、对位定位基定位能力强于间位定位基。五、空间效应

空间效应：又称空间阻碍效应或空间位阻效应。是分子中原有基团对新引入基团产生的一种空间阻碍作用。例如：六、定位规律在有机合成中的应用例1在合成之前，先要考虑几个问题：(1)要考虑定位规律和空间效应。(2)要考虑引入三个基团的先后顺序。(3)要考虑反应的难易，产率的高低。一般是先引入供电子基和大基团。例2例3A）直接硝化B）磺化、硝化、脱磺酸基例4

用甲苯为原料，合成邻硝基甲苯课堂习题⒈参考答案：2.由苯和不超过三个碳原子的脂肪族化合物为原料合成邻溴苄溴：参考答案：七、邻位和对位定向比

按照反应几率，应为2：1，但实际并非如此，其影响因素如下：1、亲电试剂的活性越高，选择性越低：2、空间效应越大，对位产物越多：3、极化效应例如，卤苯进行硝化反应时：X具有－I效应，使邻位的电子云密度降低。FClBrI电负性依次降低－I效应依次减小电子云密度降低的位置是不利于E+进攻的。4、螯合效应：能够发生螯合效应的条件：1〕杂原子能与试剂结合；2）所形成环为五员环或六员环。八.取代基效应的定量关系分子结构与化学活性之间存在一定的定量关系1、分速度因数与选择性从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度分速度因数(f)=k取代/yk苯/6

是一取代苯进行再取代时，在其一个位置上进行取代的速度与苯的一个位置上进行取代的速度之比。×

z产物的百分比y－位置的数目

为了计算分速度因数，需要测定一取代苯进行再取代时的总速率常数，和测定苯在同样条件下进行取代时的总速率常数。方法是将一取代苯和苯的等摩尔混合物，在同一均相溶液中与一个不足以完全单一取代其中之一的亲电试剂反应。因为亲电试剂的量是不足的，所以产量的比例反映了各母体的比较反应速度。

当f>1时，该位置的活泼性比苯大,否则比苯小。例如：在硝酸与乙酸酐的体系中，甲苯的硝化速度是苯进行硝化反应的23倍（设苯的硝化速度为1）

取代产物的百分比为：

邻对间63％34％3％氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：氯苯的三个分速度因数均小于1，卤素是致钝基团，且fm

<<fp,E+进入间位的可能性很小。苯甲醚：fp≈fo>>fm-OCH3对于邻、对位具有＋C,-I效应，＋C>-I

对于间位，只有-I，而无＋C效应。2.Hammett方程也是表示分子结构与化学活性之间的定量关系式之一。通过测定苯甲酸和间对位取代苯甲酸在水溶液中分别测定它们的电离常数，来考察取代基对于酸性的影响，可以判断出该取代基的总的电子效应。6.2芳环上亲核取代反应不易被取代一、加成－消除机理

邻对位上的吸电基（-NO2、-CN、-COCH3、-CF3

等）稳定碳负离子中间体，使反应加速。NU-=-OH-NH2-OR-NHC6H5

NU-(