高等有机化学81芳环上亲电和亲核取代反应

1、高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 CC CC CC HH HH H H 芳环上离域的芳环上离域的电子的作用，易于发生电子的作用，易于发生 亲电取代反应，只有当芳环上引入了强吸电亲电取代反应，只有当芳环上引入了强吸电 子基团，才能发生亲核取代反应。子基团，才能发生亲核取代反应。 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 8.1 芳环的亲电取代反应芳环的亲电取代反应 8.1.1 芳环上的亲电取代历程芳环上的亲电取代历程 1. 亲电试剂的产生亲电试剂的产生 HNO32H2SO4NO2+H3O+2HSO4- 亲电试剂亲电试剂 2 络合物的形成络合

2、物的形成 芳环上电子云密度大芳环上电子云密度大 NO2 NO2 -配合配合 物物 3.络合物的形成络合物的形成 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 NO2+ H NO2 络合物 慢 sp3杂化杂化 4. 消去消去H+，恢复芳环的，恢复芳环的Kekul结构结构 H NO2 -H+ NO2 快 CH3 CH 3CH2F BF 3 CH3 CH2CH3 H BF4- 通过红外和核磁等通过红外和核磁等 可鉴定其结构可鉴定其结构 芳香稳定性芳香稳定性 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 CH3 Et CH3 CH3 mp - 15 C 黄色黄色 CH3 CH3 CH3 EtF BF3,-

3、80 CH3 H Et CH3CH3 BF4- 加成-消除历程 -络合物生成是决定反应速率的步骤络合物生成是决定反应速率的步骤 这种机理称这种机理称: :Ar-SAr-SE E + E+E+ H E+ -H+ E sp2 sp3sp2 + E+E+ H E+ -H+ E sp2 sp3sp2 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 8.1.2 苯环上亲电取代反应的定位规律苯环上亲电取代反应的定位规律 从反应速度和取代基进入的位置进行考虑从反应速度和取代基进入的位置进行考虑 1. 第一类定位基第一类定位基(邻、对位定位基邻、对位定位基) 致活基NH2 NHRNR2OHORNHCR O PhR

4、 FClBr I 致钝基 -I +C 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 2. 第二类定位基（间位定位基）第二类定位基（间位定位基） NO2NR3COOHCOORSO3HCN CHOCR O CCl3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 8.1.3定位规律在有机合成中的应用定位规律在有机合成中的应用 8.1.4典型的芳香亲电取代反应典型的芳香亲电取代反应 1. 硝化反应硝化反应 HNO3-H2SO4为常见的硝化试剂为常见的硝化试剂 HNO32H2SO4NO2+H3O+2HSO4- 真正的硝化试剂真正的硝化试剂 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 混酸体系有强氧化性混酸体

5、系有强氧化性 OH 20%HNO3 OH NO2 OH NO2 如用混酸将得氧化产物如用混酸将得氧化产物 NH2 浓HNO3 浓H2SO4 NH3HSO4- NO2 HNO3/CCl4低温时的硝化速度较快低温时的硝化速度较快 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 OCH3 HNO3 CH3COOH CH3ONO2 2磺化反应磺化反应 亲电试剂为亲电试剂为SO3或或 SO3H（共轭酸） （共轭酸） SO3H H SO3H 慢 SO3H - H+ 快 +SO O O SO3- - H+ 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 特点：特点：(1)可逆反应，可用于芳环的定向取代（可逆反应，可

6、用于芳环的定向取代（ ；(2)置换反应，合成一些难于合成的物质。置换反应，合成一些难于合成的物质。 CH3 H2SO4 SO3H CH3 NO2 CH3 SO3H HNO3 H2SO4 Br CH3 SO3H CuBr H2O H2SO4 CH3 Br SO3H CH3 N2Cl- NaNO2,HCl 0-5 Fe/HCl NH2 CH3 SO3H 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 PhOH SO3 H2SO4 OH SO3HHO3S SO3H HNO3 OH NO2NO2 NO2 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 X2 FeX3 XXFeX3 + - XXFeX3 + -

7、 + 慢 FeX4- H X 快 H+ X (2) N-卤代酰胺或卤代酰胺或N-卤代卤代磺酰胺作卤化剂磺酰胺作卤化剂 NBS C C N O O BrCH3CNHBr O CH3CNHCl O CH3SO2NCl2 3卤化反应卤化反应 （1）卤素作卤化剂）卤素作卤化剂 Br2 + FeBr3BrBrFeBr3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 卤化性能较差，只与活泼芳烃反应，可避免氧化反应卤化性能较差，只与活泼芳烃反应，可避免氧化反应 发生（对芳胺和酚特别有用）发生（对芳胺和酚特别有用） FeCl3 HCl N- O O Br+ N O O Br 亲电试剂亲电试剂 PhCH3NBS

8、FeCl3 60 BrCH3 CH3SO2NCl2 NHCCH3 O CHCl3.HCl 20 ClNHCCH3 O NHCCH3 Cl O CH3 SO2NH2 主 次 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 需要在极性溶剂和极性催化剂存在下发生需要在极性溶剂和极性催化剂存在下发生 N O O Br (PhCOO)2 CCl4 N O O Br Br CH2CH3 CHBrCH3 + 自由基取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 NH2 + (CH3CO)2ONHCOCH3 KClO3,HCl NHCOCH3 Cl Cl H3O+ NH2 Cl Cl NH2 + (CH3C

9、O)2O NHCOCH3 HNO3 NHCOCH3 O2N H3O+ NH2O2N 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 NH2*H2SO4 -H2O NH*SO3H H+ NH2*SO3H NH2 HO3S H -H+ NH2 SO3H 180oC NH2 SO3H 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 邻位和对位定向比：邻位和对位定向比： CH3 HNO3H2SO4 NO2+BF4-/CH3CN m%o% %p 17 2.3 60 3 37 69229 相对速率 1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：亲电试剂的活性越高，选择性越低： 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 2

10、) 空间效应越大，对位产物越多：空间效应越大，对位产物越多： C(CH3)3 H2SO4 C(CH3)3 SO3H 100% 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 X X o% p% m% F 12 88 0 Cl 30 69 1 I 32 60 8 X 具有具有I效应，使邻位的电子云密度降低。效应，使邻位的电子云密度降低。 F Cl Br I 电负性电负性 依次依次 降低降低 I 效应效应 依次依次 减小减小 电子云密度电子云密度 降低的位置降低的位置 是不利于是不利于E+ 进攻的。进攻的。 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 溶剂效应：溶剂效应： CH3C Cl O AlCl

11、3 CS2 CCH3 PhNO2 CCH3 O O E+被硝基苯溶剂化，体积增大。被硝基苯溶剂化，体积增大。 较大的空间效应使它进入较大的空间效应使它进入1位。位。 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 螯合作用 NO2NO2O CH2 CH2 O CH3 -NO3- (邻） 69% （对） 28% CH2 NO2 CH2OCH3 CH2 CH2 O CH3 NO2H NO2 CH2 CH2 O CH3 -H+ 产物 能够发生螯合能够发生螯合 效应的条件：效应的条件： 1杂原子能与杂原子能与 试剂结合；试剂结合； 2）所形成环为）所形成环为 五员环或六员环。五员环或六员环。 高等有机化学

12、81芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 原位取代 原位取代原位取代 (Ipso取代取代): 在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用 Ipso效应：效应： CH3 CH(CH3)2 NO2OAc Ac2O CH3 CH(CH3)2 NO2 + CH3 CH(CH3)2 NO2 + CH3 NO2 82% 8%10% 取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷 的能力。的能力。 CH(CH3)2比较稳定，异丙基容易作为 比较稳定，异丙基容易作为 正离子消除。正离子消除。 高等有机化学81

13、芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 4. Fridel-Crafts反应反应 (1) 烃基化烃基化 R+AlCl4- 亲电试剂产生亲电试剂产生 RClAlCl3RClAlCl3 + - 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 ROHHX X- ROH2 H2O R+ RCHCH2H2SO4RCHCH3 HSO4- 催化剂活性催化剂活性 AlCl3FeCl3SbCl5SnCl4BF3TiCl4ZnCl2 易发生重排反应易发生重排反应 CH3CH2CH2Cl AlCl3 PhCHMe2PhCH2CH2CH3 70% 30% CH3CH2CH2ClAlCl3

14、- AlCl 4 CH3CH2CH2 CH3CHCH3 重排重排 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 HO H2SO4 H+ B. 易发生多烷基化易发生多烷基化 烷基为活化基烷基为活化基 C. 可逆反应可逆反应 动力学条件下，遵守定位规律；热力学控制条件下动力学条件下，遵守定位规律；热力学控制条件下 得稳定的间位产物。得稳定的间位产物。 D. 钝化的芳烃不发生烷基化钝化的芳烃不发生烷基化 烷基化试剂为较弱的亲电试剂烷基化试剂为较弱的亲电试剂 E-OH，-NH2和和-OR等易与路易斯酸配位，使催等易与路易斯酸配位，使催 化剂难于发生烷基化，可改用烯作烷基化剂，以化剂难于发生烷基化，可改用

15、烯作烷基化剂，以 酚铝或苯胺铝作催化剂酚铝或苯胺铝作催化剂 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 HF + 62% 0 +HO 60 BF3 56% + CH3CHCH2 HF CH CH3 CH3 84% 0 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 （2）酰基化反应）酰基化反应 A. 用酰氯时用酰氯时,AlCl3的量要大于的量要大于1mol,用酸酐时用酸酐时AlCl3 要大于要大于2mol。 PhOHCH3COOH PhOCCH3 O ACl3 PhNO2 OH C CH3 O B. 酚的酰化是酚的酰化是Fries重排重排 RC O O AlCl3 C O R AlCl3 RC O

16、 Ar AlCl3 RC O Cl AlCl3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 + AlCl3 + CH3CCl OC CH3 O HCl + AlCl3 + C CH3 O CH3C O O C O CH3 CH3C O OH 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 + CH3CH2CH2COCl AlCl3 CH3CH2CH2CO CH3CH2CH2CH2 Zn-Hg HCl C. 不会发生重排不会发生重排 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 R CCl O AlCl3 R CCl O AlCl3+ RCORCO R CCl O AlCl3 AlCl4+ + R C

17、 O H C O R H C O R + AlCl4 C O R +HCl AlCl3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 AlCl3 + H2C H2C C O C O O CCH2CH2COOH O CH2 CH2 C Cl O AlCl3 O 5.重氮盐的偶联反应重氮盐的偶联反应 ArN2+X-极弱的亲电试剂，只能与高活性的酚和芳胺反极弱的亲电试剂，只能与高活性的酚和芳胺反 应，通常为对位缩合或同环缩合。应，通常为对位缩合或同环缩合。 PhN2Cl PhNMe2 AcONa PhN=NNMe2 90% 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 PhN2HSO4- HO NaOH

18、 NN HO 当重氮盐的邻对位有强吸电基时，其亲电性提高，可当重氮盐的邻对位有强吸电基时，其亲电性提高，可 与芳醚或均三甲基反应。与芳醚或均三甲基反应。 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 6.氯甲基化反应氯甲基化反应 HCHHCl O ZnCl2 PhCH2ClH2O 70 C 活泼芳烃才能发生反应活泼芳烃才能发生反应 MeOCH3CHOHCl ZnCl2 MeOCHCH3 Cl OH- MeOCH=CH2 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 8.5 芳香族亲核取代反应芳香族亲核取代反应 由于芳环上的电子云密度较高，因此亲核取代比亲由于芳环上的电子云密度较高，因此亲核取代比亲

19、 电取代困难得多电取代困难得多.只有当芳环上存在较强的吸电子基团只有当芳环上存在较强的吸电子基团 （-NO2,-SO3H等）时才能发生亲核取代反应。等）时才能发生亲核取代反应。 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 历程包括：历程包括：加成加成-消除历程消除历程，消除消除-加成历程加成历程（苯炔历（苯炔历 程）和程）和单分子亲核历程单分子亲核历程（SNAr1） 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 8.5.1 加成加成-消除历程消除历程 芳香族亲核取代反应芳香族亲核取代反应 吸电基有利于降低芳环的电子云密度，特别是邻、对吸电基有利于降低芳环的电子云密度，特别是邻、对 位电子云密度降

20、低得更为显著，从而有利于亲核试剂位电子云密度降低得更为显著，从而有利于亲核试剂 对这些位置发生亲核加成，生成离域的碳负离子中间对这些位置发生亲核加成，生成离域的碳负离子中间 体体(即即Meisenheimer络合物络合物). 又称为又称为SNAr2历程历程 Meisenheimer络合物已被分离出络合物已被分离出 CH3OOCH3 NO2 NO2NO2 K+ 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 Cl NO2 NO2 O2N NO2 O2N NO2 OH OH- 25 NO2 NO2 N N H L NO2 NO2 L=Cl Br I SO2P

21、h p-O2NC6H5O- L Nu L Nu- Nu 快 F Cl，Br, I 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 NO2 NO2 O2N OCH3 OC2H5 O2N NO2 NO2KOC2H5 NO2 O2N OC2H5 NO2 H3CO OCH3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 又称为又称为SNAr2历程历程 Meisenheimer络合物已被分离出络合物已被分离出 CH3OOCH3 NO2 NO2NO2 K+ Nu- LNu NO2 L NO2 + + 慢 L- 快 Nu NO2 OC3H7-n NO2 NO2 180 NHPh NO2 NO2 PhNH2 80%

22、 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 影响亲核取代反应的因素影响亲核取代反应的因素 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 8.5.2 消去加成（苯炔历程）消去加成（苯炔历程）当当 苯环上没有较强的吸电子基存在时苯环上没有较强的吸电子基存在时, 现象现象 * Cl NaNH2 液氨 33 * NH2 * NH2 50%50% BrCH3 NaNH2.液氮 35 NH2CH3 NH2 CH3 57%43% Br CH3OCH3 KNH2.液氮 35 因为没有邻位氢，推断不能发生消除反应。因为没有邻

23、位氢，推断不能发生消除反应。 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 NaNH2 OCH3 NH2 Br OCH3 OCH3 NH2- NaNH2 NH2- Cl NH2 NH2 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 * Br- 苯炔 50%50% 中间体证据（捕获，中间体证据（捕获，Diels-Alder反应）反应） I NaNH2 液氨 * NH2 * NH2 NH3 加成 * Br H NH2 -NH3 * Br 消除 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 底物结构对活性的影响底物结构对活性的影响 X Z Z Z NH3 + -

24、 Z NH3 + - I，NH3 I，CH3 Z X Z Z NH3 + - NH3 + Z - I，NH3 I，CH3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 NaNH2,NH3 CF3 Cl CF3 NH2 CF3 Cl CF3 NH2 NaNH2,NH3 CF3 NH2 + OCH3 Cl OCH3 NH2 NaNH2,NH3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 8.5.3 芳基重氮离子的单分子亲核取代（芳基重氮离子的单分子亲核取代（SNAr1） H2O 快 OH 证据证据 v=kPhN2+ 芳环上的供电基有利于反应，吸电基不利于反

25、应，芳环上的供电基有利于反应，吸电基不利于反应， 说明有正离子形成说明有正离子形成 一级反应一级反应 同位素标记同位素标记 R NN 慢 -N2 *N N NN * * NN * N = 15N 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 . SN1 机理机理 N N + N2 + OH2+ OH + H2O -H+ 快 KI I N2+Cl- NH2 NaNO2 HCl 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 N + CuCN N CN N2Cl Zn +HCl NH2 + NH3 高等有机化学81芳环上亲电和亲核 取代反应 ArNH2 NaNO2/HCl ArN2Cl HBF4 ArF