芳香族化合物取代反应

1、化学第九章第九章 芳香族化合物的取代反应芳香族化合物的取代反应芳环上离域的芳环上离域的电子的作用，电子的作用，易于发生亲电取代反应，只易于发生亲电取代反应，只有当芳环上引入了强吸电子有当芳环上引入了强吸电子基团，才能发生亲核取代反基团，才能发生亲核取代反应。应。化学( (一一) ) 反应历程：反应历程： 一、芳环上的亲电取代反应一、芳环上的亲电取代反应 1. 芳烃正离子历程芳烃正离子历程 E+ HEHk1k-1HEk2-complex亲电试剂进攻芳环，生成亲电试剂进攻芳环，生成-络合物，然后离去基络合物，然后离去基团团(H)以正离子形式离去。以正离子形式离去。化学HNO3H2SO4NO22H2

2、SO4HNO3H3O+HSO4-NO2+2NO2+NO2H化学如果进攻试剂是偶极分子，产物必然带负电荷，然后偶如果进攻试剂是偶极分子，产物必然带负电荷，然后偶极子的一部分携带电子对断键离去，极子的一部分携带电子对断键离去，决定反应速度的步骤中涉及两种分子，又称决定反应速度的步骤中涉及两种分子，又称SE2反应。反应。化学卤代反应：卤代反应：Br2 + FeBr3BrBrFeBr3溴分子在溴分子在FeBr3的作用下发生极化的作用下发生极化 RBrBrFeBrBrH+ FeBr3Br+ RBrHRRBr+ H生成芳正离子生成芳正离子 脱去质子脱去质子 化学第一步形成一个芳烃负离子；第二步结合一个正离

3、第一步形成一个芳烃负离子；第二步结合一个正离子完成反应。子完成反应。2. SE1历程历程 化学重点证明重点证明SE2历程：历程：(a)中间体的离析与鉴定中间体的离析与鉴定 (b)同位素效应同位素效应1. 芳烃正离子历程的中间体芳烃正离子历程的中间体-络合物络合物( (二二) ) 反应历程的证明研究：反应历程的证明研究： 络合物又称为络合物又称为Wheland络合物或芳基正离子。有的络合物或芳基正离子。有的络合物可以分离鉴定。络合物可以分离鉴定。MeMeMeMeMeMeMeMeMeHEtEtF/BF3-80CBF4EtHBF4+化学有的有的络合物可以用络合物可以用NMR检测出来。检测出来。 HH

4、HHHHHH12345=苯在超强酸(HF- SbF5-SO2ClF-SO2F2)中，-134C下生成的络合物的13C NMR的化学位移为：C(3): 178.1; C(1), C(5): 186.6; C(2), C(4): 136.9; C(6): 52.2。电荷分布：碳1、3、5均带有+1/3电荷。说明正电荷主要分布在1，3，5位碳原子上(这种络合物的酸性很强，pKak-1,无同位素效应无同位素效应 若若k2CH3CH2(CH3)2CH (CH3)3C化学(2) 具有具有+I和和+C效应的基团效应的基团 烷氧负离子烷氧负离子(3) 具有具有-I和和+C效应的基团效应的基团 +C -I ，活

5、化苯环：，活化苯环：OH, -OR,-NH2,-NR2 等等-OR：化学:OMe : H E + :OMe : H E + :OMe : H E + OMe : H E + :OMe : H E + :OMe : H E + :OMe : H E + OMe : H E + :OMe : H E + :OMe : H E + :OMe : H E + 化学-I +C ，钝化苯环：，钝化苯环：X ClHEEHClB的定位能力次序大致为（从强到弱）-NR3，B-NO2， -CF3， -CCl3，-CN，-SO3H，-CHO，-COR，-COOH， -CONH2。2. 间位定位基间位定位基 特点：带

6、有正电荷或与苯环直接相连的原子带有双特点：带有正电荷或与苯环直接相连的原子带有双键或三键键或三键(1) 具有很强的具有很强的-I效应的基团效应的基团 +NR3, CX3 降低苯环的电子云密度，钝化苯环降低苯环的电子云密度，钝化苯环 CF3CF3CF3HEHHEEEEEHHHCF3CF3CF3EEEHHHCF3CF3CF3特别不稳定都有一个吸电子基都有一个吸电子基团与带正电荷的碳团与带正电荷的碳原子直接相连原子直接相连,能能量高量高, 不稳定不稳定(2) 具有具有-I和和-C效应的基团效应的基团 NO2, CN, SO3H, CHO等等 ( (二二) ) 分速度因数分速度因数( (f ) ) 分

7、速率因数分速率因数(f): 取代苯取代苯进行再取代时，在某一位置上进进行再取代时，在某一位置上进行取代的速率与行取代的速率与苯苯在一个位置上进行取代的速率之比在一个位置上进行取代的速率之比。即：以苯的六个位置之一为比较标准，衡量取代苯中某即：以苯的六个位置之一为比较标准，衡量取代苯中某个取代位置的反应活性的数值。个取代位置的反应活性的数值。分速度因数分速度因数 (f) =(6) (k取代取代)(z产物的百分比产物的百分比)y (k苯苯) 分速率因数有分速率因数有fo, fm, fp 当当 f 1 时，该位置的活泼性比苯大时，该位置的活泼性比苯大,否则比苯小。否则比苯小。化学分速度因素可用竞争法

8、测定分速度因素可用竞争法测定:将一取代苯和苯的等量将一取代苯和苯的等量混合物，在同一均相溶液中与不足量的亲电试剂反混合物，在同一均相溶液中与不足量的亲电试剂反应，待竞争反应趋于完成后，得到产量的比值，因应，待竞争反应趋于完成后，得到产量的比值，因为试剂不足量，故产量的比例反应了取代苯与苯的为试剂不足量，故产量的比例反应了取代苯与苯的反应速率常数比反应速率常数比k取代苯取代苯 / k苯苯。再通过再通过HPLC得到邻、间、对位二取代产物的相对含量得到邻、间、对位二取代产物的相对含量 例如，将等例如，将等mole的苯和甲苯与少量硝酸在乙酐溶液中的苯和甲苯与少量硝酸在乙酐溶液中, 30C下反应，生成产

9、物用色谱分析，所得硝基苯与硝下反应，生成产物用色谱分析，所得硝基苯与硝基甲苯基甲苯mole数之比为数之比为1:23，硝基甲苯中邻、间、对异，硝基甲苯中邻、间、对异构体分别占构体分别占63、3和和34%。fo(6)(2)(23)(1)(0.63)43.5fp(6)(1)(23)(1)(0.34)46.9fm(6)(2)(23)(1)(0.03)2.1分速率都大于分速率都大于1，说明甲基活化了苯环的所有位置，说明甲基活化了苯环的所有位置，尤其是邻位和对位。尤其是邻位和对位。氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：Cl0.0290.00090.13

10、7OCH30.252.31045.5410氯苯的三个分速度因氯苯的三个分速度因数均小于数均小于1，说明氯，说明氯原子钝化苯环上所有原子钝化苯环上所有位置，尤其是间位。位置，尤其是间位。fp fo 1， fm 1 分速度因素揭示了：分速度因素揭示了： (1) 底物选择性：环上定位基对某亲电试剂的致活底物选择性：环上定位基对某亲电试剂的致活程度的大小程度的大小 (2) 位置选择性：同一底物上邻、间、对三种位置位置选择性：同一底物上邻、间、对三种位置的相对取代速度。的相对取代速度。化学( (三三) ) 影响邻影响邻/ /对位取代产物比例的因素对位取代产物比例的因素 (1) (1) 空间效应越大，对位

11、产物越多：空间效应越大，对位产物越多： Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12 表表 一硝化（一硝化（AcONO2,0),0)产物异构体比例产物异构体比例R化学(2) (2) 电子效应：电子效应： XXFCl BrI邻位硝化产邻位硝化产物百分比物百分比12 30 38 41X 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 FClBr 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。化学(3)(3)亲电试剂的反应活性亲电试剂的反应活性

12、v亲电试剂的亲电试剂的活泼性越高活泼性越高，亲电取代，亲电取代反应速度反应速度越快越快，反应的，反应的选择性越低选择性越低。v亲电试剂的亲电试剂的活泼性越低活泼性越低，亲电取代，亲电取代反应速度反应速度越低越低，反应的选择性越高反应的选择性越高。(4)(4)螯合效应：螯合效应： 当亲电试剂与环上原有基团发生相互作用如生成活当亲电试剂与环上原有基团发生相互作用如生成活性中间体或络合物，则会使邻位产物增多。性中间体或络合物，则会使邻位产物增多。NO2NO2OCH2CH2OCH3-NO3-(邻）69%（对）28%CH2NO2CH2OCH3CH2CH2OCH3NO2HNO2CH2CH2OCH3-H+产

13、物能够发生螯合效应的条件：杂原子能与试剂结合；能够发生螯合效应的条件：杂原子能与试剂结合；所形成环为五员环或六员环。所形成环为五员环或六员环。化学(5)(5)自位取代自位取代 (Ipso(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，发生取代作用原有原有取代基取代基离去离去的难易程度取决于其容纳正电的难易程度取决于其容纳正电荷荷的能力，即生成正离子的能力。的能力，即生成正离子的能力。化学(6)(6)溶剂效应溶剂效应 CH3C ClOAlCl3CS2CCH3PhNO2CCH3OOE+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

14、它进入较大的空间效应使它进入1位。位。三、芳香族亲核取代反应三、芳香族亲核取代反应 芳环的电子云密度较高，很难被芳环的电子云密度较高，很难被Nu-进攻而直接引进攻而直接引入入OH、OR、NH2等基团，只能通过亲核置换来完等基团，只能通过亲核置换来完成。成。首先在芳环上引入首先在芳环上引入Cl、SO3H、N2+等吸电子取代基，等吸电子取代基，使苯环上电子云密度降低，有利于亲核置换的发生。使苯环上电子云密度降低，有利于亲核置换的发生。在离去基团的邻对位有吸电子取代基存在时，对反在离去基团的邻对位有吸电子取代基存在时，对反应有利。应有利。化学( (一一) )加成消除机理加成消除机理 Cl共扼pNO2

15、 CN COCH3 CF3当芳环上连时，也可发生亲核取代反应第一步进攻试剂与底物成键形成中间体碳负离子，第一步进攻试剂与底物成键形成中间体碳负离子，然后离去基团离去；通常第一步为决速步骤；然后离去基团离去；通常第一步为决速步骤；离去基团邻、对位的吸电子取代基加速反应离去基团邻、对位的吸电子取代基加速反应 OHNO2ClNO2(1).NaOH, 130C(2).H3O+OHCl(1).NaOH, 130C(2).H3O+NO2NO2NO21. Na2CO3, H2O, 100oC2. H3ONO2ClOHO2NO2NNO2NO2ClNH295%+ NH3NO220oCNO2ClOCH2CH2CH

16、3+ CH3CH2CH2OHEt3N2,4-二硝基苯丙醚NO2NO266%NO230oCClSNaOH对硝基二苯基硫醚SH+NO2NO225oCFCH3OH+ CH3OKNO2OCH393%对硝基苯甲醚氟是芳环亲氟是芳环亲核取代反应核取代反应最好的离去最好的离去基团基团 卤原子是很好的离去基团被取代，其它基团也可被取代NO2180oCNO2OC6H5NHC6H5+ C6H5NH2NO2NO2机理的证明，中间体被分离出来。在机理的证明，中间体被分离出来。在1902年年Meisenheimer的化学家就分离得到了下列化合物：的化学家就分离得到了下列化合物：NO2OC2H5NO2OCH3NO2O2N

17、CH3OKNOC2H5NO2O2NOOCH3OKC2H5OKNO2O2N深紫色的盐FNO2FFNH3FFFNO2NH2FFFNH2NO2FFFF+95%只有处于硝基邻、对位的卤素才可以被取代 NO2NO2CH3CH3NH3NO2NH2CH3CH3硝基也是易于被取代的基团硝基也是易于被取代的基团 由于两个甲基相由于两个甲基相“挤挤”，该硝基不能与苯环共平面，该硝基不能与苯环共平面，因而不能与苯环共轭，所以它不能使对位的硝基活化，因而不能与苯环共轭，所以它不能使对位的硝基活化，所以对位的硝基难以被取代；相反，对位的硝基却活所以对位的硝基难以被取代；相反，对位的硝基却活化了该硝基，所以它被取代掉。化

18、了该硝基，所以它被取代掉。ClNO2CH3CH3ClNO2CH3CH3CH3CH3这两种化合物反这两种化合物反应活性很小，与应活性很小，与氯苯相似氯苯相似化学Smifes重排是分子内的亲核取代反应重排是分子内的亲核取代反应 其通式为：YXYX其中X为S，SO，SO2O，COO；Y为OH，SH，NH2，NHR等的共轭碱。SO2ONO2SO2OHNO2OHOSO2NO2O2SO( (二二) ) 消去加成机理消去加成机理( (苯炔机理苯炔机理) ) OMeBrNaNH2-NH3OMeNH2OMeNaNH2-NH3OMeNH2Cl首先在强碱作用下消去一小分子，形成高度不稳定的首先在强碱作用下消去一小分子，形成高度不稳定的中间体中间体苯炔，然后再发生加成。苯炔，然后再发生加成。化学机理证明机理证明 形成苯炔形成苯炔:Z=吸电子基吸电子基, 有助有助于脱掉邻位氢，于脱掉邻位氢， Z=给电子基给电子基,