芳香族亲电取代反应

1、第第2 2章章 精细有机合成精细有机合成理论基础理论基础精细有机精细有机合成反应合成反应消除反应消除反应被消除原子或原子团位置被消除原子或原子团位置重排反应重排反应发生重排原子（团）位置发生重排原子（团）位置取代反应取代反应反应试剂的性质反应试剂的性质反应物分子中反应物分子中C-HC-H键断裂方式键断裂方式亲核取代亲核取代亲电取代亲电取代游离基取代游离基取代加成反应加成反应加成的基本途径加成的基本途径- -消除消除- -消除消除分子内重排分子内重排分子间重排分子间重排环加成环加成亲电加成亲电加成游离基加成游离基加成亲核加成亲核加成进行方式进行方式X2, FeX3(X = Cl, Br)X+ H

2、XHalogenation卤 化NO2HNO3H2SO4+ H2OSO2H2SO4SO3HRCl, AlCl3(R can rearrange)R+ HClRC-Cl, AlCl3ORONitration 硝 化Sulfonation磺 化Friedel-Crafts Alkylation 弗瑞德尔-克拉茨 烷基化Friedel-Crafts Acylation弗瑞德尔-克拉茨 酰基化2.1 反应试剂的分类反应试剂的分类AX + Y AY + X基质基质产物产物反应试剂反应试剂离去基团离去基团亲电试剂亲电试剂亲核试剂亲核试剂反应试剂反应试剂极性试剂极性试剂游离基试剂游离基试剂亲电试剂亲电试剂亲

3、核试剂亲核试剂正离子：正离子：NO2+，R+负离子：负离子：OH-，RO-含有可极化或已极化共价键含有可极化或已极化共价键的分子偶极的正端：的分子偶极的正端：Cl2，HCl含有可极化或已极化共价键含有可极化或已极化共价键的分子偶极的负端：的分子偶极的负端：NH3，RNH2含可接受共用电子对的分子：含可接受共用电子对的分子：FeCl3，AlCl3烯烃的双键和芳环烯烃的双键和芳环氧化剂：氧化剂：Fe3+，O3还原剂：还原剂：Fe2碱类：碱类：OH-酸类酸类金属有机化合物中的烷基：金属有机化合物中的烷基：RMgX卤代烷中的烷基：卤代烷中的烷基：R-X羰基的双键：羰基的双键：C=O2.2 亲电取代反应

4、亲电取代反应反应通式：反应通式：R-H Z+ R-Z H+R-H Z-Y R-Z H-YCH3CH3COOH59%4%37%32%6%62%19%80%1%硝化作用磺化作用硝化作用2.2.1 芳香族两类络合物芳香族两类络合物v- -络合物络合物 - -络合物络合物芳烃亲电试剂 络合物 取代产物亲电取代反应亲电取代反应2.2.1.1 - -络合物络合物R+H-ClRHClK1液液气气- -络合物络合物v存在的依据存在的依据（1 1）HCl可以定量地溶解在芳烃中。可以定量地溶解在芳烃中。（2 2）芳环上电子云密度增加，溶解度增加。）芳环上电子云密度增加，溶解度增加。ArRK K1 11.591.5

5、91.001.000.920.920.620.620.280.28CH3CH3H3CCH3CH3CH3Cl表表 氯化氢在不同芳烃中溶解平衡常数氯化氢在不同芳烃中溶解平衡常数v结构的证明结构的证明 实验实验1 1：溶液在：溶液在-78.5-78.5迅速达到平衡迅速达到平衡 实验实验2 2：光谱分析表明无电子跃迁：光谱分析表明无电子跃迁 实验实验3 3：溶液不导电：溶液不导电 实验实验4 4：HCl中的中的H用用D代替，未发现苯环上的代替，未发现苯环上的H与与DCl中的中的D交换交换v特点特点 （1 1）芳环的芳香性未被破坏；）芳环的芳香性未被破坏； （2 2）没有与芳环形成新的化学键。）没有与芳

6、环形成新的化学键。2.2.1.2 - -络合物络合物v形成形成HCl（气）（气）AlCl3(固）固） H-ClAlCl3(溶液）溶液）R（溶液）（溶液）H-ClAlCl3( (溶液）溶液）- -络合物络合物AlCl4-( (溶液）溶液）RHH+. . .v结构的证明结构的证明 实验实验1 1：固体：固体AlCl3在甲苯中在甲苯中-78.5-78.5不溶解；不溶解； 通入通入HCl转变成绿色透明溶液；转变成绿色透明溶液； 溶液吸收光谱发生变化，电子跃迁溶液吸收光谱发生变化，电子跃迁 实验实验2 2：生成和分解速度比：生成和分解速度比- -络合物慢得多络合物慢得多 实验实验3 3：溶液导电：溶液导

7、电 实验实验4 4：DCl中的中的D与苯环上的与苯环上的H发生交换发生交换v特点特点 （1 1）生成了新的生成了新的键；键； （2 2）芳烃的）芳烃的电子体系被破坏，形成了不稳电子体系被破坏，形成了不稳 定的非芳香性化合物。定的非芳香性化合物。2.2.1.3 两类络合物的关系两类络合物的关系v芳烃与亲电试剂接触，经过芳烃与亲电试剂接触，经过络合物，然后形成络合物，然后形成络合物，即：络合物，即：- -络合物络合物- -络合物络合物RHClRHClAlCl3AlCl4-( (溶液）溶液）RHH+. . .v二者之间存在着平衡二者之间存在着平衡E+H+EE+ E+ H+k k1 1K K- -1

8、1k k2 2HE+. . .2.2.2 芳香族亲电取代反应的历程芳香族亲电取代反应的历程预测：三种方式预测：三种方式（1 1）先经过）先经过- -络合物，再脱去络合物，再脱去H H+ +的的两步历程两步历程（2 2）亲电质点进攻前，质子已经脱落的）亲电质点进攻前，质子已经脱落的单分单分 子历程子历程 Ar-H ArAr-H Ar- -H H+ +（3 3）E E+ +的进攻合的进攻合H H+ +的脱落同时发生的的脱落同时发生的一步历程一步历程 ArAr-H-HE E+ + ArAr ArAr-E-EH HH HE E2.2.2.1 反应历程的表示反应历程的表示v经过经过络合物中间产物的两步历

9、程络合物中间产物的两步历程2.2.2.2 两步历程的证明两步历程的证明v动力学同位素效应动力学同位素效应 将反应物分子中的某一原子用它的将反应物分子中的某一原子用它的同位素同位素代替时代替时, ,该该反应速度反应速度所发生的变化。所发生的变化。（1 1）结果）结果反应类型反应类型被作用物被作用物亲电试剂亲电试剂kH/kD或或kH/kT硝化硝化苯苯-t-t，甲苯，甲苯-t-t硝基苯硝基苯-d-d5 5HNOHNO3 3-H-H2 2SOSO4 4HNOHNO3 3-H-H2 2SOSO4 41.21.21.01.0磺化磺化硝基苯硝基苯-d-d5 5H H2 2SOSO4 4-SO-SO3 31.

10、6 1.6 1.71.7卤化卤化1-1-溴溴-2,3,5,6-2,3,5,6-四甲苯四甲苯-d-d1-1-溴溴-2,3,5,6-2,3,5,6-四甲苯四甲苯-d-d1,3,5-1,3,5-三特丁基苯三特丁基苯-t-tClCl2 2BrBr2 2BrBr2 21.01.01.41.410.010.0表表 某些亲电取代反应的同位素效应某些亲电取代反应的同位素效应（2 2）结论）结论 一般一般无无动力学同位素效应。动力学同位素效应。 说明芳香族化合物的亲电取代反应是说明芳香族化合物的亲电取代反应是两步历程两步历程，且且- -络合物的生成为控制步骤络合物的生成为控制步骤。（3 3）特例）特例表表 动力

11、学同位素效应研究中的特例动力学同位素效应研究中的特例原因：原因：空间障碍的存在，使空间障碍的存在，使k k2 2kk1 1，即，即V V脱质子脱质子V V- -络合物络合物形成形成由反应的可逆性引起。由反应的可逆性引起。2.2.3 芳环上已有取代基的极性效应和两芳环上已有取代基的极性效应和两类定位基类定位基ZHEZHEZHEZ+Z ZHEZ ZHEZ ZHE+Z ZHEZZ ZZHEHE+邻位取代邻位取代对位取代对位取代间位取代间位取代取代基电子效应取代基电子效应诱导效应（诱导效应（I I）：）：由电负性大小决定。由电负性大小决定。共轭效应（共轭效应（T T）：）：包括包括-共轭和共轭和p-p

12、-共轭。共轭。I:I:供电子供电子-I:-I:吸电子吸电子I:I:供电子供电子-I:-I:吸电子吸电子电子效应电子效应取代基取代基作用作用取代基类型取代基类型+I，+T-O- ，-CH3-C2H5共轭效应与诱导效应作用一致共轭效应与诱导效应作用一致, 活化苯环；活化苯环；邻、对位定邻、对位定位基位基-I，+T，且|-I|+T|-OH,-OCH3,-NH2,-N(CH3)2,-NHCOCH3共轭效应作用大于诱导效应，共轭效应作用大于诱导效应，活化苯环；活化苯环；-I，+T，且|-I|+T|-F,-Cl,-Br,-I共轭效应作用小于诱导效应，共轭效应作用小于诱导效应，钝化苯环钝化苯环-I，-T-N

13、O2, -CN-COOH, -CHO诱导效应与共轭效应作用一致诱导效应与共轭效应作用一致,钝化苯环钝化苯环间位定位基间位定位基-I，无，无T-N+(CH3)3-CF3, -CCl3使使-配合物不稳定，钝化苯环；配合物不稳定，钝化苯环；两类定位基：两类定位基：v邻、对位定位基（第一类定位基）：邻、对位定位基（第一类定位基）： -O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3, -F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。等。v间位定位基（第二类定位基）：间位定位基（第二类定位基）： -N+(CH3)3,-CF3,-N

14、O2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO, -COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。等。2.2.4 苯环的定位规律及影响因素苯环的定位规律及影响因素v已有取代基的电子效应和定位作用v亲电试剂的活泼性v空间效应的影响v反应条件的影响v已有两个取代基的定位规律v取代基的极性效应包括诱导效应和共轭效应；取代基的极性效应包括诱导效应和共轭效应；v已有取代基的极性效应使芳环上不同位置碳原子已有取代基的极性效应使芳环上不同位置碳原子被亲电取代的活性不同；被亲电取代的活性不同；v已有取代基的定位作用不同，包括已有取代基的定位作用不同，包括邻、对位定位邻、对位定位基基和和间

15、位定位基间位定位基。2.2.4.1 已有取代基的电子效应和定位作用已有取代基的电子效应和定位作用异构产物异构产物比例，比例，反应类型反应类型氯化氯化C-C-酰化酰化C-C-烷化烷化反应条件反应条件ClCl2 2(CH(CH3 3COOH,25)COOH,25)CHCH3 3COClCOCl(AlCl(AlCl3 3,C,C2 2H H4 4ClCl2 2, 25), 25)C C2 2H H5 5BrBr(GaBr(GaBr3 3,C,C6 6H H5 5CHCH3 3,25),25)k kT T/ /k kB B3403401281282.472.47表表 亲电试剂活泼性的影响亲电试剂活泼性

16、的影响CH359.80.539.7CH31.171.2597.6H3C38.421.040.6v亲电试剂的活泼性越亲电试剂的活泼性越高高，亲电取代反应速度越，亲电取代反应速度越快快，反应的选择性越，反应的选择性越低低。v亲电试剂的活泼性越亲电试剂的活泼性越低低，亲电取代反应速度越，亲电取代反应速度越低低，反应的选择性越，反应的选择性越高高。2.2.4.2 亲电试剂的活泼性亲电试剂的活泼性2.2.4.3 空间效应的影响空间效应的影响v已有取代基的空间效应已有取代基的空间效应 R Ro/po/p-CH31.661.66-C2H50.900.90-CH(CH3)20.410.41-C(CH3)30.

17、120.12(1)(1)在极性效应在极性效应相差不大时，相差不大时，已已有取代基体积越有取代基体积越大，邻位异构产大，邻位异构产物的比例越小。物的比例越小。 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(2)(2)当当极性效应极性效应起主导作用时，结果可能相反。起主导作用时，结果可能相反。X Xo/po/p-F-F0.150.15-Cl-Cl0.550.55-Br-Br0.770.77-I-I0.830.83 表表 一硝化（一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25)产物异构体比例产物异构体比例Xv新引入基团的空间效应新引入基团的空间效应 新引入取代基的体积越

18、大，邻位产物越少新引入取代基的体积越大，邻位产物越少。 表表 甲苯甲苯C- -烷化反应新引入基团对异构体比例的影响烷化反应新引入基团对异构体比例的影响新引入新引入基团基团反应条件反应条件异构产物比例，异构产物比例，邻位邻位间位间位对位对位CH3CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45)55.755.79.99.934.434.4C2H5C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25)38.438.421.021.040.640.6CH(CH3)2CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25)26.226.226.226.247.247.2C(CH3)3C(CH3)3Br(GaBr

19、3,C6H5CH3,25)0 032.132.167.967.92.2.4.4 反应条件影响反应条件影响v温度温度 （1 1）通常情况下，）通常情况下，温度升高，温度升高，亲电取代亲电取代反应活性增反应活性增高，选择性下降高，选择性下降。NO2NO2NO2NO2NO2NO2NO20 50 5 9494 1 140 740 7 9191 2 290 1390 13 8585 2 2 （2 2）使不可逆的磺化、使不可逆的磺化、C-C-烷化反应转变为可逆烷化反应转变为可逆反应反应，从而影响产物异构体的比例。，从而影响产物异构体的比例。CH3CH3SO3HCH3SO3HCH3SO3HCH3SO3HCH

20、3SO3HCH3SO3H043%4%53%4.3%54.1%35.2%200实例实例1 1：实例实例2 2：CH3CH3CH(CH3)2CH2=CH-CH3CH3CH(CH3)2CH(CH3)2CH3CH2=CH-CH3CH3CH(CH3)2CH3CH(CH3)2CH(CH3)2CH334%25%41%AlCl3,11012%6570%2830%AlCl3v反应介质反应介质NHCOCH3NHCOCH3NO2NHCOCH3NO2NHCOCH3NO2硝化硝化反应介质反应介质+乙酸酐乙酸酐 约约9292 少量少量 约约8 8 硫酸硫酸 约约3030 少量少量 约约7070v催化剂的影响催化剂的影响

21、（1 1）改变改变E E+ +的极性效应或空间效应。的极性效应或空间效应。CH3CH3NO2CH3NO2混酸硝化混酸硝化3636CH3CH3NO2CH3NO2混酸硝化混酸硝化磷酸磷酸4040（2 2）改变反应历程。改变反应历程。OOOOSO3HOOSO3H磺化磺化磺化磺化HgSOHgSO4 4催化催化v已有两个取代基为同一已有两个取代基为同一类型定位基，且处于间类型定位基，且处于间位，则位，则定位作用一致定位作用一致。v已有两个取代基为已有两个取代基为同一同一类型定位基类型定位基，且，且处于邻、处于邻、对位对位，则，则定位作用不一定位作用不一致致取决于定位能力取决于定位能力的强弱。的强弱。CH3CH3COOHCOOH2.2.4.5 已有两个取代基的定位规律已有两个取代基的定位规律主产物主产物少量少量NHCOCH3CH3v已有两个取代基为已有两个取代基为不同类型不同类型定位基，且处于邻、对位，定位基，且处于邻、对位，则定位作用一致。则定位作用一致。v已有两个取代基为已有两个取代基为不同类型不同类型定位基，且处于间位，则定定位基，且处于间位，则定位作