芳环上的取代反应

芳环上的取代反应第1页/共80页第八章芳环上的取代反应

芳环上离域的π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子基团，才能发生亲核取代反应。CCCCCCHHHHHH第2页/共80页一、芳环亲电取代反应

加成－消除机理HEEE+Nu-slowfastHE+

H+fastE+p-络合物σ-络合物芳正离子芳正离子生成的一步是决定反应速率的一步(一)芳环亲电取代反应历程第3页/共80页

实验已经证实芳正离子的存在：m.p:-15℃第4页/共80页苯环亲电取代反应进程－位能变化曲线图第5页/共80页1、硝化反应硫酸起何作用？第6页/共80页硝化反应历程

SP32H2SO4HNO3H3O+HSO4-NO2+2H2SO4

+

HONO2

H2O+

NO2

+

HSO-4H2O+NO2

NO2+

+

H2OSlowH2O

+

H2SO4

H3O+

+

HSO4-第7页/共80页NO2+是有效的亲电试剂，硫酸在反应中不是脱水剂。第8页/共80页2、卤代反应催化剂：Fe粉或FeX3第9页/共80页卤代反应历程（以溴代为例）溴分子在FeBr3的作用下发生极化生成芳正离子脱去质子第10页/共80页3.磺化反应特点：1）可逆反应；

2）磺酸基可被硝基、卤素取代第11页/共80页应用：如制备纯邻氯甲苯第12页/共80页磺化反应历程第13页/共80页4、Friedel－Crafts反应A）烷基化催化剂Lewis酸：FeCl3、SnCl4、ZnCl2

、HF、H2SO4H3PO4、BF3第14页/共80页烷基化历程第15页/共80页烷基化的特点：1）

可逆2）歧化3）重排第16页/共80页1).可逆：芳烃可以在催化条件下烷基化成为烷基苯，烷基苯也可在同一催化剂存在下脱烷基成为芳烃。2).歧化：多烷基化第17页/共80页3).重排(如何制得正烷基苯？)第18页/共80页烷基化试剂除卤代烃外还有：第19页/共80页B).酰基化酰基化反应不会发生重排CRO+

RCClOAlCl(or

RCOCR)OO+

HCl烷基苯基酮(

RCOOH)3第20页/共80页酰基化历程RCCl

+

AlClRCOOAlCl+

RCOAlClCRHO+

AlClCRHOCOR+

H+4443第21页/共80页第22页/共80页注意：当苯环上有强的吸电子基（如硝基）时，不发生Friedel－Crafts反应。第23页/共80页1、苯环的亲电取代定位规则定位基：苯环上原有取代基能指定新导入基团的位置，则原有取代基成为定位基。这种效应叫定位基效应。（二）亲电取代反应的特性与相对活性第24页/共80页2、定位基分类Z=OHCH3ClNO2CNo(%)p(%)m(%)56304070<14<1617<12>9381定位基类型邻对位定位基间位定位基

致活基钝化基硝化产物速度第25页/共80页

（1）邻对位定位基—第一类取代基

a).邻对位－致活定位基引导亲电试剂进入定位基的邻位和对位；亲电取代速度与苯相比加快。第一类取代基（除卤素外）具有+I，或是＋C效应，其作用是增大芳环的电子云密度。O－、NH2(NHR、NR2)、OH、NHCOR、OCOR、R大多数邻对位定位基在它与苯环直接相连的原子上都是单键。第26页/共80页b).邻对位－致钝定位基这类基团是指卤素，如F，Cl、Br。存在-I效应和+C效应，但-I效应>+C效应，使苯环上电子云密度降低，因此为致钝定位基。第27页/共80页2）间位定位基—第二类取代基引导亲电试剂进入定位基的间位；亲电取代速度与苯相比减慢，都是致钝定位基。

大多数间位定位基在它与苯环直接相连的原子上都是重键。第二类取代基具有-I，或是-C效应，使芳环的电子云密度降低。第28页/共80页3、定位效应的理论解释用电子效应－诱导效应和共轭效应邻对位定位基与苯环相连时，主要存在供电子共轭效应（＋C：p－和－）；间位定位基与苯环相连时，主要存在吸电子共轭效应（－C：－共轭）。第29页/共80页中间体的稳定性－共振论第30页/共80页共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。第31页/共80页第32页/共80页Cl第33页/共80页第34页/共80页a-位取代－动力学控制产物；b-位取代－热力学控制产物。第35页/共80页4、邻位和对位定向比：1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：第36页/共80页2)空间效应越大，对位产物越多：第37页/共80页3）电子效应：FClBrI电负性依次降低－I效应依次减小诱导效应随距离的增加而减弱，故对位受影响比邻位小，而且这种影响随电负性的增大而加剧，所以电负性最大的F使邻位电子云密度降低最多，不利于邻位取代，对位产物增多。第38页/共80页4）溶剂效应：主要表现在对亲电试剂的溶剂化第39页/共80页CH3C+O-Al-Cl4络合物被硝基苯溶剂化，体积增大，较大的空间效应使它进入1位。第40页/共80页5）螯合效应：当环上的取代基与亲电试剂发生配位时，通常发生邻位取代。第41页/共80页能够发生螯合效应的条件：1〕杂原子能与试剂螯合；2）所形成环为五元环或六元环。第42页/共80页6）原位取代(Ipso取代):在亲电取代反应中，亲电试剂取代苯环上原有的取代基，称为原位取代。第43页/共80页苯环上原有取代基被取代的难易，取决于离去基团带有正电荷的稳定性或形成产物的难易程度。如＋CH(CH3)2比+CH3稳定，异丙基容易作为正离子消除。第44页/共80页最常见的能发生原位取代的反应还有芳香族溴化物和碘化物的硝化反应、叔丁基苯的卤化反应，Cl不易以Cl+形式存在，故不易离去。第45页/共80页实验结果表明，在原位取代中，离去基团的离去能力由大到小的次序为：

H+>>I+>Br+>NO2+>Cl+第46页/共80页5.取代基的定量关系取代基效应与化学活性之间存在一定的定量关系1)

分速度因数:是一种定量表示定位效应的方法，它是一取代苯进行再取代时，在其中一个位置进行取代的速率与苯进行取代的速率之比。是从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度。第47页/共80页

通过每一个位置取代苯的活性与苯比较，把总的速率乘以邻位、间位或对位产物的百分比，再除以苯的取代速率的结果。分速度因数(f)=(k取代/y)(z产物的百分比)(k苯/6)y－位置的数目第48页/共80页当f>1时，该位置的活泼性比苯大,否则比苯小。第49页/共80页例如：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。取代产物的百分比为：

邻对间63％34％3％第50页/共80页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对邻、对位具有＋C,＋I效应，＋C>＋I

对间位，只有＋I,而无＋C效应。第51页/共80页6、定位效应的应用1)两个取代基定位效应一致第52页/共80页两个取代基定位效应不一致第53页/共80页两个定位基同类服从较强的定位基NH2CH3COOHNO2第54页/共80页定位效应差不多时，两者都有第55页/共80页两个定位基不同类，服从第一类定位基第56页/共80页二.芳环上亲核取代反应当芳环上连有NO2、CN、COCH3、CF3等强吸电子基团时，使苯环上电子云密度降低，苯环也可以发生亲核取代反应。第57页/共80页在芳环上的亲核取代反应中，亲核试剂是负离子或带有未共用电子对的中性分子，如SCN-、NH2-、OR-、OH-等，被取代的基团（即离去基团）多是一些电负性基团，如OR，OH，NO2、X-及N2+等。第58页/共80页1反应机理（1）加成－消除机理

加成－消除机理是亲核取代反应中最重要的一种历程第59页/共80页Example

类似与SN2反应，但亲核试剂不能从带有离去基团的碳原子的背面进攻底物。第60页/共80页

这一中间体的分离获得，证实了反应过程中有中间体生成，反应是分两步完成的。对加成－消除机理的证明1902年对2,4,6-三硝基苯甲醚和乙氧基离子之间反应的中间体的分离有力的支持了这一机理。第61页/共80页当x=Cl,Br,I时，相对反应速度：4.3,4.3,1

但是，离去基团的离去能力：Cl<Br<I

当X＝F时，相对反应速度是3300不同离去基团的相对反应速度也是对该反应机理的一个证明说明：控制反应速度的一步不包含C－X键的断裂第62页/共80页

在芳环上按照SN1机理进行的反应很少，重氮盐的水解被认为是按SN1机理进行的（2）SN1机理（SNAr1历程）Note：只所以能产生芳基正离子，其推动力是由于N2是一个很容易离去的基团。第63页/共80页

在重氮盐水解过程中加入Cl－时，有芳基氯生成，但Cl－的加入不影响反应速度。支持这一反应机理的事实：动力学研究结果表明：反应速度对重氮盐是一级，与亲核试剂的浓度无关.当用重氮盐作为反应物时第64页/共80页SN1机理的实例重氮盐水解重氮盐硫代重氮盐碘代第65页/共80页一般情况下，未被活化的芳香卤化物对一般的亲核试剂表现惰性，但对很强的碱又具有亲核性的试剂则有明显的活性。（3）消除－加成机理（苯炔机理）第66页/共80页eg.2:eg.1:第67页/共80页Note：在这些反应中由于生成了苯炔，因此也叫苯炔机理消除－加成机理：第68页/共80页苯炔机理的证实：（1）同位素标记的方法：第69页/共80页（2）中间体的捕捉：第70页/共80页2影响反应的因素（1）反应物的结构对活性的影响

a.按加成－消除历程进行的亲核取代反应当环上有吸电子基团时（特别是邻对位），有利于反应的进行；当有供电子基团时，不利于反应的进行下列化合物进行亲核取代反应由易到难的次序第71页/共80页第72页/共80页处于离去基团邻位和对位的取代基不同，其活