芳烃芳核上的亲电取代反应(药学,.ppt

1、,教材: 倪沛洲 主编 人民卫生出版社,制 作：张 超 副教授 Tel:E-mail: chao-,有机化学 Organic Chemistry,Aromatic hydrocarbons,内容提要,第一节 芳烃的分类和命名 第二节 苯及同系物的结构 第三节 苯及其衍生物的化学反应 第四节 多环芳烃及非苯芳烃,第八章 芳烃 芳核上的亲电取代反应,脂环烃 芳香烃,环烃的分类,具有“芳香性”的碳氢化合物称芳香烃。,芳香性-难加成、难氧化、易取代,第一节 芳烃的分类和命名,一、芳烃的分类,第一节 芳烃的分类和命名,二、芳烃的命名,甲苯(toluene),异丙苯 (isopr

2、opylbenzene),苯环上的氢原子被烃基取代后，所得产物为苯的同系物。,命名时，一般以苯作母体，将其它烃基作为取代基，称“某苯”。,第一节 芳烃的分类和命名,复杂芳烃以苯环为取代基,邻氯苯甲醚 间甲苯酚 对甲苯甲酸,第一节 芳烃的分类和命名,第一节 芳烃的分类和命名,2-氨基-5-羟基苯甲醛 3-氨基-5-溴苯酚,多个官能团时，选一个官能团作母体官能团，写在苯的后面，其他为取代基。以母体官能团在苯的位置编号为1。,间二甲苯 1,3-二甲苯 m-二甲苯 m-xylene,对二甲苯 1,4-二甲苯 p-二甲苯 p-xylene,二烃基苯有三种异构体，用邻或1,2-；间或1,3-；对或 1,4

3、- 表示。,邻二甲苯 1,2-二甲苯 o-二甲苯 o-xylene,第一节 芳烃的分类和命名,第一节 芳烃的分类和命名,1,2,3-三甲苯 1,2,4-三甲苯 1,3,5-三甲苯 连三甲苯 偏三甲苯 间三甲苯,具有三个相同烃基的取代苯也有三种异构体。如:,芳基 （Aryl） 苯（Benzene） 苯基（phenyl，Ph，C6H5-） 苄基、苯甲基（benzyl，phenylmethyl）,常见的取代基：,第一节 芳烃的分类和命名,常见的稠环芳烃有：,第一节 芳烃的分类和命名,萘,蒽,菲,常见的联苯芳烃有：,2,2-二甲基联苯,第一节 芳烃的分类和命名,联苯,第二节 苯及其同系物的结构,一、苯

4、的结构,1. 苯的 Kekul 结构式,简写为：,碳为4价,有人提出质疑: 按照这个结构, 苯的二溴代物应有两种。,结构式,和,但实际上只得到一种!,预期的 1,3,5-环己三烯键长数据,134pm,147pm,第二节 苯及其同系物的结构,2. 苯分子结构的现代解释,苯分子中6个C都是sp2杂化, 每个C都以3个sp2杂化轨道分别与2个相邻的C和1个H形成3个键,构成平面正六边形碳环结构。每个C还有1个未杂化的p轨道，均垂直于碳环平面而相互平行。每个p都可与2个相邻C的p侧面重叠，形成一个包含6个原子6个电子的闭合“大键”。,第二节 苯及其同系物的结构,环状大键,120o,120o,120o,

5、139pm,第二节 苯及其同系物的结构,结构及性质特征： 所有原子共平面； 形成环状大键 碳碳键长全相等; 环稳定、难加成、 难氧化、易取代,第二节 苯及其同系物的结构,苯的结构也可以用两个Kekul 结构式的共振式或共振杂化体表示。,虽然苯的结构在今天已得到完全 阐明,但苯的结构式仍然采用当初Kekul提出的式子。或用圆圈代表环闭大键的苯结构式。,第二节 苯及其同系物的结构,第三节 苯及其衍生物的化学反应,芳香烃的化学性质,取代反应,加成反应,氧化反应,芳香烃芳香性 环稳定、难加成、 难氧化、易取代,一、苯环上的亲电取代反应,卤代反应,硝化反应,磺化反应,烷基化反应,酰基化 反应*,第三节

6、苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,亲电试剂 络合物 络合物 产物,（一）亲电取代反应的机理,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,1. 卤代 在铁或铁盐的催化下加热，苯环上氢原子被氯或溴取代。,（二）常见的亲电取代反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,反应机理,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第一步： Br2的极化,图 溴分子的极化,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第二步：极化了的溴进攻苯环,图 芳正离子的形成,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三步：失去质子恢复芳香体系,图 恢复芳香体系,第三节 苯及其衍生物的化学反应,2. 硝化反应,混 酸,

7、反应机理,第三节 苯及其衍生物的化学反应,适当加热，可逆反应,3. 磺化反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,磺化反应是可逆的。,制备酚类化合物。,H2SO4,NaOH,NaOH,300oC,H+,第三节 苯及其衍生物的化学反应,4. Friedel-Crafts 烷基化和酰基化反应,（1）Friedel-Crafts 烷基化反应,催化剂：AlCl3, FeCl3, SnCl4, ZnCl2, BF3等。,烷基化试剂：卤代烃，醇，烯烃等（以醇、烯烃为烷基化试剂时，往往采用酸催化）。,催化剂的活性： AlCl3 FeCl3 BF3 ZnCl2 SnCl4,第三节 苯及其衍生物的化学反应,烷基化反

8、应机理：,第三节 苯及其衍生物的化学反应,当烷基含三或三个以上碳原子时，常发生重排：,由于反应通过碳正离子中间体，因此有重排现象。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,酰基化试剂：酰卤，酸酐，羧酸等。,催化剂及其活性同上。,（2）Friedel-Crafts 酰基化反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,酰基化反应机理,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,傅-克烷基化与酰基化反应的相同之处,反应所用催化剂相同；反应历程相似。 ii. 当芳环上有强吸电子基(如：NO2、COR、CN等)时，既不发生 FC 烷基化反应，也不发生 FC 酰基化反应。 当芳环上连有氨基、羟基时，很

9、难发生FC 反应。 当芳环上取代基中的X或CO处于适当的位置时,均可发生分子内反应。,傅-克烷基化与酰基化反应的不同之处,烷基化反应常伴有重排；而酰基化反应则不发生重排。,ii. 烷基化反应难以停留在一取代阶段，往往 得到的是多元取代的混合物；而酰基化反应却可以停留在一取代阶段。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,iii. 烷基化反应是可逆反应，而酰基化反应 是不可逆反应。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,二、取代苯的亲电取代反应的定位规律,取代基导入苯环以后，在取代苯环进行亲电取代反应，取代基对苯环进入第二个取代基产生比较大的作用。,（一）取代基对反应速率的影响,相对 速率,103 25 1

10、3 10-2 1 10-7,第三节 苯及其衍生物的化学反应,能使亲电取代反应活性提高的基团：-OH、-CH3、-R,活化基团,钝化基团,能使亲电取代反应活性降低的基团：-X、-COOH、-NO2,（二）一取代苯的亲电取代反应的定位规律,一元取代苯进行亲核取代反应时，第二个基团可处于邻位、间位或对位，但处于三个位置的几率不是均等的，取决于第一个取代基。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,1. 第一类定位基（邻对位定位基） Ortho- and para- directing activators,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节

11、 苯及其衍生物的化学反应,2. 第二类定位基（间位定位基） Meta-directing deactivators,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,取代基的分类及依据:,E+ 亲电取代,几率 40% 40% 20%,已有的基团对后进入基团进入苯环的位置产生制约作用，这种制约作用称为取代基的定位效应,取代基的定位效应:,第三节 苯及其衍生物的化学反应,活化基团：若取代基引入后，取代苯的亲电取代反应 速度比苯快，则取代基为活化基团。 钝化基团：若取代基引入后，取代苯的亲电取代反应 速度比苯慢，则取代基为钝化基团。,邻对位定位基：邻对位

12、产物 60%，G为邻对位定位基。 间 位 定 位 基：间位产物40%。 G为间位定位基。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,取代基的分类,邻对位定位基： 一般使苯环活化 亲电取代反应比苯快（卤素除外） -O-, -NR2,-NHR, -NH2, -OH, -NHCOR, -OCOR, -R, -X,间位定位基：一般使苯环钝化 亲电取代反应比苯慢 -N+R3, -NO2, -CX3, -CN, -SO3H, -CHO, -COR, -CO2H, -CO2R, -CONH2,第三节 苯及其衍生物的化学反应,（三）双取代苯的定位效应,已有两个取代定位效应一致，由定位效应决定。 已有两个取代基属于同一类

13、定位基，并且定位效应不一致，由定位效应强者决定。 已有两个取代基属于不同类别定位基，并且定位效应不一致，由邻对位定位基决定。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,两个间位定位基，定位方向一致时，服从定位效应。,两个邻对位定位基，定位方向一致时，服从定位效应。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,一个是邻对位定位基，一个是间位定位基，并且定位方向不一致时，服从邻对位定位基。,两个邻对位定位基，定位方向不一致时，服从强者。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,20%,43%,17%,19%,二个间位定位基定位方向矛盾时，服从强者。,二个定位基定位能力没有太大差别时，得到混合物。,第三节 苯及其衍生物的化学反应

14、,(四)定位效应的应用,1.预测反应的主要产物,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,（2）选择合适的合成路线,第三节 苯及其衍生物的化学反应,三、苯的加成和氧化反应,1. 苯的加成反应,400-500,第三节 苯及其衍生物的化学反应,2. 苯及其同系物的氧化反应,苯环不易被氧化。 温和氧化剂： CrO3 +Ac2O； 强氧化剂： K2Cr2O7-H2SO4, KMnO4-H2O, KMnO4-H2SO4-H2O 更强氧化剂： V2O5,第三节 苯及其衍生物的化学反应,侧链碳原子存在-H时，可以发生氧化反

15、应 生成-COOH，但叔烷基不存在-H，不被氧化。,第三节 苯及其衍生物的化学反应,四、烷基苯侧链的反应,自由基取代反应,第三节 苯及其衍生物的化学反应,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,多环芳烃：,稠环芳烃：两个或两个以上的苯环彼此共用相邻 的两个碳原子,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,萘 蒽 菲,一、萘的结构,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,二、萘的性质 (一) 亲电取代反应 1. 卤化,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,2硝化,3. 磺化,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,4.傅克反应,(二)氧化反应,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,(三)还原反应,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,四、非苯芳烃,（一）芳香性(Aromaticity)与Huckl规则,1. 芳香性结构特点 (1) 碳原子以sp2杂化形成环状化合物 (2) 成环原子共平面 (3) 形成闭合环状大键，基态时电子处于成键轨道 (4) 电子数符合4n+2规则,第四节 多环芳烃和非苯芳烃,2. Huckl规则 一个具有共平面、环状闭合、共轭体系的单环多烯化合物，只有当其电子数符合4n+2时，