基础有机化学：第18章 含氮芳香化合物 芳香亲核取代反应

1、第十八章 含氮芳香化合物 芳香亲核取代反应,一 芳香硝基化合物 二 芳香胺 三 重氮盐在合成上的应用 四 苯炔,本章提纲,一） 芳香硝基化合物,一 表达方式与结构 物理性质、光谱性质和用途 三 芳香硝基化合物的重要化学性质 四 制备,18.1 表达方式与结构,结构示意图,两个等价的共振式，结构是对称的,分子表达式,硝基的电子效应 强吸电子基团（吸电子诱导、吸电子共轭,硝基的同分异构体 芳香硝基化合物与亚硝酸（芳基）酯是同分异构体。 Ar-NO2，Ar-O-N=O,18.2 物理性质、光谱性质和用途,1 物理性质： 一元芳香硝基化合物是高沸点液体，多数是有机物的良好溶剂。 不溶于水，有毒。 二元

2、和多元芳香硝基化合物为无色或黄色固体,2 光谱性质： 硝基的IR光谱在1365-1335 cm-1，1550-1510 cm-1 处有吸收峰,3 用途: 一元氯化硝基苯是橡胶，医药和染料工业的重要原料。 多元硝基化合物是炸药,18.3 芳香硝基化合物的重要化学性质,18.3.1 还原反应,亚硝基苯 （中间还原产物,苯基羟胺 （中间还原产物,SnCl2 + HCl; Fe + HCl Sn + HCl; Fe + HCl,Na2Cr2O7 + H2SO4,Fe + HCl,H2/催,Fe + HCl,Zn + NH4Cl + H2O,H2SO5,1）单分子还原反应,硝基苯,苯胺,2H,最终还原产

3、物,2）双分子还原反应,NaOH +H2O,2PhNO2,Ph-N=N-Ph,Ph-NH-NH-Ph,Zn NaOH H2O,As2O3,Zn +NaOH +H2O,氢化偶氮苯,氧化偶氮苯,偶氮苯,18.3.2 芳环上的亲核取代反应（SN2Ar,定义：芳环上的一个基团被一个亲核试剂取代，称为 芳环上的亲核取代反应,硝基对亲核取代反应的影响： 在芳香亲核取代反应中，硝基是一个活化的邻对位定位基,X,NO2,HX,HNO2,应用实例,SN2Ar反应机理,慢,大多数硝基化合物都是由芳环直接硝化制备的,18.4 芳香化合物的制备和用途,二） 芳香胺,一 芳胺的物理性质 二 芳胺的制备 三 芳胺的化学性

4、质,18.5 芳胺的物理性质,纯净的苯胺是无色的油状液体，有刺激性气味， 在空气中易自动氧化；不溶于水，有毒,1 硝基化合物的还原,芳胺的制备,2 芳环的亲核取代,3 用霍夫曼重排制备,or H2/Cu 加压 (产率 95,Fe + HCl (产率 100,NH3,NaOH + X2,加压,18.5 芳香胺的氧化 18.6 芳香胺芳环上的亲电取代反应 18.7 联苯胺重排 18.8 重氮化反应,芳胺的化学性质,N上有氢的芳香胺极易氧化，随氧化剂种类及反应条件的不同，氧化产物也不同。 三级芳胺或四级铵盐的N上没有H，很难氧化,18.5 芳香胺的氧化,18.6 芳香胺芳环上的亲电取代反应,NH2、

5、-NHR、-NR2、-NHAr等是强邻对位定位基,是空阻较大的中等强度的邻对位定位基,NH3，-NH2R，-NHR2，-NR3，-NH2Ar是间位定位基,定位效应,1） 卤化,I2,Br2 / H2O,HCl,Ac2O, CH3COONa,Br2 / H2O,H2O,H,2） 磺化,发烟 H2SO4 室温,浓H2SO4,180-190oC,H2O,重排,成盐,内盐 （两性离子,稀HCl,80oC,HOSO2Cl氯磺酸,RNH2,稀HNO3硝化主要得邻对位产物，浓HNO3硝化，主要得间位产物,3） 硝化,一级胺、二级由于胺氮上有氢，易被硝酸氧化，不宜直接硝化,三级苯胺由于N上没有氢，可以用硝酸直

6、接硝化,稀HCl, (CH3CO)2O,CH3COONa,回流,硝化试剂,水解,三级芳胺氮上没有H，可直接进行傅氏酰化反应,4） 酰化,一级芳胺、二级芳胺由于N上有氢，直接酰化时，芳核和N上都会发生酰基化。所以，必须将NH2保护,N, N-二甲苯胺与三氯氧磷，二甲基甲酰胺作用，在苯环上引入甲酰基的反应,5） Vilsmeier（威尔斯麦尔）反应,18.7 联苯胺重排,定义：氢化偶氮苯在酸催化下发生重排，生成4,4- 二氨基联苯的反应称为联苯胺重排,H,反应机制：重排是分子内的,极化过渡态理论,H,H,联苯胺,18.8 重氮化反应,定义：一级胺与亚硝酸作用，生成重氮盐的反应。 （pH3的酸性条件

7、,1 碱性弱的芳香胺不易发生重氮化反应。 *2 重氮化反应必须在酸性溶液中进行。 *3 重氮盐通常不从溶液中分离出来,0-5oC C2H5OH H2O,C6H5-NH2,NaNO2 + HCl, or C4H9ONO + CH3CO2H,反应机理,互变异构,重氮盐在碱性条件下的转换,KOH,HCl,HCl,HCl,KOH,正重氮酸盐,异重氮酸盐,一 桑德迈耳反应和加特曼反应 二 重氮盐的水解 三 席曼反应 四 芳香化合物的芳基化 五 重氮盐的还原 六 偶联反应,重氮盐在合成上的应用,桑德迈耳反应,推广的桑德迈耳反应,HBr + CuBr or HCl + CuCl,ArBr or ArCl,A

8、rBr or ArCl,ArCN,ArNO2 or ArSO3Na or ArSCN,KCN + CuCN （中性条件,Cu + HBr or Cu + HCl,Cu + NaNO2, Cu + Na2SO3,Cu + KSCN,加特曼反应,推广的加特曼反应,18.9.1 桑德迈耳反应和加特曼反应,桑德迈耳的反应机理（自由基取代反应,CuCl,CuCl2 + N2,CuCl,CuCl2 提供一个Cl,络合,电子转移,18.9.2 重氮盐的水解（SNlAr,定义：重氮盐在酸性水溶液中分解成酚和放出氮 气的反应,反应机理,74-79,1. 用重氮硫酸氢盐进行水解反应。 2. 芳基上的取代基对水解速

9、率的影响： 吸电子基团使反应速率减慢。 给电子基团处于邻对位，使反应速率减慢，处于间位 使反应速率加快,A-C6H4N2+Cl,A-C6H4 + + N2 + Cl,H2O, 29oC,A p-NO2 m-Cl H m-CH3 V相对 1/240 1/24 1 4.5,讨 论,18.9.3 席曼反应（Schiemann）（SNlAr,定义：芳香重氮盐和冷的氟硼酸反应，生成溶解度较小， 稳定性较高的氟硼酸盐，经过滤、干燥，然后加 热分解产生氟苯.（1927年发现,N2 + BF3,NaNO2 / H2O,HCl 0oC,HBF4,NaBH4,不稳定,溶解度较小，稳定性较高,反应机制：SNlAr,

10、NO+BF4,HBF4,N2,BF4,BF3,氟硼酸亚硝盐,席曼反应的推广（奥拉，1961年,无水HF， 固体NaNO2,1. 刚穆伯-巴赫曼反应 定义：芳香重氮盐的芳基在碱性条件下（或在中性有机溶剂 中）与其它芳香化合物偶联成联苯衍生物的反应称为 刚穆伯-巴赫曼反应,18.9.4、芳香化合物的芳基化,芳基取代另一个芳环上的氢，称为芳基化反应. （自由基取代反应,or NaNO2-中性有机溶剂 反应条件温和,Ar-N2+Cl- + Ar1H,NaOH-H2O-苯体系,Ar-Ar1,规律： 芳环上有取代基时，偶联反应在取代基的邻对位发生。 应用：是制备联苯和不对称联苯衍生物的重要方法,反应机理,

11、一些重氮盐在碱性或稀酸的条件下发生分子内的偶联 反应称为普塑尔反应,2. 普塑尔反应,碱,Z： CH=CH CH2-CH2 NH C=O CH2,反应机理,H,Cu,N2,苯基肉桂酸的重氮盐,吸电子基通常是：C=C，C=O，C=N，x，Ar，COOH 等,3. 麦尔外因反应,重氮盐在氯化铜的催化作用下，与带有吸电子基的烯烃作用，使后者芳基化的反应称为麦尔外因反应,eg 1,eg 2,CO2,CuCl2,N2 10-30oC,HCl,N2 -HCl,CuCl2,18.10、重氮盐的还原,去氨基还原时用的还原剂： 次磷酸，乙醇 （水相） 三正丁基锡（甲）烷，三乙基硅（甲）烷（有机相,还原成肼用的还

12、原剂： 硫代硫酸钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、HCl+SnCl2、 连二亚硫酸钠（保险粉,0-5oC,NaNO2 / HCl,N2 + CH3CHO + HCl,CH3CH2OH,还原剂,少量Zn粉,应用：在合成中，借用氨基定位,H3PO2,HNO3,还原,乙酰化,H3+O,HNO2,Cl2,18.11、重氮盐的偶联反应,定义：重氮盐正离子可以作为亲电试剂与酚，三级芳胺等 活泼的芳香化合物进行芳环上的亲电取代，生成偶 氮化合物，这类反应称为偶联反应,1. 与酚偶联,偶氮化合物,2. 与芳胺偶联,相同点：反应在邻，对位发生。 不同点：与酚偶联pH = 8-10，与芳胺偶联pH = 5-7 问题：为什

13、么主要产物为碳偶联产物,偶氮染料是最大的一类化学合成染料，约有几千个化合物，这些染料大多是含有一个或几个偶氮基（-N=N-）的化合物。 古代染料多数是从植物中提取的。少数珍贵染料如海螺紫等是从动物体内提取的。绝大多数染料是人工合成的。 *1. 1856年英国有机化学家帕金用重铬酸钾处理苯胺的硫酸盐，得到了第一个人工合成染料-苯胺紫。 *2. 1895年，格里斯发现了第一个重氮化合物，并制备了第一个偶氮染料-苯胺黄,3 偶联反应的应用,1） 合成偶氮染料,2） 合成氨基化合物,还原,p轨道形成封闭的共轭体系 sp2-sp2有微弱重叠，形成另一个键,三） 苯 炔,18.12 苯炔的结构,去氢苯 1

14、973年报道 IR证明,sp2杂化,18.13 苯炔的制备,1. 用邻氨基苯甲酸制备,对碰撞极敏感，也极易爆炸，但在非质子溶剂中较稳定，加热也不发生事故,CH3(CH2)4ONO,CH2Cl2,H,H2O + CH3(CH2)4OH,CO2 + N2,2. 用邻二卤代苯与锂或镁反应制备,25-50oC,M THF,MF,消除,M=Li, Mg,CH3CH2CH2CH2Li,乙醚，氮气保护,25-35oC,Li,LiCl,eg 2,eg 1,360oC 加压,NaNH2,10% NaOH,3. 用卤苯或邻对位无强吸电子基团的卤苯来制备,18.14 苯炔的反应,1. 二聚,eg 1,2. 亲核加成,eg 2,eg 3,ROH, RO-, RLi, NH3, RNH2 , RCOO-, RCHO等都 能作为亲核试剂,H,NaNH2,三烷基硼、卤素、卤化汞、卤化锡、卤化硅等亲电试剂均易与苯炔发生亲电加成,3. 亲电加成,三烷基硼与苯炔加成时，如烷基上有-H，可以脱掉一分子烯烃,eg 4,eg 5,I,CH2=CH2,4 环加成反应