高等第8章 芳环取代

1、第第8章章 芳环芳环亲电和亲电和亲核取代反应亲核取代反应 ( )一一. 亲电取代反应亲电取代反应 ( )1. 反应机理反应机理 芳正离子的生成芳正离子的生成 加成消除机理加成消除机理2. 反应的定向与反应活性反应的定向与反应活性 ( )a. 反应活性与定位效应反应活性与定位效应 b. 动力学控制与热力学控制动力学控制与热力学控制 ( ) c. 邻、对位定向比邻、对位定向比 ( ) 亲电试剂活性亲电试剂活性 空间效应。空间效应。 极化效应极化效应 溶剂效应溶剂效应 螯合效应螯合效应 原位取代原位取代 (Ipso attack) ( )3. 取代效应的定量关系取代效应的定量关系a. 分速度因数与选

2、择性分速度因数与选择性 ( ) b. Hammett 方程方程 ( )二二. 芳环上亲核取代反应芳环上亲核取代反应 ( )1. 加成消除机理加成消除机理2. SN1机理机理 ( )3. 消除加成机理消除加成机理 （苯炔机理）（苯炔机理）( )三三. 芳环上的取代反应及其应用芳环上的取代反应及其应用教学目的与要求教学目的与要求v1、掌握亲电取代反应机理和定位效应、掌握亲电取代反应机理和定位效应 v2、了解芳香化合物的亲核取代、了解芳香化合物的亲核取代教学课时教学课时: 2: 2课时课时 CCCCCCHHHHHH 芳环上离域的芳环上离域的电子的作用，易于发生电子的作用，易于发生亲电取代反应，只有当

3、芳环上引入了强吸电亲电取代反应，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。子基团，才能发生亲核取代反应。一一. 亲电取代反应亲电取代反应（一）（一） 加成消除机理加成消除机理2H2SO4HNO3H3O+HSO4-NO2+2NO2+NO2HHNO3H2SO4NO2H EEE+Nu-络合物络合物芳正离子芳正离子芳正离子生成的芳正离子生成的一步是决定反应一步是决定反应速率的一步速率的一步卤代反应：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

4、正离子脱去质子脱去质子实验已经证实芳正离子的存在：实验已经证实芳正离子的存在：CH3CH3H3CC2H5F/BF3-80CH3CH3H3CH C2H5BF4-m. p: -15（二）（二） 亲电取代反应的特性与相对活性亲电取代反应的特性与相对活性反应活性：反应活性：致活效应：致活效应：取代基的影响使芳环的反应活性提高；取代基的影响使芳环的反应活性提高；致钝效应：致钝效应：取代基的影响使芳环的反应活性降低。取代基的影响使芳环的反应活性降低。Y第一类定位基：第一类定位基：N(CH3)2, NH2,OH, OCH3, NHCOCH3,OCOCH3， Cl, Br, I,CH2COOCH3CH3,卤素

5、对芳环有致钝作用卤素对芳环有致钝作用第一类取代基第一类取代基 （除卤素外）具有（除卤素外）具有+I， 或是或是C效应，效应， 其作用是增大芳环的电子云密度。其作用是增大芳环的电子云密度。第二类定位基：第二类定位基：NO2CN SO3H CHOCOCH3COOHCOORCONH2NH3+N(CH3)3+具有具有I或或C效应效应使芳环上的电子云密度降低。使芳环上的电子云密度降低。定位效应定位效应 (Orientation)：芳环上取代基对于芳环上取代基对于E+进入芳环位置的影响。进入芳环位置的影响。第一类定位基邻对位定位基第一类定位基邻对位定位基第二类定位基间位定位基第二类定位基间位定位基CHCH

6、2+ E邻邻对对位位CHCH2HECHCH2HECHCH2HECHCH2HE间间位位CHCH2HECHCH2HECHCH2HE共振式越多，共振式越多，正电荷分散正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。程度越大，芳正离子越稳定。动力学控制与热力学控制动力学控制与热力学控制+H2SO480165SO3HHSO3HH165位取代动力学控制产物；位取代动力学控制产物；位取代热力学控制产物。位取代热力学控制产物。邻位和对位定向比：邻位和对位定向比：CH3HNO3H2SO4NO2+BF4-/CH3CNm%o%p172.36033769229相对速率1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：亲电试剂的活性越高，选择性

7、越低：2) 空间效应越大，对位产物越多：空间效应越大，对位产物越多：C(CH3)3H2SO4C(CH3)3SO3H100%极化效应：极化效应：XX o% p% m%F 12 88 0Cl 30 69 1 I 32 60 8 X 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。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。较大的空间效应使它进入较

8、大的空间效应使它进入1位。位。螯合效应：螯合效应：NO2NO2OCH2CH2OCH3-NO3-(邻）69%（对）28%CH2NO2CH2OCH3CH2CH2OCH3NO2HNO2CH2CH2OCH3-H+产物能够发生螯合能够发生螯合效应的条件：效应的条件：1杂原子能与杂原子能与试剂结合；试剂结合；2）所形成环为）所形成环为五员环或六员五员环或六员环。环。原位取代原位取代 (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Ipso效应：效应：CH3CH(CH3)2NO2OAcAc2OCH3CH(CH3)2NO2+CH3CH(CH3)2NO2+C

9、H3NO282%8%10% 取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷的能力。的能力。CH(CH3)2比较稳定，异丙基容易作为比较稳定，异丙基容易作为正离子消除。正离子消除。3. 取代基的定量关系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) 分速度因数与选择性分速度因数与选择性从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度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)y位置的数目位置的数目 通过每一个位置取代苯的活性

10、与苯比较，把总的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。苯的取代速率的结果。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。fokPhH/6kPhZ/2异构体o100kPhZ/2kPhH/6异构体m100fmfp异构体p100kPhH/6kPhZ/1例如：例如：在硝酸与乙酸酐的体系中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甲苯的硝化速度是苯进行硝化反应的23倍，倍，取代产物的百分比为：取代产物的百分比为： 邻邻 对对 间间63 3

11、4 3fo(6)(2)(23)(1)(0.63)43.5fm(6)(2)(23)(1)(0.03)2.1fp(6)(1)(23)(1)(0.34)46.9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：Cl0.0290.00090.137OCH30.252.31045.5410氯苯的三个分速度因数均小于氯苯的三个分速度因数均小于1，卤素是致钝基团，卤素是致钝基团，且且 fm fm-OCH3 对邻、对位具有对邻、对位具有C, I效应，效应，C I 对间位，只有对间位，只有I, 而无而无C效应。效应。5,10,15,20四苯基卟啉四苯基卟啉PhHO+H+

12、NNHNHNPhPhPhPhO2+NH 亲电芳香取代反应亲电芳香取代反应A. D. Adler, et.al., J. Org. Chem., 1967, 32, 476.J. S. Lindsey, et.al., J. Org. Chem., 1987, 52, 827.C. M. Drain, et.al., Chem. Commun., 1997, 42,2117. 芳香环如吡咯也可作为芳香化合物进行亲电取代反应合成卟啉类化合物。例如由苯甲醛和吡咯合成5，10，15，20-四苯基卟啉的反应机理如下：NHPhHO+H+PhHOH+PhHOH+NH-H+PhHOHNH+H+PhHOHNHH

13、+-H2OPhHNH+NHHNNHPhHH+HNNHPhHH6 6次次亲亲电电芳芳香香取取代代反反应应NNHNHNHPhPhHPhHHPhNNHNHNPhPhPhPhO5,10,15,20四苯基卟啉四苯基卟啉2Hammett 方程方程描述分子结构和化学活性的定量关系的表示。描述分子结构和化学活性的定量关系的表示。lgkXkH()xHammett 方程：方程：lgkXkHxx取代基常数取代基常数 直线斜率直线斜率底物不同，底物不同，不同；不同；反应条件不同，反应条件不同， 不同。不同。只与反应性质相关，只与反应性质相关，称为反应常数。称为反应常数。 表示了取代基对反应表示了取代基对反应速率的影响

14、。速率的影响。当当 0时，时， 吸电子基团加速反应；吸电子基团加速反应；当当 0, 取代基为吸电子基团；取代基为吸电子基团； 0, 取代基为供电子基团。取代基为供电子基团。二二. 芳环上亲核取代反应芳环上亲核取代反应Cl共扼pNO2 CN COCH3 CF3当芳环上连时，也可发生亲核取代反应1. 加成消除机理加成消除机理XXNuNu-NuX-Nu-=OH- NH2- RNH- RO-慢决定步骤X=NO2OR卤素等芳烃亲核取代反应负离子机理Meisenheimer络合物络合物OHClOH-450MPa350ClNO2NO2O2NNO2O2NNO2OHOH-25NO2NO2NNHLNO2NO2L=

15、Cl Br I SO2Ph p-O2NC6H5O-LNuLNu-Nu快F Cl，Br, ISmiles重排是指符合下列通式的一组重排：YCCZO2NYCCZO2NY=S、SO、SO2、O、COO等Z=OH、NH2、NHR、CONH2、CONHR、SH及CH3的共轭碱碱SOHO-O2SNO2O2-OH如：O-O2SNO2-OHSOO2SOHO2SONO2O2螺环负离子中间体（Meisenheimer络合物）SNAr-反应机理：NO2NO2O2NOCH3OC2H5O2NNO2NO2KOC2H5NO2O2NOC2H5NO2H3COOCH32. SB1 反应反应N N+N2+OH2+OH+H2O-H+

16、快KIIN2+Cl-NH2NaNO2HCl桑德迈耳反应和加特曼反应桑德迈耳反应和加特曼反应Ar-N N Cl -+桑德迈耳反应桑德迈耳反应推广的桑德迈耳反应推广的桑德迈耳反应HBr + CuBr or HCl + CuClArBr or ArClArBr or ArCl ArCNArNO2 or ArSO3Na or ArSCNKCN + CuCN （中性条件）（中性条件） Cu + HBr or Cu + HClCu + NaNO2, Cu + Na2SO3Cu + KSCN加特曼反应加特曼反应推广的加特曼反应推广的加特曼反应桑德迈耳的反应机理（自由基取代反应）桑德迈耳的反应机理（自由基取代

17、反应）+N N CuCl+N NCl+ CuCl+ CuCl2 + N2+ CuCl CuCl2 提供一个提供一个Cl络合络合电子转移电子转移席曼反应（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，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 热分解产生氟苯热分解产生氟苯.（1927年发现）年发现）NH2+ N2 + BF3 NaNO2 / H2OHCl 0oC C6H5-N N Cl -+HBF4NaBH4 C6H5-N N BF4 -+F不稳定不稳

18、定溶解度较小，溶解度较小，稳定性较高稳定性较高反应机制：反应机制：SNlArNH2+ NO+BF4- C6H5-N N BF4 -+ C6H5-N N Cl -+HBF4 C6H5-N N BF4 -+-N2+ BF4-F+ BF3F BF3（氟硼酸亚硝盐）（氟硼酸亚硝盐）(1). 刚穆伯刚穆伯-巴赫曼反应巴赫曼反应定义：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 刚穆伯刚穆伯-巴赫曼反应。巴赫曼反应。芳香化合物的芳基化芳香化合物的芳基化芳基取代

19、另一个芳环上的氢，称为芳基化反应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）（自由基取代反应）or NaNO2-中性有机溶剂中性有机溶剂 反应条件温和反应条件温和Ar-N2+Cl- + Ar1HNaOH-H2O-苯体系苯体系Ar-Ar1规律：芳环上有取代基时，偶联反应在取代规律：芳环上有取代基时，偶联反应在取代 基的邻对位发生。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.反应机理反应机理N2Cl- + NaOH+ N NOH-NaCl+N=N OH+ N2 + OH 一些重氮盐在碱性或稀酸的条件下发生分子内的偶联一些

20、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。反应称为普塑尔反应。(2) 普塑尔反应普塑尔反应ZZN2+碱碱Z： CH=CH CH2-CH2 NH C=O CH2COOHCH=CN2+COOHCH=CCOOHHCOOH反反应应机机理理-H.Cu-N2 -苯基肉桂酸的苯基肉桂酸的重氮盐重氮盐吸电子基通常是：吸电子基通常是：C=C，C=O，C=N，x，Ar，COOH 等。等。(3). 麦尔外因反应麦尔外因反应 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。作用，使后者芳基化的反应称为麦尔外因反应。eg 1eg 2+N N Cl -+N N Cl -O2NCH=CH-CNCH-CHCNClCH=CCNCH=CH-COOHO2NC=CHCOOHO2NCH=CH+-CO2 CuCl2-N2 10-30oC-HCl-N2 -HClCuCl