高等有机第六章芳环上的亲电和亲核取代反应

1、第六章第六章 芳环上的亲电和亲核取代反应芳环上的亲电和亲核取代反应 芳环上的取代反应与饱和碳原子上的取芳环上的取代反应与饱和碳原子上的取代反应相似，有亲电取代、亲核取代和自代反应相似，有亲电取代、亲核取代和自由基取代反应。随反应物和试剂等条件的由基取代反应。随反应物和试剂等条件的不同，将发生不同类型的取代反应。不同，将发生不同类型的取代反应。CCCCCCHHHHHH 在脂肪族碳原子上的取代反应主要为亲核取代在脂肪族碳原子上的取代反应主要为亲核取代反应，而在芳香族主要为反应，而在芳香族主要为亲电取代反应亲电取代反应，这是，这是由于芳香环上具有较高的电子云密度，进攻试由于芳香环上具有较高的电子云密

2、度，进攻试剂为正离子或偶极及诱导偶极的正的一端，而剂为正离子或偶极及诱导偶极的正的一端，而离去的原子团不带成键电子对。离去的原子团不带成键电子对。 强吸电子基团取代的芳香化合物在一定条件下强吸电子基团取代的芳香化合物在一定条件下也可以进行也可以进行亲核取代反应亲核取代反应。在亲核取代反应中，。在亲核取代反应中，进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的原子进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的原子或基团，离去或基团，离去基团以弱碱负离子或分子的形式基团以弱碱负离子或分子的形式离去，其实用价值不如亲电取代反应。离去，其实用价值不如亲电取代反应。 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：C

3、H3CH3H3CC2H5F/BF3-80CH3CH3H3CH C2H5BF4-m. p: -156. 1 亲电取代反应亲电取代反应一、苯环的亲电取代反应历程（加成一、苯环的亲电取代反应历程（加成- -消除反应消除反应历程）历程） 苯及同系物的亲电取代历程，可用通式表示如下：苯及同系物的亲电取代历程，可用通式表示如下：E+EHE- H+ 络合物 络合物E硝化反应历程硝化反应历程HONO2 + HOSO2OHH2O+-NO2 + SO4H- H2ONO2NO2NO2HNO2NO2- H+H+ +SO4HH2SO4+ 络合物 络合物卤代反应历程卤代反应历程Br2FeBr3HBrFeBr4-Br+HC

4、lFeBr3Br-Br 络合物 络合物磺化反应历程磺化反应历程2 H2SO4SO3 + H3O+ + HSO4SO3HHSO3SOOO+H+烷基化反应历程烷基化反应历程CH2CH3+CH3CH2BrAlCl3 HBrCH3CH2-Br.AlCl3CH3CH2 +AlCl3Br+CH3CH2CH2CH3HH+AlCl3 +二、二、 苯环上亲电取代反应的定位规律苯环上亲电取代反应的定位规律 1 两类定位基两类定位基 问题的提出问题的提出定位效应定位效应一元取代苯再亲电取代，新的取代基可进入原取代基（一元取代苯再亲电取代，新的取代基可进入原取代基（定位定位基基）的邻、间、对位，生成三种异构体。若定位

5、基对取代反应进攻）的邻、间、对位，生成三种异构体。若定位基对取代反应进攻位置无影响，则邻、间位异构体应各占位置无影响，则邻、间位异构体应各占40%，对位应占，对位应占20%。(1)甲苯硝化时，甲苯硝化时，NO2+主要进攻甲基的邻、对位，且比苯容易；主要进攻甲基的邻、对位，且比苯容易；(2)硝基苯再硝化时，硝基苯再硝化时，NO2+主要进攻硝基的间位，且比苯困难。主要进攻硝基的间位，且比苯困难。结论：结论：原有取代基对新引入的基团：原有取代基对新引入的基团：(1)进入苯环的位置有指进入苯环的位置有指定作用；定作用；(2)影响苯环的活性。取代基的这种作用称为影响苯环的活性。取代基的这种作用称为定位效

6、应定位效应(orientation effect)。定位规律定位规律(orientation rule) 定位基的定位效应、与苯相比的反应活性以及影响亲电取代的其定位基的定位效应、与苯相比的反应活性以及影响亲电取代的其它因素（如立体效应）的总称。它因素（如立体效应）的总称。 邻邻 对对 位位 定定 位位 基基(第一类第一类)间间 位位 定定 位位 基基(第二类第二类)强烈活化强烈活化: O , NR2, NHR, NH2, OH中等活性中等活性: OR, NHCOR, OCOR较弱活化较弱活化： Ph, R较弱钝化：较弱钝化： F, Cl, Br, I, CH2Cl强烈钝化：强烈钝化： +NR

7、3， +NH3， NO2， CF3， CCl3中等钝化：中等钝化： CN, SO3H, CHO, COR， COOH, CONH2（1）第一类定位基）第一类定位基邻对位定位基邻对位定位基 使新引入的取代基主要进入它的邻、对位（邻位和对位异构使新引入的取代基主要进入它的邻、对位（邻位和对位异构体之和大于体之和大于60%）；）；除卤素、氯甲基外，一般使苯环活化。这类定位基与苯环直除卤素、氯甲基外，一般使苯环活化。这类定位基与苯环直接相连接的碳原子上，一般只具有单键接相连接的碳原子上，一般只具有单键(有未共用电子对有未共用电子对)或带负电或带负电荷。荷。（2）第二类定位基）第二类定位基间位定位基间位

8、定位基 使新引入的取代基主要进入它的间位（间位异构体大于使新引入的取代基主要进入它的间位（间位异构体大于40%）；）；使苯环钝化。这类定位基与苯环相连接的碳原子上一般具有使苯环钝化。这类定位基与苯环相连接的碳原子上一般具有重键重键(电负性较大电负性较大)或带正电荷。或带正电荷。1 1）表现）表现- -I I及及+ +C C效应的基团效应的基团(1) +C效应效应-I 效应的基团效应的基团:这类基团包括这类基团包括-OR，- OH，-NR2HCOOHCH3OCOOHHOCOOHH2NCOOHK = 6.27 x 10-5K =3.88 x 10-5K = 2.95 x 10-5K = 1.2 x

9、 10-52. 苯环上不同取代基的电子效应苯环上不同取代基的电子效应(2) I+C 效应的基团效应的基团,典型例子为典型例子为 -F，-Cl，-Br，-I等等2)表现表现+C及及+I效应的基团效应的基团: 苯氧负离子的氧带负电荷，苯氧负离子的氧带负电荷，它有供电子的它有供电子的+ I效应，同时其未共享电子对和苯环效应，同时其未共享电子对和苯环共轭，电子云向苯环转移（共轭，电子云向苯环转移（+ C效应）。效应）。3) 表现表现+I效应的基团效应的基团: 甲基、乙基、异丙基和叔丁基甲基、乙基、异丙基和叔丁基等烷基，致活作用的顺序一般服从超共轭效应。即等烷基，致活作用的顺序一般服从超共轭效应。即CH

10、3 CH3CH2 (CH3 )2 CH (CH3)3C。4) 表现表现-I效应的原子团，典型例子：效应的原子团，典型例子：-N+R3 ，P+R3， As+R3，CCl3，N+H3等强吸电子基团。等强吸电子基团。5) 表现表现-I与与-C效应的原子团，包括效应的原子团，包括NO2，CN，SO3H，CHO，COR，COOH，COOR，CONH2 等吸电子等吸电子基团。基团。三、定位规律的理论解释三、定位规律的理论解释 亲电取代反应的定位规律可从反应物的亲电取代反应的定位规律可从反应物的电子效应电子效应和和 络合络合物的稳定性物的稳定性两方面去解释。两方面去解释。 对苯环来说，环上电子云密度是平均分

11、布。但当引入一个对苯环来说，环上电子云密度是平均分布。但当引入一个取代基后，由于取代基的影响取代基后，由于取代基的影响(供电子或吸电子供电子或吸电子)，会使苯环上，会使苯环上电子云密度分布发生变化。由于苯环共轭链的传递作用，一般电子云密度分布发生变化。由于苯环共轭链的传递作用，一般使电子云密度出现使电子云密度出现交替分布的现象交替分布的现象。结果造成苯环各位置上发。结果造成苯环各位置上发生亲电取代反应的难易程度不同。生亲电取代反应的难易程度不同。 1.邻、对位取代基对苯环的影响，以甲苯、苯酚和氯苯为例。邻、对位取代基对苯环的影响，以甲苯、苯酚和氯苯为例。 (1)甲苯甲苯 在甲苯中，无论从诱导效

12、应还是共轭效应，甲基都表现为在甲苯中，无论从诱导效应还是共轭效应，甲基都表现为供电子性，使苯环上电子云密度增加，更有利于亲电试剂的进供电子性，使苯环上电子云密度增加，更有利于亲电试剂的进攻。所以说，甲基使苯环活化。攻。所以说，甲基使苯环活化。 在共轭体系中，电子云的传递在共轭体系中，电子云的传递是是交替极化交替极化，即使甲基的，即使甲基的邻位和对位上电子云密度增加的更多些，量子化学计算邻位和对位上电子云密度增加的更多些，量子化学计算,甲甲苯中各碳上电子云密度分布如图。所以亲电试剂主要进攻邻苯中各碳上电子云密度分布如图。所以亲电试剂主要进攻邻位和对位。位和对位。CHHHOOOCH30.961.0

13、170.9991.011CH3C sp3C sp2为为电负性sp2 sp3电荷移向苯环甲基具有 + ICHHH具有 共轭有 效应+ C从反应历程和从反应历程和 络合物的稳定性看：络合物的稳定性看： 由反应历程看，由反应历程看， 络合物越稳定，反应的活化能越小，越容易反应。络合物越稳定，反应的活化能越小，越容易反应。当亲电试剂进攻甲苯时，可能形成三种当亲电试剂进攻甲苯时，可能形成三种 络合物。可以看出，当亲电试剂络合物。可以看出，当亲电试剂进攻邻、对位时，甲基与带部分正电荷的碳相连，使正电荷得到分散，这两进攻邻、对位时，甲基与带部分正电荷的碳相连，使正电荷得到分散，这两种络合物就较稳定，而进攻间

14、位时，正电荷得不到分散，就不稳定。络合物种络合物就较稳定，而进攻间位时，正电荷得不到分散，就不稳定。络合物越稳定，过渡态就也稳定，活化能就越低。越稳定，过渡态就也稳定，活化能就越低。CH3HEOOOCH3OOOEHCH3OOOHE(2) 苯酚苯酚 诱导效应使芳环电子云密度降低，用诱导效应使芳环电子云密度降低，用“I”表示。表示。共轭效应使芳环电子云密度增加，用共轭效应使芳环电子云密度增加，用“C”表示。表示。但在苯酚中，但在苯酚中，+C -I，所以总的结果，所以总的结果使苯环电子云密度增加。与甲苯相似。由于使苯环电子云密度增加。与甲苯相似。由于P ，所以，所以，羟基的供电羟基的供电性大于甲基的

15、供电性。性大于甲基的供电性。苯酚比甲苯更容易进行亲电取代反应。苯酚比甲苯更容易进行亲电取代反应。与苯酚相似的还有：与苯酚相似的还有：OHOOOOCH3OOONH2OOO(3) 氯苯氯苯 在氯苯中，具有与苯酚相似的情况。即共轭与诱导在氯苯中，具有与苯酚相似的情况。即共轭与诱导效应方向相反。但不同的是，在氯苯中，效应方向相反。但不同的是，在氯苯中，+C -I，总的结果是苯环上电子云密度，总的结果是苯环上电子云密度降低。因此，降低。因此，氯苯比苯难进行亲电取代反应氯苯比苯难进行亲电取代反应。如。如氯苯硝化比苯慢氯苯硝化比苯慢33倍。但由于共轭效应使苯环的倍。但由于共轭效应使苯环的邻、对位电子云密度增

16、加，所以总的结果使苯环邻、对位电子云密邻、对位电子云密度增加，所以总的结果使苯环邻、对位电子云密度下降的较少。亲电试剂主要进攻电子云密度较高的邻、对位。所度下降的较少。亲电试剂主要进攻电子云密度较高的邻、对位。所以，以，氯苯是钝化芳环，邻、对位定位基。氯苯是钝化芳环，邻、对位定位基。与氯苯相似的还有氟苯、溴苯、碘苯。与氯苯相似的还有氟苯、溴苯、碘苯。ClOOO2. 间位定位基对苯环的影响间位定位基对苯环的影响以硝基苯为例：以硝基苯为例：由于由于N、O的电负性大于碳，诱导效应的电负性大于碳，诱导效应使芳环上电子云密度降低，用使芳环上电子云密度降低，用“I”表示。表示。从共轭效应看，硝基有一个键，

17、当它从共轭效应看，硝基有一个键，当它与苯环相连时，就与苯环的大与苯环相连时，就与苯环的大 键发生键发生 共轭，形成大共轭体系。在这个大共轭共轭，形成大共轭体系。在这个大共轭体系中，由于氧的电负性较大，使共轭体系体系中，由于氧的电负性较大，使共轭体系中电子云向氧一边偏移，表现为吸电子性。中电子云向氧一边偏移，表现为吸电子性。用用“C”表示。总的结果是：诱导和共轭表示。总的结果是：诱导和共轭方向一致，都使苯环电子云密度降低。亲方向一致，都使苯环电子云密度降低。亲电取代比苯更难。电取代比苯更难。与硝基苯相似的还有与硝基苯相似的还有苯磺酸、苯甲酸、苯甲腈等。苯磺酸、苯甲酸、苯甲腈等。NO2NO20.7

18、00.7050.790.72OOONOONOO34910四、二取代苯的定位规律四、二取代苯的定位规律 当苯环上已有两个取代基时，第三个取当苯环上已有两个取代基时，第三个取代基的位置由原来两个取代基共同决定。代基的位置由原来两个取代基共同决定。根据定位是否一致，又分为两种情况根据定位是否一致，又分为两种情况:1.两个取代基定位效应一致，两个取代基定位效应一致，进入共同决进入共同决定的位置。定的位置。2.两个取代基定位效应不一致时，又分为两个取代基定位效应不一致时，又分为两种情况：两种情况：(1)两个取代基属于同类第三个取代基进入两个取代基属于同类第三个取代基进入的位置主要由的位置主要由定位能力强

19、的决定定位能力强的决定。(2)两个定位基不同类，两个定位基不同类，邻、对位定位基定邻、对位定位基定位能力强于间位定位基。位能力强于间位定位基。OHCH3NO2COOHCH3NO2OHNO2NH2NO2OHCOCH3五、空间效应五、空间效应 空间效应：又称空间阻碍效应或空间位阻效应。是分子中空间效应：又称空间阻碍效应或空间位阻效应。是分子中原有基团对新引入基团产生的一种空间阻碍作用。例如：原有基团对新引入基团产生的一种空间阻碍作用。例如：CH3CH3SO3HCH3SO3H+H2SO4浓室温32%62%13%79%100度六、定位规律在有机合成中的应用六、定位规律在有机合成中的应用例例1在合成之前

20、，先要考虑几个问题：在合成之前，先要考虑几个问题：(1)要考虑定位规律和空间效应。要考虑定位规律和空间效应。(2)要考虑引入三个基团的先后顺序。要考虑引入三个基团的先后顺序。(3)要考虑反应的难易，产率的高低。要考虑反应的难易，产率的高低。一般是先引入供电子基和大一般是先引入供电子基和大基团基团。CH(CH3)2ClSO3HCH(CH3)2ClSO3HCH3CHCH2AlCl3CH(CH3)2Cl2FeCl3CH(CH3)2ClH2SO4100度CH(CH3)2SO3HCl2FeCl3由于空间效应产率不高。例例2例例3OHHONO2OHHOH2SO460度OHHOSO3HHO3SOHHOSO3

21、HHO3SNO2浓混酸30度稀酸100度CH3NO2Br2FeBr3CH3BrNO2COOHBrNO2COOHNO2Br2FeBr3COOHNO2K2Cr2O7H2SO4K2Cr2O7H2SO4BrCH3CH3NO2A A）直接硝化）直接硝化B B）磺化、硝化、脱磺酸基）磺化、硝化、脱磺酸基 CH3浓H2SO4CH3SO3H浓H2SO4浓HNO3CH3SO3HNO2CH3NO2H3+O例例4 4 用甲苯为原料，合成邻硝基甲苯用甲苯为原料，合成邻硝基甲苯课堂习题课堂习题参考答案：参考答案：2. 由由苯和不超过三个碳原子的脂肪族化合物苯和不超过三个碳原子的脂肪族化合物为原料合成邻溴苄溴：为原料合成

22、邻溴苄溴：CH2BrBrCH3BrCH3Cl CH3Br2/Fe NBS CH2BrBrH2SO4 H3+O 参考答案：参考答案：七、邻位和对位定向比七、邻位和对位定向比 按照反应几率，应为按照反应几率，应为2：1，但实际并非如此，其影响因素如下：，但实际并非如此，其影响因素如下：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%3、极化效应、极化效应 例如，卤

23、苯进行硝化反应时：例如，卤苯进行硝化反应时：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。4、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

24、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。八八. 取代基效应的定量关系取代基效应的定量关系分子结构与化学活性之间存在一定的定量关系分子结构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) =k取代取代/yk苯苯/6 是一取代苯进行再取代时，在其一个位置上进行是一取代苯进行再取代时，在其一个位置上进行取代的速度与苯的一个位置上进行取代的速度之比。取代的速度与苯的一个位置上进行取代的速度之比。 z产物的百分比产物的百分比y位置的数目

25、位置的数目 为了计算分速度因数，需要测定一取代苯进行再取代为了计算分速度因数，需要测定一取代苯进行再取代时的总速率常数，和测定苯在同样条件下进行取代时的总时的总速率常数，和测定苯在同样条件下进行取代时的总速率常数。速率常数。 方法是将一取代苯和苯的等摩尔混合物，在同一均相方法是将一取代苯和苯的等摩尔混合物，在同一均相溶液中与一个不足以完全单一取代其中之一的亲电试剂反溶液中与一个不足以完全单一取代其中之一的亲电试剂反应。因为亲电试剂的量是不足的，所以产量的比例反映了应。因为亲电试剂的量是不足的，所以产量的比例反映了各母体的比较反应速度。各母体的比较反应速度。 当当 f 1 时，该位置的活泼性比苯

26、大时，该位置的活泼性比苯大, 否否则比苯小。则比苯小。fokPhH/6kPhZ/2异构体o100kPhZ/2kPhH/6异构体m100fmfp异构体p100kPhH/6kPhZ/1例例如：如：在硝酸与乙酸酐的体系中，甲苯的硝化速度是苯进行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硝化反应的23倍倍（设苯的硝化速度为设苯的硝化速度为1） 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 34 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氯苯氯苯和和苯甲醚苯甲醚进行

27、硝化反应时，分速度因数分别为：进行硝化反应时，分速度因数分别为：Cl0.0290.00090.137OCH30.252.31045.5410氯苯氯苯的三个分速度因数均小于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 对于邻、对位具有对于邻、对位具有C, -I效应，效应，C -I 对于间位，只有对于间位，只有-I， 而无而无C效应。效应。2. Hammett方程 也是表示分子结构与化学活性之间的定量关系式也是表示分子结构与化学活性之间的定量关系式之一。通过测定苯甲酸和间对位取代苯甲酸在水之一。通过测定苯甲酸和间对位取代苯甲酸在水溶液中分别测定它们的电离常数，来考察取代基溶液中分别测定它们的电离常数，来考察取代基对于酸性的影响，可以判断出该取代基的总的电对于酸性的影响，可以判断出该取代基的总的电子效应。子效应。6.2 芳环上亲核取代反应芳环上亲核取代反应Cl共扼pNO2 CN