芳香取代课件

ElectrophilicAromaticSubstitutionReagentsNitrationSulfonationFriedel-CraftsReactionsDiazotizationElectrophilicMetallation芳香取代反应的一般式：其中E1为氢、烷基、卤素等。对取代苯，若亲电试剂直接进攻取代基所在的位置时，被称为ipso-attack。1）卤素充当亲电试剂卤素可以三种方式进行反应：1）X2分子自身发生极化，其中带部分正电荷的卤素原子作为亲电试剂。2）利用Lewis酸作催化剂，促使X2分子发生极化，形成带正电的X+。3）利用卤素盐中X+的进行卤化。常见碘化试剂：ICl、AcOI、CF3CO2I等，也可用I2+ZnCl2产生ICl。碘与芳烃一般不能直接反应。硝化反应(nitration)常见的硝化试剂为HNO3/H2SO4，该试剂可以产生NO2+。具体过程如下：NO2+是一个极强的亲电试剂，在CH3NO2中，甲苯在HNO3/H2SO4中的硝化速率与[PhCH3]无关，NO2+的形成是决速步。目前已经分离出像NO2+BF4-这样强的硝化试剂。此外，硝化试剂还有HNO3，HNO3+Ac2O,MNO3+AcOH等。磺化反应(sulfonation)芳烃的磺化通常由浓硫酸或SO3在有机溶剂中进行的。在稀溶液中，SO3本身就是进攻试剂。而在浓硫酸中，情况较复杂。在fume硫酸中，存在SO3和未电离的硫酸分子的单聚体直至四聚体。Friedel-Crafts反应F-C烷基化反应：常见试剂为RX+AlCl3.此外，烯、醇和硫醇在适当的催化剂存在下也可以充当烷基化试剂。催化剂的活性因不同的F-C反应有所不同，但一般的次序为：AlCl3>SbCl5>FeCl3>TiCl2>SnCl4>TiCl4>TeCl4>BiCl3>ZnCl2.F-C酰化试剂：酰氯、酸酐、酯和羧酸+LewisAcids,如BF3和AlCl3.进攻试剂一般认为是酰基正离子。重氮化反应(diazotization)试剂：由芳香胺与亚硝酸作用生成的重氮离子ArN2+。该反应一般在较低温度下进行，反应速率与溶液的pH值有关。金属盐参与的亲电取代反应常见试剂：各种汞盐和铊盐，如HgCl2，Hg(ClO4)2Tl(OCOCF3)3。三氟乙酸铊与芳烃反应形成高产率的ArTl(OCOCF3)2，这是有价值的合成试剂。1950年以前，芳香亲电取代反应被认为是一步进行的。反应过渡态为：当时认为这种机理很好地说明了反应过程中芳环未被破坏的原因。但是，50年代后，人们发现了很多与此机理不符的证据。Melander发现，苯衍生物的溴化和硝化的同位素效应很小，kH/kT1.3。而C-H若在TS中已有部分断裂，那么kH/kT应为10-20.由此否定了Directdisplacement,并提出了一个多步机理(multistep)：1）无同位素效应；2）碱不催化反应。属第一类.1）kH/kD在水中为6.55；2）[Py]为0.0232M,0.905M时，kH/kD为6.01和3.62；3）速率与[Py]间无线性关系。属第三类。由此可见，p-与s-complexes时确实存在的。但这一事实并不能说明芳香取代反应中存在那种中间体。有人已经测定了一系列甲基取代苯形成的p-与s-complexes的稳定性，以及它们的溴化和氯化反应的相对速率，具体结果如下表。由此可见，溴化与氯化反应的中间体应该是s-complex。另外，取代苯的溴化反应速率可以s+相关，而不能与sm和sp相关，也说明s-complex的存在。s-complex的稳定性对取代反应的同位素效应大小有明显地影响。立体因素对同位素效应的大小也有较大地影响。在下列化合物的溴化反应中，kH/kD随着苯环上立体位阻的增大而增大。说明s-complex失去质子的能力逐渐减弱。SelectivityandOrientation取代苯与亲电试剂反应时，取代基的性质对反应速率以及反应产物的分布都有很大的影响。一般而言，加快反应速率的取代基会使取代发生在其邻、对位。而减慢反应的取代基使取代发生在其间位。唯一例外的是卤素原子。它们使反应减速，但取代主要发生在其邻、对位。这是因为它们的诱导效应与共轭效应的相对大小在基态和过渡态发生了逆转。为了确切地描述取代反应速率与苯环上位置的关系，人们引入了分速率因子(partialratefactor).其定义为：取代苯特定位置上的反应速率/苯上一个位置的取代速率。1953年，H.C.Brown观察到，一种E+进攻甲苯的p-位和m-位时的选择性，可以与分别进攻甲苯和苯时表现出的选择性有线性相关关系。即若将分子内的选择性因子(selectivityfactor)Sf定义为：那么，分子内与分子间的选择性可以用下式进行相关：对许多亲电试剂E+，上述线性关系是成立的。唯一偏离这一直线的是NO2BF4.Olah也发现，其它高活性的硝化试剂，如AcONO2,HNO3-H2SO4,也有同样偏差。Olah还认为，甲苯反应中表现出的分子内高选择性，是由于过渡态中对轨道对称性的要求。E+仅与甲苯的HOMO发生有效作用，在形成p-络合物时，E+只能与二个符号相同的p轨道产生作用，即：A、B二种过渡态是允许的，C是不可以的。A只转化成o-络合物；B主要转化为p-络合物，少量转化为m-络合物。但是，一个Olah无法说明的问题是既然NO2+与苯和甲苯的反应如此之快，反应应该是扩散速率控制的，即不应该有分子间的选择性。此外，这些反应速率只与[NO2+]有关，而与[ArH]无关。说明s-络合物的形成也不是反应的决速步.但是，1,2,4-三甲苯在HNO3-H2SO4中的反应仍表现出区域选择性。同位进攻（IpsoAttack）Perrin发现，在同位取代中，离去基团的能力大小次序为H+>>I+>Br+>NO2

+>Cl+。烷基所在的位置也可以发生同位进攻，但R基团一般不易离去。如：NucleophilicAromaticSubstitutionSNArSubstitutionBenzyneMechanismNucleophilicSubstitutionsonAromaticDiazoniumCompoundsSRN1MechanismMeisenheimer通过选择合适的底物，成功地分离出了亲核加成中间体盐。后来，多个这类盐被分离、鉴定。这种盐被称为Meisenheimercomplex.在SNAr反应中，亲核加成还是离去基团的离去是决速步，主要取决于底物、亲核试剂和溶剂的性质。底物分子内拉电子基团越多，拉电子能力越强，加成越易发生；离去基团离去能力越强，则消除反应越易发生；亲核试剂能力越强，加成易进行；在Aproticsolvent,消除较难进行。这是一个特殊碱催化和一般酸催化反应，质子的转移在决速步中发生。当Ar为对甲氧基苯基时，反应为base-catalyzed.当Ar为2,4-二硝基苯基时，反应不须碱催化，就可以很快进行。苯炔机理对2-D-溴苯，反应的同位素效应kH/kD为5.5。即质子的移去为决速步；而对2-D-氟苯，与溶剂分子间的质子交换速率很快，但无苯胺形成，即F的离去很难进行。苯炔中间体已经被截捕到：重氮正离子的取代同位素标记证明，反应是可逆的：在反应液中，加入radicalscavenger,反应产物及其分布与X=Cl、Br时相同。Bunnett建议了下述机理：因为上述机理中含有Substitution,Radical,Nucleophilic,Unimolecular等特征，所以被称为SRN1。这类反应可以通过电