第八章芳环上的取代反应

第八章芳环上的取代反应

§8-1亲电取代反应

一．亲电取代反应历程

芳环上的亲电取代反应历程为：反应物与亲电试剂首先形成π络合物，然后转变成σ络合物，后者失去质子（通常是H+）生成产物。即反应历程是加成-消除历程。慢快快二．亲电取代反应的特性和相对活性1.反应活性和定位效应

一取代苯再进行亲电取代反应时，基团进入苯环的位置，取决于苯环上原有取代基的性质。苯环上原有取代基对新进入的基团进入苯环上的位置的影响，称为定位效应。邻对位定位基使新进入的基团主要进入苯环的邻位和对位，同时使苯环活化，即反应速度一般比苯大；间位定位基主要使新进入的基团进入苯环的间位，同时使苯环钝化，即反应速度比苯小。常见的邻对位定位基有：-O-，-NR2，-NHR，-NH2，-OH，-OR，-NHCOR，-OCOR，-SR，-R，-Ar，-COO-。间位定对基有：-N+R3，-NO2，-CN，-SO3H，-CHO，-COR，-COOH，-COOR，-CONH2，-CCl3，-N+H3。邻对位定位基无论是诱导效应还是共轭效应的作用方向是否一致（如甲基相同，OH-相反，+C>-I），总的结果是供电子基；间位定位基为吸电子基（如硝基）。卤素是一类特殊的取代基，它们是使苯环发生钝化，但是邻对位定位基，这是因为卤苯在发生亲电取代反应时，动态的共轭效应起主导作用。2.邻位和对位的定向比一取代苯的亲电取代反应，从反应的几率来看，邻位和对位的取代产物之比应为2：1，但实验结果并非如此，这是因为影响因素的不同。（1）亲电试剂活性的影响

一般来说，亲电试剂的活性越大，对于邻位和对位的选择性越小。如在甲苯中的硝化，当亲电试剂不同时对位和邻位的产率为：

%o-（邻）%p-（对）相对速度HNO3/68%H2SO4

603717HNO3/CH3NO2

593721NO2+BF4-/CH3CN

69292.3（2）空间效应的影响亲电试剂和苯环上原有取代基的体积越大，对位异构体的量越多。如叔丁苯和溴苯的磺化，几乎都生成100%的对位异构体。（3）极化效应的影响卤苯的硝化反应邻对位产物的比为：从空间效应来看，I>Br>Cl>F，应邻位取代越来越少，但以上结果相反，这是因为，F的电负性大，对邻位产生的吸电子效应大，使邻位的电子云密度下降最多，从而不利于邻位取代。

%o-%p-F

1288Cl

3069Br3762I

3860（4）溶剂效应的影响亲电取代反应通常在极性或非极性溶剂中完成，溶剂效应对取代苯的邻对位比例有一定的影响。如取代苯在硝基烷中的氯代反应，得到大量的对位异构体，因为氯化试剂与溶剂结合后阻碍了在邻位上的进攻。（5）螯合作用当环上的取代基与亲电试剂发生络合时，通常发生邻位取代。如1-苯基-2-甲氧基乙烷在CH3CN中用N2O5硝化比用混酸硝化有较高的邻对位比。邻位产物较多的原因是因为通过螯合作用实现的。用N2O5硝化：邻位产物69%对位产物28%用HNO3硝化：邻位产物32%对位产物59%（6）原位取代在亲电取代反应中，亲电试剂取代苯环上原有取代基称为原位（ipos）取代。如：苯环上原有取代基被取代的难易，取决于离去基团带有正电荷离去的能力。离去基团的离去能力：H+>>I+>Br+>NO2+>Cl+3.取代基效应的定量关系

（1）分速度因数和选择性

苯环上原有取代基对于其它基团进入苯环上的位置所产生的影响，称为取代基效应。取代基效应包括：电子效应和空间效应等。分速度因数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。分速度因数可定量表示基团的定位效应。取代苯每个位置上分速度因数的确定：是以苯的六个位置之一为比较标准，规定其值为1，若分速度因数值大于1的，说明该位置的反应活性大于苯，小于1者则反应活性小于苯。计算方法为：

fo=[(k取代苯/2)/(k苯/6)]×o-异构体(%)/100fm=[(k取代苯/2)/(k苯/6)]×m-异构体(%)/100fp=[(k取代苯/1)/(k苯/6)]×p-异构体(%)/100

fo、fm、fp分别为邻、间、对位上的分速度因数，k取代苯为取代苯的反应总速率，k苯为苯的总反应速度（为1），邻位有两个，间位有两个，对位有一个，苯上有六个，因此分别有除2，2，1和6。如甲苯和苯在乙酸中45℃时用硝酸硝化，甲苯比苯快24.5倍，而得到的异构体比为：o为57%，m为3.2%，p为40%，据此可计算出：

foCH3=24.5/2×6×0.57=42

fmCH3=24.5/2×6×0.032=2.4

fpCH3=24.5/2×6×0.4=59以上数据说明：甲苯的硝化反应，其分速度因数都大于1，且邻位和对位的数值更大，说明甲基活化苯环上所有位置，尤其是邻位和对位。如氯苯的硝化和甲氧基苯的硝化的分速度因数为：OCH30.030.00090.14Cl2.3X1040.255.5X104对于不同的反应物进行相同的反应（即亲核试剂相同），分速度因数的值不同，说明不同的反应物对同一试剂的选择性不同，这种选择性叫反应物选择性，它表明环上原有的取代基对某一种亲电试剂使苯环活化或钝化的程度。反应物的选择性高时，通常间位和对位的产率相差比较大，反之，反应物的选择性差时，其差值比较小。如甲苯进行硝化、氯代、溴代时的分速度因数为：CH3CH3CH338.91.345.761358206095.52420硝化氯代溴代同一反应物对不同试剂三个位置的相对速度不同，即选择性不同，这种选择性叫位置选择性。通常位置选择性和反应物选择性是不可分割的。总之，选择性既决定于环上原有取代基，也决定于亲电试剂。当知道一取代苯的分速度因数之后，可以预测多取代苯进行反应时所得异构体的比例。如知道甲苯相对于苯的乙酰化反应的分速度因数后，可计算出间二甲苯相对于苯的乙酰化反应的分速度因数为：在计算每一个位置的分速度因数时，两个甲基对该位置的作用一般等于两个甲基相对位置的分速度因数的乘积。但在许多情况下多元取代苯并不符合此规则。

CH3CH34.54.87494.5x4.5=20CH34.8x4.8=234.5x749=3375（2）Hammett方程

Hammett方程是表示分子结构与化学活性之间的定量关系式之一。Hammett研究了苯甲酸的酸性和邻位、对位取代苯甲酸的酸性，发现苯甲酸的电离常数和邻位或对位取代苯甲酸的电离常数之比的对数值是一个常数。即：σ=lg(Ka/K0a)式中K0a代表苯甲酸于25℃下在水中的电离常数，Ka代表取代苯甲酸在同样条件下的电离常数。σ是一个常数，它只与取代基的性质及其在苯环上的位置有关，称为取代基常数（或取代基特性参数）。如苯甲酸和对氯苯甲酸的电离常数分别是6.25×10-5和10×10-6,则

σ=lg(10×10-6/6.25×10-5）=0.204如将氯变为硝基，对硝基苯甲酸：

σ=0.78当Ka>K0a时，lg(Ka/K0a)>0，σ为正值；当Ka<K0a时，lg(Ka/K0a)<0，σ为负值。当取代基是H时，即苯甲酸，σ为0。当Ka>K0a时，说明取代基的存在有利于酸的离解，该取代基是一个吸电基。当Ka>K0a时，说明取代基是吸电基时，σ为正值；反之，取代基是供电基时，σ为负值。无论σ值是正还是负，其绝对值越大，说明取代基效应越强。若知道某一取代基的σ值后，可以判断该取代基的性质及其影响程度。由于取代基的σ值与苯环上第二个官能团无关，因此，σ值不随反应而变，它是取代基静电效应的反映。Hammett发现，邻位和对位取代苯甲酸酯和苯甲酸酯水解常数之比的对数与σ值有很好的直线关系，即Hammett方程：

lg(Kh/K0h)=ρlg(Ka/K0a)=ρσ或：lg(K/K0)=ρσ式中K0h为苯甲酸乙酯的水解常数，Kh为取代苯甲酸乙酯的水解常数。ρ为反应常数。选用苯甲酸的电离作为参考反应，规定它的ρ=1ρ值的大小，主要决定于环上取代基对于起反应的基团所产生电子效应影响的大小，故它是衡量某一反应能感受取代基影响的尺度。在方程式lg(K/K0)=ρσ中，如果反应物的性质不变，σ是定值，lg(K/K0)与ρ的关系反映了反应的性质。它们的关系有三种情况：ρ>0，反应为吸电子基所加速；ρ<0，反应为供电子基所促进；ρ等于或接近于0，取代基对反应影响不大。ρ值无论正、负，其值越大，说明取代基对反应速度影响越大；反之，其值越小，影响越小。ρ值在阐明反应历程方面很有用，因为它能够描述过渡态相对于反应物对电子的要求。如芳基磺酰氯的水解反应，在15℃丙酮溶液中进行时，ρ=+0.84，在15℃水溶液中进行时，ρ=-0.30。在丙酮中进行的水解反应，由于ρ为正值，故反应为吸电基所加速，由于正值较大，吸电基的影响也较大，反应将按双分子亲核取代SN2历程进行。从取代基的电子效应来看，吸电基降低了硫原子上的电子云密度，而有利于水分子的进攻，即有利于中间体的生成，故反应按SN2历程进行。

在水溶液中进行的水解反应，由于ρ值是较小的负值，故供电基对反应有利，但影响较小，反应按单分子亲核取代SN1历程进行。如：反应速度取决于硫氯键的异裂，当取代基是供电基时，它能中和硫原子上的正电荷，而使中间体得到稳定，所以供电基有利于反应的进行利用Hammett方程，如果知道一个反应的ρ值，可以计算某种取代基的取代基常数σ；或者利用σ和ρ值，求得反应的相对K值。如下列反应：

ρ=+4.92，当取代基Z分别为OCH3和CF3时，σ分别是σp-OCH3=-0.27,σp-OCF3=+0.54。根据Hammett方程可以写成：注意：Hammett方程的应用有一定的局限性。Hammett方程中主要是取代基的电子效应对反应的影响，但不适用于空间效应的情况，当邻位取代基的空间效应太大时，Hammett方程就不适用了，因此，Hammett方程通常不适用于邻位取代物。§8-2亲核取代反应

一.亲核取代反应的历程1．SNAr2－加成-消除历程

如下列反应：2．SN1历程

某些重氮盐发生亲核取代反应时，按SN1机理进行。如：慢快重氮盐之所以能够分解成很不稳定的芳基正离子，其推动力是由于-N2+是一个很容易离去的基团，且其离去后形成了稳定的氮分子。3.苯炔机理－消除-加成历程NaNH3+38%62%如下列反应：二．反应活性

1.反应物的结构对活性的影响

芳环上的亲核取代反应进行的难易程度以及按何种历程进行，与反应物的结构有密切关系。（1）按加成-消除历程(SNAr2)进行的亲核取代反应

当环上有吸电子基时，尤其是在离去基团的邻位和对位，使亲核取代反应加速，有供电子基时则反应受阻。下列化合物进行亲核取代由易到难的次序是：当离去基团的邻位和对位有供电子基时，不仅按加成-消除历程进行的亲核取代反应较难进行，且有相当部分将按消除-加成（苯炔机理）历程进行，但随着离去基团不同，两种历程的比例不同。越是容易离去的基团，按加成-消除历程进行的量也越多，如：

（2）按SN1历程进行的亲核取代反应

重氮盐的水解反应是SN1反应，当环上有供电子基时，有利于重氮基被亲核试剂取代。当环上有吸电子基时，不利于重氮基的离去和芳正离子的稳定，不利于亲核取代反应。如：（3）按消除-加成历程（苯炔机理）进行的亲核取代反应

对于一元取代苯，取代基是离去基团时，亲核试剂