芳香族化合物的取代反应

第九章芳香族化合物的取代反应芳环上离域的π电子的作用，易于发生亲电取代反应，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。(一)反应历程：一、芳环上的亲电取代反应1.芳烃正离子历程亲电试剂进攻芳环，生成σ-络合物，然后离去基团(H)以正离子形式离去。如果进攻试剂是偶极分子，产物必然带负电荷，然后偶极子的一部分携带电子对断键离去，决定反应速度的步骤中涉及两种分子，又称SE2反应。卤代反应：溴分子在FeBr3的作用下发生极化

生成芳正离子脱去质子第一步形成一个芳烃负离子；第二步结合一个正离子完成反应。2.SE1历程重点证明SE2历程：(a)中间体的离析与鉴定

(b)同位素效应1.芳烃正离子历程的中间体---σ-络合物(二)反应历程的证明研究：σ络合物又称为Wheland络合物或芳基正离子。有的σ络合物可以分离鉴定。有的σ络合物可以用NMR检测出来。苯在超强酸(HF-SbF5-SO2ClF-SO2F2)中，-134ºC下生成的σ络合物的13CNMR的化学位移为：C(3):178.1;C(1),C(5):186.6;C(2),C(4):136.9;C(6):52.2。电荷分布：碳1、3、5均带有+1/3电荷。说明正电荷主要分布在1，3，5位碳原子上(这种络合物的酸性很强，pKa<-10).在某些特别的反应中由反应产物可以推测σ络合物的存在。例如，在下列反应中生成的螺环化合物可能是由σ络合物起分子内反应生成的π络合物

生成π络合物，性质不同于σ络合物。例如，苯与HCl生成的π络合物没有颜色，也不导电，苯与DCl生成的π络合物分解后，回收的苯不含氘；而苯与HCl和AlCl3生成的σ络合物有颜色，导电，苯与DCl和AlCl3生成的σ络合物分解后回收的苯中含有氘。有人提出：芳环的亲电取代反应先生成π络合物(实际上是电子给予体与电子接受体之间生成的结合微弱的传荷络合物)，再变成σ络合物，最后得到取代产物。反应进程E2.同位素效应当一个反应进行时，在决定反应速率的步骤中发生了反应物分子的同位素键的断裂，将显示初级动力学同位素效应。最常见的是，反应物分子中的氢被氘取代后，反应时有速率上的不同，这种变化称为氘同位素效应，用kH/kD表示。例如下列反应有动力学同位素效应，说明质子是在决速步的失去的：芳环亲电取代反应中，如果氢离子在亲电试剂到达前离开，或氢离子的离开和亲电试剂的到达同时发生，就会有同位素效应（氘代底物的取代反应比非氘代底物慢）。因为在上述的每种情况下，C-H键都在决速步骤中断裂。在芳基正离子机理中，C-H键的断裂不在决速步骤发生，无同位素效应；在芳环硝化反应中证实无同位素效应。容易观察到较小的同位素效应(kH/kD

=

1-3，而非正常的6-7)：第一步具有可逆性及由此引起的分配效应所产生的。若k2>>k-1,无同位素效应若k2<或=k-1，第二步C-H键断裂对反应速度有较大影响，用D换H后，ArDY+的k2比ArHY+的k2小，但第一步的k-1相同，更多中间体ArDY+被转化为底物，即ArDY+的分配因素(k2/k-1)比ArHY+的小，导致ArD的反应比ArH慢，就会观察到同位素效应。在2,4,6-三叔丁基苯的溴化反应中，kH/kD=3.6，这是由于在σ络合物中Br和H分别位于环平面的前后，失去H+变成产物时，迫使体积大的溴原子挤在两个邻位叔丁基之间，位阻使k2变小，成为决定反应速率的步骤：6与重氮盐的偶联无同位素效应，8的偶联反应kH/kD

=

6.95由于空间位阻原因，9比7难以失去质子，k2变小证明SE1历程：(a)反应动力学为一级反应

(b)苯环上吸电子取代基提高反应速度给电子取代基降低反应速度(三)典型的亲电取代反应1付瑞德-克拉夫茨(C.Friede-J.M.Crafts)反应

(1)付-克烷基化反应在路易斯酸作用下,芳烃与卤代烃、醇、烯烃等反应生成烷基苯,称为烷基化反应。卤代烃、醇、烯烃等称为烷基化试剂。特点：1°常用的催化剂是无水AlCl3，此外FeCl3、BF3、无水HF、SnCl4、ZnCl2、H3PO4、H2SO4等都有催化作用。2°当引入的烷基为三个碳以上时，引入的烷基会发生碳链异构现象。3°烷基化反应不易停留在一元阶段，通常在反应中有多烷基苯生成。4°烷基化反应是可逆的，在适当条件下可分别得到速度控制或平衡控制产物。低温下主要为速度控制产物高温下(或过量催化剂下)主要为平衡控制产物5°苯环上有–NO2、-SO3H、-COOH、-COR等间位取代基时，烷基化反应不再发生。例如，硝基苯就不能起付-克反应，且可用硝基苯作溶剂来进行烷基化反应。6°凡苯环上含有OH，OR，-NH2等基团通常不起反应。原因之一可能是由于碱性的氨基和作为催化剂的路易斯酸结合，使之无法发挥催化剂的作用。而且所生成的基团使苯环变得不活泼。7°烷基化反应也可在分子内进行，生成环状化合物。(2)付-克酰基化反应芳烃在路易斯酸催化作用下与酰卤、酸酐等反应,生成芳酮。催化剂的作用是形成酰基碳正离子。特点：

（1）酰基化反应不发生酰基异构现象。

（2）酰基化反应不能生成多元酰基取代产物。

（3）酰基化产物含有羰基，能与路易斯酸络合，消耗催化剂，催化剂用量一般至少是酰化试剂的二倍。

（4）苯环上有强吸电子基，不发生酰基化反应酰化反应也是可逆的，在适当条件下可分别得到速度控制或平衡控制产物。酰化反应也可在分子内进行。若反应物为羧酸时，采用的催化剂为聚磷酸(PPA)。与酰化反应有关的重要反应：(1)加特曼-科赫反应

芳环上有强吸电子基，不能发生反应。1897年GattermannL和KochJC用AlCl3和Cu2Cl2作催化剂，将CO和HCl气体通入反应混合物中，得到了芳醛。CH3+CH3++COHClCH3少量

AlCl3CHOCHO(2)加特曼反应

1907年Gattermann用HCN(甲酸的酰胺)作酰化剂，在AlCl3和HCl催化下使芳烃酰化，也得到芳醛，但产率不高。HCN有剧毒，使用不便，后来改用Zn(CN)2和HCl代替，用于酚和酚醚的甲酰化，得到了较高的产率。(3)霍施反应

1915年HoeschK将Gattermann反应推广，用腈代替HCN来制备芳基酮。但一般用多元酚为原料：与HCN反应生产醛与腈反应生成酮(4)瑞默尔-蒂曼反应

酚与氯仿在碱性溶液中加热在芳环上引入醛基的反应。含有羟基的喹啉、吡咯、茚等杂环化合物也能进行此反应

：主要为邻位产物(4)维斯梅尔反应

芳烃用二取代甲酰胺及三氯氧磷处理得到醛类。这是目前在芳环上引入甲酰基的常用方法。N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-N-苯基甲酰胺是常用的甲酰化试剂。用于酚、酚醚、芳胺等的甲酰化。2重氮盐偶联反应

芳基重氮离子也是一种亲电试剂，由于它的亲电进攻能力弱，只能进攻高度活化的芳环，如酚和芳胺，反应的历程：重氮正离子进攻分子中电子云密度最大的地方--对位，若对位被占据则进攻邻位。++:与酚的偶联：在弱碱介质中进行有利。OH-

-

最佳条件是：pH=8~10。与芳胺的偶联：在弱酸介质中进行有利，反应介质的pH=5~7为宜。偶联反应不能在强酸或强碱性介质中进行。在强酸介质中，酚或芳胺都能被质子化而使苯环钝化，因而难以与弱的亲电试剂反应。重氮盐的苯环上有吸电基，使重氮盐正电性增加，其亲电进攻的能力也愈强。偶氮化合物的结构可分为重氮部分和偶联部分。重氮部分偶联部分-X2

二、定位效应和反应活性

定位基的分类

致活基团和致钝基团（考虑对反应活性的影响）

邻对位定位基和间位定位基（考虑对反应取向的影响）(一)邻、对位定位基和间位定位基特点：与苯环相连的原子带有孤对电子或负电荷1.邻、对位定位基(1)具有+I效应的基团δ-δ-δ-CHHH烷基使苯环电子云密度升高，而活化苯环烷基对苯环的致活作用的大小顺序为：CH3>CH3CH2>(CH3)2CH>(CH3)3C(2)具有+I和+C效应的基团烷氧负离子(3)具有-I和+C效应的基团+C>-I，活化苯环：OH,-OR,-NH2,-NR2

等δ-δ-δ-OR：:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+

OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+

OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+-I

>+C，钝化苯环：X

2.间位定位基特点：带有正电荷或与苯环直接相连的原子带有双键或三键(1)具有很强的-I效应的基团+NR3,CX3

降低苯环的电子云密度，钝化苯环都有一个吸电子基团与带正电荷的碳原子直接相连,能量高,不稳定(2)具有-I和-C效应的基团NO2,CN,SO3H,CHO等(二)分速度因数(f)

分速率因数(f):

取代苯进行再取代时，在某一位置上进行取代的速率与苯在一个位置上进行取代的速率之比。即：以苯的六个位置之一为比较标准，衡量取代苯中某个取代位置的反应活性的数值。分速度因数(f)=(6)(k取代)(z产物的百分比)y(k苯)

分速率因数有fo,fm,fp

当f>1时，该位置的活泼性比苯大,否则比苯小。分速度因素可用竞争法测定:将一取代苯和苯的等量混合物，在同一均相溶液中与不足量的亲电试剂反应，待竞争反应趋于完成后，得到产量的比值，因为试剂不足量，故产量的比例反应了取代苯与苯的反应速率常数比k取代苯

/k苯。再通过HPLC得到邻、间、对位二取代产物的相对含量例如，将等mole的苯和甲苯与少量硝酸在乙酐溶液中,30ºC下反应，生成产物用色谱分析，所得硝基苯与硝基甲苯mole数之比为1:23，硝基甲苯中邻、间、对异构体分别占63、3和34%。分速率都大于1，说明甲基活化了苯环的所有位置，尤其是邻位和对位。氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：氯苯的三个分速度因数均小于1，说明氯原子钝化苯环上所有位置，尤其是间位。fp≈fo>1，fm<1

分速度因素揭示了：(1)底物选择性：环上定位基对某亲电试剂的致活程度的大小(2)位置选择性：同一底物上邻、间、对三种位置的相对取代速度。(三)影响邻/对位取代产物比例的因素

(1)空间效应越大，对位产物越多：Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12表一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例(2)电子效应：XFClBrI邻位硝化产物百分比12303841X具有-I效应，使邻位的电子云密度降低

FClBrI电负性依次降低－I效应依次减小电子云密度降低的位置是不利于E+进攻的。(3)亲电试剂的反应活性

亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。(4)螯合效应：当亲电试剂与环上原有基团发生相互作用如生成活性中间体或络合物，则会使邻位产物增多。能够发生螯合效应的条件：杂原子能与试剂结合；所形成环为五员环或六员环。(5)自位取代(Ipso取代):

在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用原有取代基离去的难易程度取决于其容纳正电荷的能力，即生成正离子的能力。(6)溶剂效应E+被硝基苯溶剂化，体积增大，较大的空间效应使它进入1位。三、芳香族亲核取代反应

芳环的电子云密度较高，很难被Nu-进攻而直接引入OH、OR、NH2等基团，只能通过亲核置换来完成。首先在芳环上引入Cl、SO3H、N2+等吸电子取代基，使苯环上电子云密度降低，有利于亲核置换的发生。在离去基团的邻对位有吸电子取代基存在时，对反应有利。(一)加成－消除机理第一步进攻试剂与底物成键形成中间体碳负离子，然后离去基团离去；通常