芳环的亲电取代亲核取代反应及芳环取代基的反应

芳环的亲电取代亲核取代反应及芳环取代基的反应第1页/共103页第十二章

芳环的亲电取代、亲核取代反应及芳环取代基的反应

ElectrophilicandNucleophilicSubstitutionsatAromaticRings,ReactionsofSubstituentsofAromaticRings第2页/共103页本章主要内容一、芳环的亲电取代反应及机制二、取代基对芳环亲电取代反应的影响三、多环芳烃的亲电取代反应（自学为主）四、芳香杂环的亲电取代反应（自学为主）五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应六、芳环取代基的反应

—芳香重氮盐的形成及其在合成中的应用第3页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制Mechanism苯环的亲电反应与烯烃的对比分析不同之处：苯环具有芳香稳定能，与亲电试剂加成形成碳正离子需要更高的活化能类似点：苯环与烯烃的分子平面上下两方具有π键电子云，容易接受亲电试剂进攻第4页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制1.Mechanism

Step1:

亲电试剂进攻苯环的p键，形成碳正离子（与烯烃亲电加成反应类似）

Step2:

脱去一个质子，回复到稳定的芳香性苯环结构，生成取代反应产物（与烯烃不同）HEHEHEE++E-H+第5页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制Reactioncoordinatediagrams第6页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制—Therefore,theelectrophilethatcaneffectaromaticsubsitutionofbenzenemustbemorereactivethanthoseadditiontoalkenes.

因此，与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性ActivatedElectrophiles(活化的亲电试剂)—Cationformationbyreactionofanelectrophilewithanaromaticringisaccompaniedbythelossofaromaticstabilization.

正离子的形成伴随着芳香性的丧失第7页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制2.Thefivemostcommonelectrophilicaromaticsubstitutionreactions第8页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制以上几种亲电取代反应的亲电试剂如下：

---Cl-Cl+

--AlCl3

---Br-Br+--FeBr3

---I+

(obtainedbyI2+HNO3)

---+NO2

(obtainedbyHNO3+H2SO4)---+SO3H(fromH2SO4)orSO3---R+

(obtainedbyR-Cl+AlCl3)---RC+=O(obtainedbyRCOCl+AlCl3)第9页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制2.1Halogenation第10页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制2.1Halogenation第11页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制2.2Nitration第12页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制2.3Sulfonation---reversiblereaction可逆反应HSO4-H2SO4第13页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制2.4Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)Note:Rearrangementmayoccurinalkylation第14页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制2.4Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)第15页/共103页2.5Friedel-CraftsAcylation(傅氏酰基化)一、芳环的亲电取代反应及机制没有重排问题注意使用不同的酰化试剂时，催化剂的用量是不同的>1.0eq>2.0eq第16页/共103页一、芳环的亲电取代反应及机制思考题：如何从苯合成正丁基苯？第17页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响

Astudyofthechemistryofaromaticcompounds（芳香化合物）leadstodeeperunderstandingoftheeffectsofelectronicandstericfactors

（电子和空间因素）onreactivity,whichwillbeofbenefitinthefurtherstudyofchemistryandbiochemistry.

第18页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响1.ExperimentalFacts:CH3HNO3CH3NO2CH3NO2para-ortho-FasterthannitrationofbenzeneBrHNO3BrNO2BrNO2para-ortho-SlowerthannitrationofbenzeneNO2HNO3NO2SlowerthannitrationofbenzeneNO2meta-第19页/共103页2.Theeffectofsubstituentsonreactivity①Activatingsubstituents(致活基)

---Electron-donatingsubstituents(给电子基)increasethereactivityofthebenzeneringtowardelectrophilicaromaticsubstitution.

②Deactivatingsubstituents(致钝基)

---Electron-withdrawingsubstituents(吸电子基)decreasethereactivityofthebenzeneringtowardelectrophilicaromaticsubstitution.二、取代基对芳环亲电取代反应的影响第20页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响2.Theeffectofsubstituentsonreactivity第21页/共103页

Relativereactivity:

StronglyactivatingsubstituentsModeratelyactivatingsubstituentsWeaklyactivatingsubstituentsWeaklydeactivatingsubstituentsModeratelydeactivatingsubstituentsStronglydeactivating

substituents

二、取代基对芳环亲电取代反应的影响致活基致钝基取决于取代基电子效应对苯环电子密度影响的大小第22页/共103页邻、对位定位间位定位致活基致钝基第23页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响3.Theeffectofsubstituentsonorientation

①ortho/paradirectors(邻对位定位基)

---allactivatingsubstituentsareortho/paradirectors.

---theweaklydeactivatinghalogensareortho/paradirectors.

②metadirectors(间位定位基)

---alldeactivatingsubstituents(exceptthehalogens)aremetadirectors.第24页/共103页4.

定位效应与定位规律的分析与解释从实验事实提出的问题：

---

为什么致活基都是邻对位取代基？

---

为什么大多数致钝基都是间位定位基？

---

为什么卤素既是弱的致钝基，又是邻对位定位基？从以下三个方面进行分析讨论：

---

电子效应对苯环上电子云密度分布的影响

---

苯环上电子云密度分布的理论计算结果

---

反应中活泼中间体的结构与稳定性二、取代基对芳环亲电取代反应的影响第25页/共103页4.

定位效应与定位规律的分析与解释二、取代基对芳环亲电取代反应的影响4.1

电子效应对苯环上电子云密度分布的影响----NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR等基团具有给电子共轭和吸电子诱导作用，总结果为给电子共轭作用，苯环上电子云密度增加，亲电反应速率增大。---

邻对位电子云密度增加得更多，邻对位定位。第26页/共103页4.

定位效应与定位规律的分析与解释二、取代基对芳环亲电取代反应的影响4.1

电子效应对苯环上电子云密度分布的影响----CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等基团具有吸电子共轭和吸电子诱导作用，苯环上电子云密度降低，亲电反应速率降低。---

吸电子共轭作用使邻对位电子云密度降低得更多，间位定位。第27页/共103页4.

定位效应与定位规律的分析与解释二、取代基对芳环亲电取代反应的影响4.1

电子效应对苯环上电子云密度分布的影响---X原子具有吸电子诱导和给电子共轭作用，总结果为吸电子作用，苯环上电子云密度降低，亲电反应速率降低。---

邻对位电子云密度降低得较少，邻对位定位。Cl::Cl:Cl:Cl:第28页/共103页4.

定位效应与定位规律的分析与解释二、取代基对芳环亲电取代反应的影响由以上分析可见：---

当一个基团既有诱导效应又有共轭效应时，则整个基团表现出来的电子效应是两种效应的总和。---

取代基产生的共轭电子效应对苯环的邻对位产生的影响较大，而对间位产生的影响较小。第29页/共103页4.

定位效应与定位规律的分析与解释二、取代基对芳环亲电取代反应的影响4.2

苯环上电子云密度分布的计算结果与前述分析结果是一致的。4.3

反应的活泼中间体结构和稳定性分析第30页/共103页

CH3和烷基:弱致活基，邻对位定位基第31页/共103页

OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基第32页/共103页

OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基第33页/共103页

OCOR，NHCOR：中等致活基，邻对位定位基当氧或氮与羰基相连时，氧或氮上的孤对电子也与羰基共轭，因此与苯环的共轭作用减弱了第34页/共103页

强致钝基和中等致钝基，间位定位基-CONH2,-COOR,-COR,-CHO,-SO3H,-+NR3,-NO2,-CF3,-CN----CF3和-+NR3只具有吸电子诱导效应---

其它基团则兼具有吸电子诱导和共轭效应第35页/共103页NH3+

：强致钝基，间位定位基第36页/共103页NO2

：强致钝基，间位定位基第37页/共103页强致钝基和中等致钝基，间位定位基：难以发生F-C烷基化反应和F-C酰基化反应第38页/共103页

Halogens：弱致钝基，邻、对位定位基HEHEHEClClClClClClEHEHEHClClClEHEHEHortho-para-meta-HECl::ClEH::::第39页/共103页5.Theortho/pararatio二、取代基对芳环亲电取代反应的影响取代基的空间位阻将影响邻对位比例第40页/共103页5.Theortho/pararatio取代基的体积越大，空间位阻大，邻位比例减少第41页/共103页6.

取代基活性与反应条件二、取代基对芳环亲电取代反应的影响类似的，硝化试剂有稀硝酸、浓硝酸、混酸等.第42页/共103页6.

取代基活性与反应条件二、取代基对芳环亲电取代反应的影响白色沉淀，用于苯酚鉴别。第43页/共103页---

活化作用影响>

钝化作用影响（多数情况）强作用的影响>

弱作用的影响***

两个活化基存在时，则强活化基决定定位

两个钝化基存在时，则弱钝化基决定定位---

活性作用大小接近时，获得混合物---

空阻大的位置难进入7.

多取代苯的定位效应：Whenmorethanonegroupisattachedtoabenzenering,theeffectofthestrongeractivator(orweakerdeactivator)prevails.第44页/共103页7.

多取代苯的定位效应：第45页/共103页7.

多取代苯的定位效应：少第46页/共103页7.

多取代苯的定位效应：major少第47页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响OCH3BrOCH3Br+O2NNO2OCH3COOCH3BrNHCOCH3BrBrH3COC第48页/共103页8.Synthesisofsubstitutedbenzenes（见教材p533-535。自己通过练习，进行小结）二、取代基对芳环亲电取代反应的影响第49页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes第50页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes间位定位基难以发生F-C反应第51页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes直接烷基化可能重排磺酸基应后引入o、p-定位基m-定位基直链烷基苯第52页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes第53页/共103页二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes利用磺化的可逆性可以起到保护苯环上的某些位置的作用——这是常用的合成的策略第54页/共103页内容的简单回顾第55页/共103页以上几种亲电取代反应的亲电试剂如下：

---Cl-Cl+--AlCl3

---Br-Br+--FeBr3

---I+

(obtainedbyI2+HNO3)

---+NO2

(obtainedbyHNO3+H2SO4)---+SO3H(fromH2SO4)---R+

(obtainedbyR-Cl+AlCl3)---RC+=O(obtainedbyRCOCl+AlCl3)第56页/共103页邻、对位定位间位定位致活基致钝基第57页/共103页三、多环芳烃的亲电取代反应实验事实：

（1）萘的活性高于苯，且α-位活性高于β-位；

（2）蒽、菲则主要生成9-或10-位取代产物分析解释：

自学为主第58页/共103页三、多环芳烃的亲电取代反应关于磺化反应：

思考题：请同学们分析回答：（1）蒽、菲为什么主要生成9-或10-位取代产物？（2）蒽、菲的磺化反应为什么以1-

取代为主？自学为主第59页/共103页三、多环芳烃的亲电取代反应萘环上的取代基对新的取代反应定位影响：思考题：请同学们分析解释上述定位规律自学为主第60页/共103页四、芳香杂环的亲电取代反应五元芳香杂环的反应活性：

五元芳香杂环的反应定位规律：

—吡咯、呋喃和噻吩均以2-取代产物为主

自学为主第61页/共103页四、芳香杂环的亲电取代反应五元芳香杂环的反应活性：

五元芳香杂环的反应定位规律：

—吡咯、呋喃和噻吩均以2-取代产物为主

第62页/共103页四、芳香杂环的亲电取代反应六元芳香杂环的反应活性：吡啶不能进行Friedel－Crafts烷基化和酰基化反应，但其酰基吡啶盐却是很好的酰基化试剂

自学为主第63页/共103页四、芳香杂环的亲电取代反应

六元芳香杂环的反应定位规律：

—

吡啶的亲电取代反应发生在3-位

第64页/共103页五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应通常苯不会发生亲核取代反应因为当亲核的负离子接近苯环时，-电子云会对它产生排斥，此外，氢负离子是一个碱性非常强的碱，难以离去。H+:Nu第65页/共103页1.

芳环亲核取代反应（SNArReaction）

若要发生此种反应，底物需具备：

---

一个或多个强的吸电子基团

---

一个较好的离去基团（如卤素）五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应第66页/共103页五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应ClNO2O2NClNO2NO2ClNO2NO21.HO-(pH14),1600C2.H+HO-(pH10),1000CH2O-(pH7),400COHNO2O2NOHNO2NO2OHNO2NO2+HCl+Cl-+Cl-第67页/共103页2、芳香杂环的亲核取代反应

---

吡啶比苯容易发生亲核取代反应

吡啶的2-位或4-位上连有好的离去基团时，容易发生亲核取代反应吡啶的3-位的反应性与卤代苯类似，反应要求条件较强烈且需要在铜盐催化下发生反应：第68页/共103页ClNO2O2NClNO2NO2ClNO2NO21.HO-(pH14),1600C2.H+HO-(pH10),1000CH2O-(pH7),400COHNO2O2NOHNO2NO2OHNO2NO2+HCl+Cl-+Cl-第69页/共103页六、芳环取代基的反应1.

光照或加热条件下α–卤代反应自由基卤代反应第70页/共103页六、芳环取代基的反应2.

芳环侧链碳原子上的亲核取代反应第71页/共103页六、芳环取代基的反应3.

芳环侧链消去反应与加成反应第72页/共103页六、芳环取代基的反应2.

芳环侧链的氧化反应第73页/共103页六、芳环取代基的反应5.

芳香胺的制备第74页/共103页六、芳环取代基的反应芳香重氮盐在合成上用途广泛3.

芳香胺的重氮化反应(Diazotization)

---芳香重氮盐(ArenediazoniumSalts)的生成芳香重氮盐第75页/共103页六、芳环取代基的反应脂肪族伯胺也能发生重氮化反应，但所生成的重氮盐不稳定，很快分解，因此难以用于合成，但可用于氮含量分析—

凯氏定氮法脂肪族伯胺的重氮化反应第76页/共103页六、芳环取代基的反应3.1

芳香重氮盐的亲核取代反应

---SynthesisofSubstitutedBenzenes3.

芳香重氮盐的反应及其应用第77页/共103页3.2

芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）---ElectrophilicSubstitution---TheArenediazoniumIonasanelectrophile---偶氮化合物的合成区域选择性---

偶联反应通常发生在羟基或氨基的对位，如果对位有基团占据，则发生在邻位。第78页/共103页六、芳环取代基的反应3.2

芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）反应条件---重氮盐与酚的偶联常在pH8~10的弱碱性条件进行；重氮盐与芳胺的反应在弱酸性条件下进行。Why？第79页/共103页六、芳环取代基的反应3.3

芳香重氮盐在合成上的应用A.

苯环上引入羟基或烷氧基第80页/共103页六、芳环取代基的反应3.3

芳香重氮盐在合成上的应用B.

苯环上引入氰基