芳环的亲电取代亲核取代反应芳环取代基的反应演示文稿

芳环的亲电取代亲核取代反应芳环取代基的反应演示文稿当前第1页\共有121页\编于星期六\18点本章主要内容一、苯的亲电取代反应及机制二、取代基对苯环亲电取代反应的影响三、稠环芳烃的亲电取代反应四、芳香杂环的亲电取代反应五、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当前第2页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制1.Mechanism:Step1:类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的pi-键，形成碳正离子

Step2:这一步与烯烃不同，不是发生亲核试剂对苯环进行加成，而是脱去一个质子，回复到稳定的芳香性苯环结构，结果发生取代反应。当前第3页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制ActivatedElectrophiles(活化的亲电试剂)—Cationformationbyreactionofanelcerophilewithanaromaticringisaccompaniedbythelossofaromaticstabilization.正离子的形成伴随着芳香性的丧失—Therefore,theelectrophilethatcaneffectaromaticsubsitutionofbenzenemustbemorereactivethanthoseadditiontoalkenes.因此，与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性当前第4页\共有121页\编于星期六\18点亲电试剂的分类1.强亲电试剂，能取代致活和致钝的芳环：——Cl-Cl+--AlCl3

——Br-Br+--FeBr3

——I+(obtainedbyI2+HNO3)

——+NO2(obtainedbyHNO3+H2SO4)——+SO3H(fromH2SO4)orSO3当前第5页\共有121页\编于星期六\18点2中等强度亲电试剂，能取代致活、不能取代致钝的芳环：——R+(obtainedbyR-Cl+AlCl3)——RC+=O(obtainedbyRCOCl+AlCl3)———R2C=O+H(obtainedbyR2C=O+H+)当前第6页\共有121页\编于星期六\18点3弱亲电试剂，只能取代高活化的芳环：当前第7页\共有121页\编于星期六\18点苯环上的电子为芳香取代反应供给了电子，很多亲电试剂能与之反应其范围远比烯、炔加戊反应为广泛。可以用一个统一的反应机理来解释这些取代反应，虽然反应酌动力学、自由能—反应曲线对每一种亲电试剂来说可以是不一样的，但若干中间步骤基本上是相似的.当前第8页\共有121页\编于星期六\18点取代反应中发生络合物的证据有好几个方面,用标记同位素方法研究取代速度是其中之一。如果质子的离去关系到亲电取代速度，则环上速度显示第一级的同位素效应。对硝化和一些快速取代反应看不出这种同位素效应。例如苯上有五个氘的硝基苯在硝化时与普通硝基苯的硝化没有什么差别。缺乏同位素效应说明退减质子是一步快步骤。但并非都是如此某些芳香取代反应显示kH/kD比值在1—2之间，说明存在着同位素效应,这是与。络合物机理一致酌，因为这种络合物退减质子较慢，成为决定速度的步骤.从而证明了络合物中间体。当前第9页\共有121页\编于星期六\18点当前第10页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制2.Reactioncoordinatediagrams:当前第11页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制3.Thefivemostcommonelectrophilicaromaticsubstitutionreactionsarethefollowing:当前第12页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同：——Cl-Cl+--AlCl3

——Br-Br+--FeBr3

——I+(obtainedbyI2+HNO3)

——+NO2(obtainedbyHNO3+H2SO4)——+SO3H(fromH2SO4)orSO3——R+(obtainedbyR-Cl+AlCl3)——RC+=O(obtainedbyRCOCl+AlCl3)当前第13页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制(1)Halogenation当前第14页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制(1)Halogenation当前第15页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制(2)Nitration当前第16页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制(3)Sulfonation——reversiblereaction磺化反应是可逆的，存在动力学和热力学控制的竞争当前第17页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制(4)Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)Note:Rearrangementmayoccurinalkylation当前第18页\共有121页\编于星期六\18点一、芳环的亲电取代反应及机制(4)Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)1010当前第19页\共有121页\编于星期六\18点(5)Friedel-CraftsAcylation(傅氏酰基化)一、芳环的亲电取代反应及机制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.没有重排问题当前第20页\共有121页\编于星期六\18点一、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？当前第21页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响Astudyofthechemistryofaromaticcompoundsleadstodeeperunderstandingoftheeffectsofelectronicandstericfactorsonreactivity,whichwillbeofbenefitinthefurtherstudyofchemistryandbiochemistry.当前第22页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响1.ExperimentalFacts:当前第23页\共有121页\编于星期六\18点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当前第24页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响2.Theeffectofsubstituentsonreactivity当前第25页\共有121页\编于星期六\18点Relativereactivity:

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云密度影响的大小StronglyactivatingsubstituentsModeratelyactivatingsubstituentsWeaklyactivatingsubstituentsWeaklyActivatingSubstituentsModeratelyactivatingSubstituentsStronglyactivatingsubstituents当前第26页\共有121页\编于星期六\18点-CF3邻、对位定位***只具有吸电子诱导作用间位定位当前第27页\共有121页\编于星期六\18点二、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.当前第28页\共有121页\编于星期六\18点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？以下从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当前第29页\共有121页\编于星期六\18点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——电子效应对苯环上电子云密度分布的影响——-NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR等基团均具有相似的给电子共轭和吸电子诱导作用，并且其总结果以共轭给电子作用为主，从而使得苯环上的电子云密度增加，亲电反应速率增大。——从上述共振结构可以看出给电子作用使得邻对位电子云密度增加得更多，因此反应发生在邻对位。当前第30页\共有121页\编于星期六\18点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——电子效应对苯环上电子云密度分布的影响-CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等基团均具有吸电子共轭和吸电子诱导作用，从而使得苯环上的电子云密度降低，亲电反应速率降低。从上述共振结构可以看出吸电子共轭作用使得邻对位电子云密度降低得更多，因此反应发生在间位。当前第31页\共有121页\编于星期六\18点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——电子效应对苯环上电子云密度分布的影响-X原子均具有吸电子诱导作用和给电子共轭，并且其总结果以吸电子作用为主，从而使得苯环上的电子云密度降低，亲电反应速率降低。从上述共振结构可以看出给电子作用使得邻对位电子云密度降低得较少，因此反应发生在邻对位。当前第32页\共有121页\编于星期六\18点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。当前第33页\共有121页\编于星期六\18点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——苯环上电子云密度分布的计算结果以上结果与前述分析结果是一致的。以下再从反应的活泼中间体结构和稳定性进行分析当前第34页\共有121页\编于星期六\18点CH3和烷基：弱致活基，邻对位定位基。当前第35页\共有121页\编于星期六\18点

OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基。当前第36页\共有121页\编于星期六\18点

OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基。当前第37页\共有121页\编于星期六\18点

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当前第38页\共有121页\编于星期六\18点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当前第39页\共有121页\编于星期六\18点NH3+：强致钝基，间位定位基当前第40页\共有121页\编于星期六\18点NO2：强致钝基，间位定位基当前第41页\共有121页\编于星期六\18点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酰基化反应当前第42页\共有121页\编于星期六\18点Halogens：——弱致钝基，既具有吸电子的诱导效应，又具有给电子的共轭效应，从反应速率比苯低可以得知吸电子作用更强；但正因为具有给电子的共轭作用，使得它成为邻、对位定位基。当前第43页\共有121页\编于星期六\18点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当前第44页\共有121页\编于星期六\18点5.Theortho/pararatio取代基的体积越大，空间位阻大，邻位比例减少当前第45页\共有121页\编于星期六\18点6.取代基对反应条件的影响二、取代基对芳环亲电取代反应的影响类似地，硝化试剂有稀硝酸、浓硝酸、混酸等当前第46页\共有121页\编于星期六\18点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。当前第47页\共有121页\编于星期六\18点——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.当前第48页\共有121页\编于星期六\18点7.多取代苯的定位效应：当前第49页\共有121页\编于星期六\18点7.多取代苯的定位效应：位阻较大当前第50页\共有121页\编于星期六\18点7.多取代苯的定位效应：当前第51页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响当前第52页\共有121页\编于星期六\18点8.Synthesisofsubstitutedbenzenes二、取代基对芳环亲电取代反应的影响当前第53页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesissubstitutedbenzenes当前第54页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesissubstitutedbenzenes间位定位基难以发生F-C反应是务必要记住的。当前第55页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesissubstitutedbenzenes直接烷基化可能重排磺酸基应后引入o、p-定位基m-定位基直链烷基苯当前第56页\共有121页\编于星期六\18点二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesissubstitutedbenzenes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当前第57页\共有121页\编于星期六\18点A、苯环上引入羟基、氟和氰基当前第58页\共有121页\编于星期六\18点当前第59页\共有121页\编于星期六\18点当前第60页\共有121页\编于星期六\18点6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物当前第61页\共有121页\编于星期六\18点6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物当前第62页\共有121页\编于星期六\18点三、多环芳环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：当前第63页\共有121页\编于星期六\18点三、多环芳环的亲电取代反应分析解释：当前第64页\共有121页\编于星期六\18点三、多环芳环的亲电取代反应关于磺化反应：作业1：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-取代为主当前第65页\共有121页\编于星期六\18点三、多环芳环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：作业2：请同学们分析解释上述定位规律当前第66页\共有121页\编于星期六\18点四、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-取代产物为主当前第67页\共有121页\编于星期六\18点四、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当前第68页\共有121页\编于星期六\18点四、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-位当前第69页\共有121页\编于星期六\18点五、芳环亲核取代反应通常苯是不会发生亲核反应的因为当亲核负离子接近时，pi-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。当前第70页\共有121页\编于星期六\18点五、芳环亲核取代反应1.SNArReaction（芳环亲核取代反应）然而，当苯环上具有一个或多个强的吸电子基团时，并且具有一个较好的离去基团（如卤素）时，亲核取代反应就可以在不太激烈的条件下发生。当前第71页\共有121页\编于星期六\18点五、芳环亲核取代反应当前第72页\共有121页\编于星期六\18点五、芳环亲核取代反应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：当前第73页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应1、光照或加热条件下α–卤代反应2、芳环侧链的氧化反应当前第74页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应脂肪族胺也能发生重氮化（Diazotization)反应，但是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—凯氏定氮法芳香重氮盐在合成上用途广泛3、FormationofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的形成当前第75页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应4、NucleophilicSubsitutionofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的亲核取代反应——SynthesisofSubstitutedBenzenes当前第76页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应5、CouplingreactionofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）——EletrophilicSubstitutionofAromaticaminesandPhenols——TheArenediazoniumIonasanelectronphile——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。当前第77页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应5、CouplingreactionofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）——EletrophilicSubstitutionofAromaticaminesandPhenols——TheArenediazoniumIonasanelectronphile——偶氮化合物的合成苯衍生物反应条件——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？

当前第78页\共有121页\编于星期六\18点1)被卤素或氰基取代（Sandmeyer反应）六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用当前第79页\共有121页\编于星期六\18点[讨论]当前第80页\共有121页\编于星期六\18点2碘代物、氟代物的制备当前第81页\共有121页\编于星期六\18点4)被硝基取代当前第82页\共有121页\编于星期六\18点当前第83页\共有121页\编于星期六\18点2)被氢原子取代次磷酸水溶液或乙醇。当前第84页\共有121页\编于星期六\18点3)被羟基取代（重氮盐的水解）注意：用硫酸重氮盐当前第85页\共有121页\编于星期六\18点讨论当前第86页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物当前第87页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物当前第88页\共有121页\编于星期六\18点六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用C、合成偶氮化合物作业3、请尝试设计上述偶氮化合物的合成路线当前第89页\共有121页\编于星期六\18点分速度因数f用于表示定位效应

取代苯某一位置的取代速度与苯的取代速度的比值。当前第90页\共有121页\编于星期六\18点fo=43.5fm=2.1fp=46.9分速度因数使我们可以看到两种情况，即底物选择性和位置选择性。当前第91页\共有121页\编于星期六\18点分速度因数使我们可以看到两种情况:1“底物选择性”:1.1首先它揭示不同底物对亲电试剂的选择性，反映出取代苯和苯的取代反应相对速度的大小。意思是同一硝化取代反应在甲苯的间位上进行时，其速度比苯环上要快2.1倍，在对位上进行时要快46.9倍。或者笼统地比较甲苯的硝化反应总产率在单位时间内比苯多23倍，也就是说甲苯的硝化反应速度比苯快23倍。

1.2反映出定向基团对某亲电试剂致活程度的高低当前第92页\共有121页\编于星期六\18点底物选择性小:)亲电试剂特强:亲电试剂特强的情况使其取代反应受定向效应的约束力小，)底物易被取代:底物易被取代则不要求亲电试剂克服多大反应能障对各类底物似乎有着相似的反应速度。

当前第93页\共有121页\编于星期六\18点2“位置选择性”:分速度因数还告诉我们在同一底物芳环上三种不同位置的相对取代速度，它是指同一个取代苯分子内起作用的因素，不同取代反应这种选择性是不同的，它着重告诉我们取代反应的历程，定向基因在起定位效应中有利于某一位置的过渡态或中间体的形成的因素。

当前第94页\共有121页\编于星期六\18点3“位置选择性”和“底物选择性”的关系:高的“底物选择性’的亲电取代反应一般显示小的O/P比例和微不足道的间位取代。本来如果没有定位效应起作用的话，邻位和间位的取代速度应为对位取代速度的2倍，而o:p比例小,正好说明了定位效应在起作用。另外一方面，亲电试剂如果很活泼，它对位置选择性较差,受定向效应作用小,进攻三位置的不速度表现很大差异,即对苯的和取代苯的进攻速度也无明显差异,即“底物选择性”底。

当前第95页\共有121页\编于星期六\18点4活性和选择性与亲电试剂在取代反应中形成过渡态的难易程度有关,这两者作用的结果就是各种位置异构物的比例.活性强的亲电试剂和苯环形成。络合物的反应自由活化能较小。络合物在能量上和芳香体系相似，结构也接近它没有等到体系的各个异构体达到热力学平衡，就通过过渡态ii而释放出质子变成更稳定的产物,这种反应较多地受动力学因素控制。当前第96页\共有121页\编于星期六\18点当前第97页\共有121页\编于星期六\18点

汉默特方程——取代基效应和自由能的线性关系式

各种取代的芳香体系的反应速度和反应平衡与取代基的性质有很大关系，这一关系很早就被人们所认识。从这些关系中找到的定量表达方式中，比较早的一个就是汉默特(Hamett)方程。首先从芳香酸的酸性，芳香酸酯的水解速度之间找到了关系。图10．3显示lgk／k。(这里k为取代苯甲酸乙酯的水解速度，k。为苯甲酸乙酯的水解速度)与lgK／lgK。发生了线性关系，这里K为取代苯甲酸的酸性解离常数，K。为苯甲酸的酸性解离常数。

当前第98页\共有121页\编于星期六\18点当前第99页\共有121页\编于星期六\18点它只取决于取代基的结构和取代基的位置，与反应类型和反应条件无关，它定量的表示取代基的极性效应；它决定于反应特性和条件，是反应对取代基极性效应的敏感性的度量尺度。当前第100页\共有121页\编于星期六\18点当前第101页\共有121页\编于星期六\18点利用汉默特方程，如果知道一个反应的，就能计算某种取代基的取代特性常数,反之亦行。当前第102页\共有121页\编于星期六\18点已知苯甲酸甲酯的碱性水解反应特性常数ρ＝2．38。苯甲酸甲酯的反应速度常数在该条件下,求间硝基苯甲酸甲酯的反应速度常数.当前第103页\共有121页\编于星期六\18点当前第104页\共有121页\编于星期六\18点计算对溴苄基氯与对硝基苄基氯在水中水解的相对速度.

当前第105页\共有121页\编于星期六\18点当某一芳环上的反应满足汉默特方程,有三种情况:1吸电基使反应加速,2推电基是反应减速,3取代基对反应无明显影响当前第106页\共有121页\编于星期六\18点归纳起来，反应近程—能量曲线图可以分为四类：第一类，反应速度取决于亲电试剂的生成速度：第二类，反应速度取决于没有选择性的亲电试剂所生成的络合物；第三类，反应速度取决于强选择性亲电试剂所生成的络合物；第四类，反应速度取决于络合物的质子的离去速度。这四种情况中第一种与芳香化合物的浓度无关。第二和第三种情况，速度取决于亲电试剂和好香化合物两者的浓度。差别仅在于络合物的能量和出现时间稍有不