高等有机化学第五章芳环

高等有机化学第五章芳环2023/7/211第1页，课件共109页，创作于2023年2月第2页，课件共109页，创作于2023年2月

脂肪族碳上的取代反应大多数是亲核的。芳香环上的取代反应，则相反。因为芳环上电子云密度大，它吸引正离子或偶极分子的正端。因此进攻试剂是带正电的，而离去基也是不带走电子对的正离子，即离去基是酸。脂肪族亲电取代反应中的离去基是弱碱。第3页，课件共109页，创作于2023年2月

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。第4页，课件共109页，创作于2023年2月芳环亲电取代反应第5页，课件共109页，创作于2023年2月1.Mechanism

芳香族亲电取代反应，大多数以1种机理进行，这种机理称为芳正离子机理，在这个机理中，反应分2步进行：第一步，亲电试剂进攻芳环，形成带正电荷的芳香正离子。第二步，离去基团留下电子对离去。（1）反应机理第6页，课件共109页，创作于2023年2月

还有一种机理，类似于SN1机理，离去基丢下电子先离去，产生负离子，然后试剂进攻负离子。这种机理称为SE1机理，这种机理很少发生，在这里我们不加以讨论。协同机理（即SE2）还没有被发现。第7页，课件共109页，创作于2023年2月（2）AreniumIonMechanism

在芳正离子中，产生进攻试剂的方法有各种各样，但在芳环上的反应都基本上是一样的，反应式为：第8页，课件共109页，创作于2023年2月

L为离去基，Y为亲电试剂，亲电试剂可为正离子、偶极分子等，以正离子为例，反应机理为：第9页，课件共109页，创作于2023年2月

反应过程生成芳离子中间体，这一正离子可以写1的共振杂化体形式，也可以用2的离域式来描述。2称做σ络合物。

对于进攻试剂是偶极离子，中间体按下式生成：第10页，课件共109页，创作于2023年2月

生成的正离子非常活泼，它可以失去L或失去Y，变成稳定的芳香结构。若失Y，则变回原来的原料，实际上未发生反应；若失去X，发生了Y对X的取代反应。关于此正离子机理有以下的证据：第11页，课件共109页，创作于2023年2月

正离子中间体的分离，下面中间体已经分离出来了：

同位素效应，若按SE1机理，则有同位素效应，即KD小于KH。但实际上，大多数情况下，没有同位素效应，说明反应速度决定步骤不是C—H的断裂。第12页，课件共109页，创作于2023年2月σ络合物第13页，课件共109页，创作于2023年2月

关于σ络合物的生成步骤，有人认为首先生成π络合物，然后在转换σ络合物。第14页，课件共109页，创作于2023年2月

已经发现了稳定的π络合物溶液：☛如用HCl处理芳烃时，就形成π络合物，此溶液不导电，无色，用DCl处理，无重氢交换。但用HCl/AlCl3处理芳烃溶液有色，导电，且发生重氢交换。☛在有的反应中π络合物的形成是速度决定步骤。第15页，课件共109页，创作于2023年2月2.OrientationandReactivity

在芳香族亲电取代反应中，最通常的离去基是H+，所以讨论这个反应时，一般是讨论对氢的取代：第16页，课件共109页，创作于2023年2月（1）OrientationandReactivityin

MonosubstitutedBenzeneRings

在无取代的苯环上，若进行的反应是发生一取代，那么环上有六个可以取代，且这六个氢是等同的，无论取代哪一个只能得到同一产物。第17页，课件共109页，创作于2023年2月

但是当环上以经有一个取代基Z(e.g.CH3)。

那么就产生了两个问题：第18页，课件共109页，创作于2023年2月

此化合物是比苯活泼，还是比苯不活泼？若是比苯活泼，则Z使苯环活化，若不活泼则Z使苯环钝化。新进入的基团，可以进入Z的o-，p-，m-，究竟哪一种为主？这个问题取决于Z的性质。第19页，课件共109页，创作于2023年2月

为了解决这个问题，必须弄清反应是受热力学控制还是受动力学控制。☛当反应受动力学控制时，我们必须分析反应过程中的活化能，这里我们引用Hammond规则，因为反应生成正芳离子中间体，而过度态更象中间体，因此我们就用中间体的稳定性来分析问题。第20页，课件共109页，创作于2023年2月☛Z取代苯与Y反应可以形成o-、p-和m-三种σ络合物，它们的共振式如下：第21页，课件共109页，创作于2023年2月第22页，课件共109页，创作于2023年2月

若Z是+I基团，中间的电荷可以分配到Z上去，因此它使得环上的正电荷减少，中间稳定性增大，即Z是致活基团。

邻位σ络合物的Lewis结构式4，和对位σ络合物的Lewis结构式8的带正电荷原子直接与Z相连结论：+I基团是致活基团，且是邻对位定位基。第23页，课件共109页，创作于2023年2月

间位σ络合物则没有这种情况，因此邻o-、p-对σ络合物比m-位稳定，因此主要生成o-，p-取代产物。

结论：+I基团是致活基团，是邻对位定位基。第24页，课件共109页，创作于2023年2月

如果芳环相连的原子为不带孤电子对的-I基团。它使整个苯环的电子云密度降低，形成σ络合物后，Z的-I效应使得环上的正电荷更加集中，不稳定，反应速度减慢，Z是致钝基团。第25页，课件共109页，创作于2023年2月o-和p-中间体都有一个正则式其带正电荷核与Z相邻，而m-则没有，因此生成m-中间体比o-对-更稳定，因此取代主要发生在间位上。

结论：不带孤电子对的-I基团，使苯环钝化，且是间位定位基。第26页，课件共109页，创作于2023年2月

取代基中与苯环相连接的原子带有孤电子对。

由于Z有未公用电子对，通过共轭作用可以把电子部分地转移到环中，使得环中的电子云密度增大，有利于亲电试剂的进攻，生成σ络合物后，正电荷可以转到Z上。第27页，课件共109页，创作于2023年2月上面结论还可以用共轭效应来分析定位问题：第28页，课件共109页，创作于2023年2月1213第29页，课件共109页，创作于2023年2月☛

o-，p-比m-多一个Lewis结构式（12或13），且12和13对共振体的贡献又最大（除H外的每一个原子都是8隅体），因为o-和p-比m-中间体要稳定得多。☛因此这样的Z是邻位、对位定位基。☛结论：在与环相连的原子上有未公用电子对的基团是致活基团，且是邻、对位定位基。第30页，课件共109页，创作于2023年2月

既是致活基，又是邻对位定位基，这些是+I效应基团，或是在与环相邻的原子上有未共用电子对的基团：

e.g.-NH2，-NR2，,-O-，-OH，-OR，NHCOR，-SR，et.al.根据上面的讨论，取代基可分为三类：第31页，课件共109页，创作于2023年2月

既是致钝基团，又是间位定位基，这些基团是-I效应基团：

e.g.R3N+，-NH3+，-NO2，-CN，SO3H，CHO，COR，COOH，COOR，CONR2，CCl3，et.al。第32页，课件共109页，创作于2023年2月

卤素。卤素的诱导效应和共轭效应相反，前者使苯环致钝，后者致活，总效应是钝化。但是卤素是邻对位定位基，这是因为生成中间体后，C效应是起主导作用的。第33页，课件共109页，创作于2023年2月（2）Ortho/PareRatio

在前面的讨论中，已经提到邻对位定位基，现在的问题是：若取代基是邻对位定位基，那么o，p的活性是否相等呢？如果是相等，那么o/p=2，但事实上o/p<2。为什么？第34页，课件共109页，创作于2023年2月

这是因为：量子力学计算σ络合物的正电荷在各个C点上的分布如下：第35页，课件共109页，创作于2023年2月

邻位有位阻效应，特别是对于大的基团这个效应更加明显。如：第36页，课件共109页，创作于2023年2月（3）OrientationinBenzeneRingswithMorethanOneSubstituent

两个基团互相加强的，很好预测：

以两个基团为例，分以下几种情况讨论第37页，课件共109页，创作于2023年2月彼此相反，预言困难：

两个基团的定位能大致相等。第38页，课件共109页，创作于2023年2月

强活化基+较弱活化基（or钝化基）前者是控制产物。间位定位基和o-，p-定位基成间位关系时，主要进入间位基的邻位（简称邻位效应）原因尚不太清楚。第39页，课件共109页，创作于2023年2月4.OrientationinOtherRingSystems（1）稠环，各位不等同。第40页，课件共109页，创作于2023年2月

因为离域地更宽，所以萘，蒽，菲和其它稠合的多环芳烃也比苯取代更快些。

取代的稠环，取代基的影响在取代环上大，在未取代环上小：第41页，课件共109页，创作于2023年2月（2）杂环化合物第42页，课件共109页，创作于2023年2月☛比苯环的活性差☛喹啉反应一般发生在苯环，而不是吡啶环，反应比苯苯慢，比吡啶快。第43页，课件共109页，创作于2023年2月（5）取代基的定量关系

取代基效应与化学活性之间存在一定的定量关系。

分速度因数与选择性

从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度。第44页，课件共109页，创作于2023年2月分速度因数(f)=(6)(k取代)(z产物的百分比)y(k苯)y－取代位置的数目

通过每一个位置取代苯的活性与苯比较，把总的速率乘以邻位、间位或对位产物的百分比，再除以苯的取代速率的结果。第45页，课件共109页，创作于2023年2月当f>1时，该位置的活泼性比苯大，否则比苯小。第46页，课件共109页，创作于2023年2月例如：☛在硝酸与乙酸酐的体系中甲苯的硝化速度是苯进行硝化反应的23倍。取代产物的百分比为：

邻对间63％34％3％第47页，课件共109页，创作于2023年2月第48页，课件共109页，创作于2023年2月☛氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：第49页，课件共109页，创作于2023年2月

氯苯的三个分速度因数均小于1，卤素是致钝基团，且fm<<fp，E+进入间位的可能性很小。☛苯甲醚fp≈fo>>fm-OCH3

对邻、对位具有＋C，＋I效应，且＋C>＋I。间位时只有＋I，无＋C效应。第50页，课件共109页，创作于2023年2月Hammett方程

描述分子结构和化学活性的定量关系的表示。☛Hammett方程：σx－取代基常数ρ－直线斜率第51页，课件共109页，创作于2023年2月底物不同，ρ不同；反应条件不同，ρ不同。ρ只与反应性质相关，称为反应常数。ρ表示了取代基对反应速率的影响。第52页，课件共109页，创作于2023年2月

当ρ>0时，吸电子基团加速反应；当ρ<0时，供电子基团加速反应；当ρ=0时，取代基对反应影响不大。σ>0,取代基为吸电子基团；σ<0,取代基为供电子基团。

根据σ值，可以预测取代基性质；根据ρ值，可以预测反应机理。第53页，课件共109页，创作于2023年2月3.SomeExamplesofReaction.（1）NitrogenElectrophiles

硝化反应通式第54页，课件共109页，创作于2023年2月

反应底物：大多数芳香族化合物。（不管是高活性的，还是低活性的）。

硝化试剂：浓H2SO4-HNO3混酸对大多数化合物适应，e.g.苯、烷基苯。

对活泼底物，单独用HNO3或将其放在水中、醋酸中。第55页，课件共109页，创作于2023年2月☛e.g胺、酚、吡咯，不能用混酸，否则发生氧化反应，也可采取保护法。☛在无水条件下可用：N2O5inCCl4-P2O5.☛其他硝化试剂还有：NO2+BF4-，NO2+PF6-，NO2+CF3SO3-☛进攻试剂的形式：NO2+第56页，课件共109页，创作于2023年2月亚硝化进攻实体为NO+

第57页，课件共109页，创作于2023年2月重氮偶合重氮组分偶合组分甲基橙（对二甲氨基偶氮苯）第58页，课件共109页，创作于2023年2月

偶合组分是活泼底物：如胺，酚等，进攻一般发生在对位，如果对位被占，也可以发生在o-位，胺可以在弱酸性和中性反应。酚则要在弱碱性下发生反应，因PhO-更活泼，但碱性太强则生成ArN2OH。第59页，课件共109页，创作于2023年2月

伯，仲胺可能偶合发生在N原子上，产生的N-偶氮化合物可以异构化成C-偶氮化合物。对于不活泼的底物可采用带有吸电子基团的重氮组分重氮氨基苯对氨基偶氮苯第60页，课件共109页，创作于2023年2月（2）SulfurElectrophiles

磺化磺化剂：可以是发烟硫酸，浓硫酸，SO3，ClSO2OH。第61页，课件共109页，创作于2023年2月注意：当用ClSO2OH作试剂时，产物为：磺化反应在较高的温度下是可逆反应，但在低温下，反应是不可逆的，因此高温是热力学控制产物，低温是动力学控制产物。苯磺酰氯。活泼化合物第62页，课件共109页，创作于2023年2月硫化第63页，课件共109页，创作于2023年2月也可以采用S2Cl2+NaOH作试剂：HerzReaction第64页，课件共109页，创作于2023年2月（3）HalogenElectrophiles

这是X一般是指Br、Cl。I不太活泼，很少使用，F太活泼，反应难以控制，要采用别的方法制备F化合物。第65页，课件共109页，创作于2023年2月（4）CarbonElectrophilesF-C反应：

烷基化反应：第66页，课件共109页，创作于2023年2月☛反应不停留在一取代反应，随着烷基的增多，底物更加活泼。

烷基化反应特点：☛烷化试剂可以是：烯、醇、醚、硫酸酯、磺酸酯，若用卤代烃则每个卤素都可以发生反应。第67页，课件共109页，创作于2023年2月☛也可以关环：第68页，课件共109页，创作于2023年2月第69页，课件共109页，创作于2023年2月

酰基化反应：第70页，课件共109页，创作于2023年2月

Hydroxylalkylation（羟烷基化）双(对氯苯基)-1,1,1-三氯乙烷4,4′-二氯二苯基三氯甲基甲烷第71页，课件共109页，创作于2023年2月第72页，课件共109页，创作于2023年2月（5）RearrangementReactionFriesRearrangement第73页，课件共109页，创作于2023年2月

此反应在合成上有用，o-/p-比值依赖于温度、Sol、催化剂的量。低温有利于p-，高温有利于o-，间位定位基影响反应。

第74页，课件共109页，创作于2023年2月

硝基迁移重排第75页，课件共109页，创作于2023年2月Hofmann—Martius反应第76页，课件共109页，创作于2023年2月芳环亲核取代反应AromaticNucleophilicSubstitution第77页，课件共109页，创作于2023年2月（1）reactionsactivatedbyelectron-withdrawinggroupsorthoandparatotheleavinggroup;Reactionsthataresuccessfulatanaromaticsubstratearelargelyoffourkinds：第78页，课件共109页，创作于2023年2月（2）reactionscatalyzedbyverystrongbasesandproceedingthrougharyneintermediates;（3）reactionsinitiatedbyelectrondonors;（4）reactionsinwhichthenitrogenofadiazoniumsaltisreplacedbyanucleophile.第79页，课件共109页，创作于2023年2月reactionsactivatedbyelectron-withdrawinggroupsorthoandparatotheleavinggroup;reactionscatalyzedbyverystrongbasesandproceedingthrougharyneintermediates;reactionsinitiatedbyelectrondonors;reactionsinwhichthenitrogenofadiazoniumsaltisreplacedbyanucleophile.Reactionsthataresuccessfulatanaromaticsubstratearelargelyoffourkinds:Itisnotedthatsolventeffectscanbeimportant第80页，课件共109页，创作于2023年2月1.MECHANISMSTheSNArMechanismTheSN1MechanismTheBenzyneMechanismTheSRN1MechanismTherearefourprincipalmechanismsforaromaticnucleophilicsubstitution.第81页，课件共109页，创作于2023年2月（1）TheSNArMechanismStep1.第82页，课件共109页，创作于2023年2月Step2.☛Thereisagreatdealofevidenceforthemechanism,weshalldiscussonlysomeofit.第83页，课件共109页，创作于2023年2月EvidenceforTheSNArMechanisme.g.havebeenisolated第84页，课件共109页，创作于2023年2月☛

Intermediatesofthistypearetablesalts,calledMeisenheimerorMeisenheimer–Jacksonsaltsandmanymorehavebeenisolated.☛

ThestructuresofseveraloftheseintermediateshavebeenprovedbyNMRandbyX-raycrystallography.第85页，课件共109页，创作于2023年2月☛ThebreakoftheAr-Xwasnottherate-determiningstepWhenXwasCl,Br,I,SOPh,SO2Ph,orp-nitrophenoxyrespectively.第86页，课件共109页，创作于2023年2月WhenX=F,therelativeratewas3300(comparedwithI=1).☛

ElementeffectofleavinggroupAnincreaseintheelectronegativityofXcausesadecreaseintheelectrondensityatthesiteofattack,resultinginafasterattackbyanucleophile.第87页，课件共109页，创作于2023年2月（2）TheSN1MechanismForarylhalidesandsulfonates,evenactiveones,aunimolecularSN1mechanismisveryrare;Ithasonlybeenobservedforaryltriflates（三氟甲基磺酸酯）

inwhichbothorthopositionscontainbulkygroups(tert-butylorSiR3).第88页，课件共109页，创作于2023年2月Itisinreactionswithdiazoniumsaltsthatthismechanismisimportant.第89页，课件共109页，创作于2023年2月☛

TheevidencefortheSN1mechanismAmongtheevidencefortheSN1mechanismwitharylcationsasintermediates,isthefollowing:ThereactionrateisfirstorderindiazoniumsaltandindependentoftheconcentrationofY.第90页，课件共109页，创作于2023年2月Whenhighconcentrationsofhalidesaltsareadded,theproductisanarylhalidebuttherateisindependentoftheconcentrationoftheaddedsalts.Theeffectsofringsubstituentsontherateareconsistentwithaunimolecularrate-determiningcleavage.第91页，课件共109页，创作于2023年2月Whenreactionswererunwithsubstratedeuteratedintheorthoposition,isotopeeffectsof~1.22wereobtained.第92页，课件共109页，创作于2023年2月ThatthefirststepisreversiblecleavagewasdemonstratedbytheobservationthatwhenAr15N≡Nwasthereactionspecies,recorderedstartingmaterialcontainednotonlyAr15N≡N,butalsoArN≡15N.ThiscouldariseonlyIfthenitrogenbreaksawayfromtheringandthenreturns.第93页，课件共109页，创作于2023年2月☛Thereiskineticandotherevidencethatstep1ismorecomplicatedandinvolvestwosteps,bothreversible:☛

Intermediate[Ar+N2],whichisprobablysomekindofatightion–moleculepair.第94页，课件共109页，创作于2023年2月（3）TheBenzyneMechanismSomearomaticnucleophilicsubstitutionsareclearlydifferentincharacterfromthosethatoccurbytheSNArmechanism(ortheSN1mechanism).Thesesubstitutionsoccuronarylhalidesthathavenoactivatinggroups;第95页，课件共109页，创作于2023年2月Basesarerequiredthatarestrongerthanthosenormallyused;Theincominggroupdoesnotalwaystakethepositionvacatedbytheleavinggroup(mostinterestingofall).e.g.:thereactionof1-14C-chlorobenzenewithpotassiumamide:50%50%第96页，课件共109页，创作于2023年2月第97页，课件共109页，创作于2023年2月Otherevidence（1）Ifthearylhalidecontainstwoorthosubstituents,thereactionshouldnotbeabletooccur.（2）Ithadbeenknownmanyyearsearlierthataromaticnucleophilicsubstitutionoccasionallyresultsinsubstitutionatadifferentposition.第98页，课件共109页，创作于2023年2月Thisiscalledcinesubstitutionandcanbeillustratedbytheconversionofo-bromoanisoletom-aminoanisole.Inthisparticularcase,onlythemetaisomerisformed.第99页，课件共109页，创作于2023年2月（4）TheSRN1MechanismA（0.63）：B（1）Fact:A（5.9）：B（1）第100页，课件共109页，创作于2023年2月Reactioncondition:StrongbaseResult:（1）cinesubstitutionalongwithnormalsubstitution（2）TheratioofAandBwasnotthesame（3）IfClorBrreplaceI,theratioofAandBwas1.46:1.第101页，课件共109页，创作于2023年2月

Problem:IfbenzyneMechanismtakeplace,theratioofAandBshouldbethesamebecausethe