有机化学 课件 第十二章14-05-11

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本章主要内容2一、芳环的亲电取代反应*

苯、取代苯、稠环芳烃、芳香杂环二、芳环亲核取代反应

苯、取代苯和芳香杂环三、芳环取代基的反应*

芳香重氮盐的形成及其反应四、以上三类反应在合成中的应用一、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3一、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+4一、芳环的亲电取代反应及机制Reactioncoordinatediagrams5一、芳环的亲电取代反应及机制2.Thefivemostcommonelectrophilicaromaticsubstitutionreactions6一、芳环的亲电取代反应及机制7苯环的亲电反应需要活化的亲电试剂（ActivatedElectrophiles）是其一大特点原因：芳香环与亲电试剂的反应形成碳正离子的过程伴随着芳香稳定性的丧失结果：因此，相比烯烃的亲电加成反应，苯环的亲电取代反应需要更高活性的亲电试剂一、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)8一、芳环的亲电取代反应及机制2.1Halogenation9[Cl—FeCl3]-FeCl3+HCl[Br—FeBr3]-FeBr3+HBr一、芳环的亲电取代反应及机制2.1Halogenation10一、芳环的亲电取代反应及机制2.2Nitration11一、芳环的亲电取代反应及机制2.3Sulfonation---reversiblereaction可逆反应12通过提供亲电试剂的浓度促使平衡移动一、芳环的亲电取代反应及机制2.4Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)13Note:

烷基化反应中可能发生重排一、芳环的亲电取代反应及机制2.4Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)1410102.5Friedel-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>2.0eq15一、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？16二、取代基对芳环亲电取代反应的影响1.ExperimentalFacts:17二、取代基对芳环亲电取代反应的影响182.取代基对反应活性的影响

①致活基(Activatingsubstituents)——给电子基(Electron-donatingsubstituents)将增加苯环与亲电试剂的反应活性

②致钝基(Deactivatingsubstituents)——吸电子基(Electron-withdrawingsubstituents)则降低苯环与亲电试剂的反应活性二、取代基对芳环亲电取代反应的影响2.Theeffectofsubstituentsonreactivity19

Relativereactivity:

强致活Stronglyactivatingsubstituents中等致活Moderatelyactivatingsubstituents弱致活Weaklyactivatingsubstituents弱致钝Weaklydeactivatingsubstituents中等致钝Moderatelydeactivatingsubstituents强致钝Stronglydeactivating

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20邻、对位定位间位定位致活基致钝基21二、取代基对芳环亲电取代反应的影响223.取代基对取代位置的影响

①邻对位定位基(ortho/paradirectors)

——所有的致活基都是邻对位定位基

——

弱致钝基卤素原子也是邻对位定位基

②间位定位基(metadirectors)

——除卤素原子外，其他的致钝基都是间位定位基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234.

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。244.

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。254.

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:264.

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。274.

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28

CH3和烷基:弱致活基，邻对位定位基29

OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基30

OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基31

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32

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33NH3+

：强致钝基，间位定位基34NO2

：强致钝基，间位定位基35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!!

36

Halogens：弱致钝基，邻、对位定位基37

——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。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385.Theortho/pararatio取代基的体积越大，空间位阻大，邻位比例减少396.

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.406.

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。41---

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：42当多个取代基连接在苯环上时，7.

多取代苯的定位效应：437.

多取代苯的定位效应：44位阻较大7.

多取代苯的定位效应：major少45二、取代基对芳环亲电取代反应的影响OCH3BrOCH3Br+O2NNO2OCH3COOCH3BrNHCOCH3BrBrH3COC468.Synthesisofsubstitutedbenzenes（见教材p481-483。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47二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes48二、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49二、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50二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes51二、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52三、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：53分析解释：54三、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？55三、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56四、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

57四、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

58四、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5960芳香杂环的反应活性：参阅第四章156和157页偶极矩数据四、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+:Nu611.

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62五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应632、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：64六、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65六、芳环取代基的反应2.

芳环侧链的氧化反应66六、芳环取代基的反应3.

芳环侧链碳原子上的亲核取代反应67六、芳环取代基的反应4.

芳环侧链消去反应与加成反应68六、芳环取代基的反应5.

芳香胺的制备69六、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70六、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71六、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723.2

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。73六、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？74六、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75六、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76六、芳环取代基的反应3.3

芳香重氮盐在合成上的应用C.

苯环上引入氟773.3

芳香重氮盐在合成上的应用D.

合成违反定位规则的取代苯衍生物783.3