1、第第8章章 芳環(huán)芳環(huán)親電和親電和親核取代反應(yīng)親核取代反應(yīng) ( )一一. 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng) ( )1. 反應(yīng)機理反應(yīng)機理 芳正離子的生成芳正離子的生成 加成消除機理加成消除機理2. 反應(yīng)的定向與反應(yīng)活性反應(yīng)的定向與反應(yīng)活性 ( )a. 反應(yīng)活性與定位效應(yīng)反應(yīng)活性與定位效應(yīng) b. 動力學(xué)控制與熱力學(xué)控制動力學(xué)控制與熱力學(xué)控制 ( ) c. 鄰、對位定向比鄰、對位定向比 ( ) 親電試劑活性親電試劑活性 空間效應(yīng)。空間效應(yīng)。 極化效應(yīng)極化效應(yīng) 溶劑效應(yīng)溶劑效應(yīng) 螯合效應(yīng)螯合效應(yīng) 原位取代原位取代 (Ipso attack) ( )3. 取代效應(yīng)的定量關(guān)系取代效應(yīng)的定量關(guān)系a. 分速度因數(shù)與選

2、擇性分速度因數(shù)與選擇性 ( ) b. Hammett 方程方程 ( )二二. 芳環(huán)上親核取代反應(yīng)芳環(huán)上親核取代反應(yīng) ( )1. 加成消除機理加成消除機理2. SN1機理機理 ( )3. 消除加成機理消除加成機理 （苯炔機理）（苯炔機理）( )三三. 芳環(huán)上的取代反應(yīng)及其應(yīng)用芳環(huán)上的取代反應(yīng)及其應(yīng)用教學(xué)目的與要求教學(xué)目的與要求v1、掌握親電取代反應(yīng)機理和定位效應(yīng)、掌握親電取代反應(yīng)機理和定位效應(yīng) v2、了解芳香化合物的親核取代、了解芳香化合物的親核取代教學(xué)課時教學(xué)課時: 2: 2課時課時 CCCCCCHHHHHH 芳環(huán)上離域的芳環(huán)上離域的電子的作用，易于發(fā)生電子的作用，易于發(fā)生親電取代反應(yīng)，只有當(dāng)

3、芳環(huán)上引入了強吸電親電取代反應(yīng)，只有當(dāng)芳環(huán)上引入了強吸電子基團，才能發(fā)生親核取代反應(yīng)。子基團，才能發(fā)生親核取代反應(yīng)。一一. 親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)（一）（一） 加成消除機理加成消除機理2H2SO4HNO3H3O+HSO4-NO2+2NO2+NO2HHNO3H2SO4NO2H EEE+Nu-絡(luò)合物絡(luò)合物芳正離子芳正離子芳正離子生成的芳正離子生成的一步是決定反應(yīng)一步是決定反應(yīng)速率的一步速率的一步鹵代反應(yīng)：鹵代反應(yīng)：Br2 + FeBr3BrBrFeBr3溴分子在溴分子在FeBr3的作用下發(fā)生極化的作用下發(fā)生極化RBrBrFeBrBrH+ FeBr3Br+ RBrHRRBr+ H生成芳正離子生成芳

4、正離子脫去質(zhì)子脫去質(zhì)子實驗已經(jīng)證實芳正離子的存在：實驗已經(jīng)證實芳正離子的存在：CH3CH3H3CC2H5F/BF3-80CH3CH3H3CH C2H5BF4-m. p: -15（二）（二） 親電取代反應(yīng)的特性與相對活性親電取代反應(yīng)的特性與相對活性反應(yīng)活性：反應(yīng)活性：致活效應(yīng)：致活效應(yīng)：取代基的影響使芳環(huán)的反應(yīng)活性提高；取代基的影響使芳環(huán)的反應(yīng)活性提高；致鈍效應(yīng)：致鈍效應(yīng)：取代基的影響使芳環(huán)的反應(yīng)活性降低。取代基的影響使芳環(huán)的反應(yīng)活性降低。Y第一類定位基：第一類定位基：N(CH3)2, NH2,OH, OCH3, NHCOCH3,OCOCH3， Cl, Br, I,CH2COOCH3CH3,鹵素

5、對芳環(huán)有致鈍作用鹵素對芳環(huán)有致鈍作用第一類取代基第一類取代基 （除鹵素外）具有（除鹵素外）具有+I， 或是或是C效應(yīng)，效應(yīng)， 其作用是增大芳環(huán)的電子云密度。其作用是增大芳環(huán)的電子云密度。第二類定位基：第二類定位基：NO2CN SO3H CHOCOCH3COOHCOORCONH2NH3+N(CH3)3+具有具有I或或C效應(yīng)效應(yīng)使芳環(huán)上的電子云密度降低。使芳環(huán)上的電子云密度降低。定位效應(yīng)定位效應(yīng) (Orientation)：芳環(huán)上取代基對于芳環(huán)上取代基對于E+進入芳環(huán)位置的影響。進入芳環(huán)位置的影響。第一類定位基鄰對位定位基第一類定位基鄰對位定位基第二類定位基間位定位基第二類定位基間位定位基CHCH

6、2+ E鄰鄰對對位位CHCH2HECHCH2HECHCH2HECHCH2HE間間位位CHCH2HECHCH2HECHCH2HE共振式越多，共振式越多，正電荷分散正電荷分散程度越大，芳正離子越穩(wěn)定。程度越大，芳正離子越穩(wěn)定。動力學(xué)控制與熱力學(xué)控制動力學(xué)控制與熱力學(xué)控制+H2SO480165SO3HHSO3HH165位取代動力學(xué)控制產(chǎn)物；位取代動力學(xué)控制產(chǎn)物；位取代熱力學(xué)控制產(chǎn)物。位取代熱力學(xué)控制產(chǎn)物。鄰位和對位定向比：鄰位和對位定向比：CH3HNO3H2SO4NO2+BF4-/CH3CNm%o%p172.36033769229相對速率1)親電試劑的活性越高，選擇性越低：親電試劑的活性越高，選擇性

7、越低：2) 空間效應(yīng)越大，對位產(chǎn)物越多：空間效應(yīng)越大，對位產(chǎn)物越多：C(CH3)3H2SO4C(CH3)3SO3H100%極化效應(yīng)：極化效應(yīng)：XX o% p% m%F 12 88 0Cl 30 69 1 I 32 60 8 X 具有具有I效應(yīng)，使鄰位的電子云密度降低。效應(yīng)，使鄰位的電子云密度降低。FClBr I電負性電負性依次依次降低降低I效應(yīng)效應(yīng)依次依次減小減小電子云密度電子云密度降低的位置降低的位置是不利于是不利于E+進攻的。進攻的。溶劑效應(yīng)溶劑效應(yīng)CH3C ClOAlCl3CS2CCH3PhNO2CCH3OOE+被硝基苯溶劑化，體積增大。被硝基苯溶劑化，體積增大。較大的空間效應(yīng)使它進入較

8、大的空間效應(yīng)使它進入1位。位。螯合效應(yīng)：螯合效應(yīng)：NO2NO2OCH2CH2OCH3-NO3-(鄰）69%（對）28%CH2NO2CH2OCH3CH2CH2OCH3NO2HNO2CH2CH2OCH3-H+產(chǎn)物能夠發(fā)生螯合能夠發(fā)生螯合效應(yīng)的條件：效應(yīng)的條件：1雜原子能與雜原子能與試劑結(jié)合；試劑結(jié)合；2）所形成環(huán)為）所形成環(huán)為五員環(huán)或六員五員環(huán)或六員環(huán)。環(huán)。原位取代原位取代 (Ipso取代取代):在芳環(huán)上已有取代基的位置上，發(fā)生取代作用在芳環(huán)上已有取代基的位置上，發(fā)生取代作用Ipso效應(yīng)：效應(yīng)：CH3CH(CH3)2NO2OAcAc2OCH3CH(CH3)2NO2+CH3CH(CH3)2NO2+C

9、H3NO282%8%10% 取代基消除的難易程度取決于其容納正電荷取代基消除的難易程度取決于其容納正電荷的能力。的能力。CH(CH3)2比較穩(wěn)定，異丙基容易作為比較穩(wěn)定，異丙基容易作為正離子消除。正離子消除。3. 取代基的定量關(guān)系取代基的定量關(guān)系取代基效應(yīng)與化學(xué)活性之間存在一定的定量關(guān)系取代基效應(yīng)與化學(xué)活性之間存在一定的定量關(guān)系1) 分速度因數(shù)與選擇性分速度因數(shù)與選擇性從定量關(guān)系上考慮鄰、對、間位取代難易程度從定量關(guān)系上考慮鄰、對、間位取代難易程度分速度因數(shù)分速度因數(shù) (f) =(6) (k取代取代)(z產(chǎn)物的百分比產(chǎn)物的百分比)y (k苯苯)y位置的數(shù)目位置的數(shù)目 通過每一個位置取代苯的活性

10、與苯比較，把總的通過每一個位置取代苯的活性與苯比較，把總的速率乘以鄰位、間位或?qū)ξ划a(chǎn)物的百分比，再除以速率乘以鄰位、間位或?qū)ξ划a(chǎn)物的百分比，再除以苯的取代速率的結(jié)果。苯的取代速率的結(jié)果。當(dāng)當(dāng) f 1 時，該位置的活潑性比苯大時，該位置的活潑性比苯大, 否則比苯小。否則比苯小。fokPhH/6kPhZ/2異構(gòu)體o100kPhZ/2kPhH/6異構(gòu)體m100fmfp異構(gòu)體p100kPhH/6kPhZ/1例如：例如：在硝酸與乙酸酐的體系中在硝酸與乙酸酐的體系中甲苯的硝化速度是苯進行硝化反應(yīng)的甲苯的硝化速度是苯進行硝化反應(yīng)的23倍，倍，取代產(chǎn)物的百分比為：取代產(chǎn)物的百分比為： 鄰鄰 對對 間間63 3

11、4 3fo(6)(2)(23)(1)(0.63)43.5fm(6)(2)(23)(1)(0.03)2.1fp(6)(1)(23)(1)(0.34)46.9氯苯和苯甲醚進行硝化反應(yīng)時，分速度因數(shù)分別為：氯苯和苯甲醚進行硝化反應(yīng)時，分速度因數(shù)分別為：Cl0.0290.00090.137OCH30.252.31045.5410氯苯的三個分速度因數(shù)均小于氯苯的三個分速度因數(shù)均小于1，鹵素是致鈍基團，鹵素是致鈍基團，且且 fm fm-OCH3 對鄰、對位具有對鄰、對位具有C, I效應(yīng)，效應(yīng)，C I 對間位，只有對間位，只有I, 而無而無C效應(yīng)。效應(yīng)。5,10,15,20四苯基卟啉四苯基卟啉PhHO+H+

12、NNHNHNPhPhPhPhO2+NH 親電芳香取代反應(yīng)親電芳香取代反應(yīng)A. D. Adler, et.al., J. Org. Chem., 1967, 32, 476.J. S. Lindsey, et.al., J. Org. Chem., 1987, 52, 827.C. M. Drain, et.al., Chem. Commun., 1997, 42,2117. 芳香環(huán)如吡咯也可作為芳香化合物進行親電取代反應(yīng)合成卟啉類化合物。例如由苯甲醛和吡咯合成5，10，15，20-四苯基卟啉的反應(yīng)機理如下：NHPhHO+H+PhHOH+PhHOH+NH-H+PhHOHNH+H+PhHOHNHH

13、+-H2OPhHNH+NHHNNHPhHH+HNNHPhHH6 6次次親親電電芳芳香香取取代代反反應(yīng)應(yīng)NNHNHNHPhPhHPhHHPhNNHNHNPhPhPhPhO5,10,15,20四苯基卟啉四苯基卟啉2Hammett 方程方程描述分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性的定量關(guān)系的表示。描述分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性的定量關(guān)系的表示。lgkXkH()xHammett 方程：方程：lgkXkHxx取代基常數(shù)取代基常數(shù) 直線斜率直線斜率底物不同，底物不同，不同；不同；反應(yīng)條件不同，反應(yīng)條件不同， 不同。不同。只與反應(yīng)性質(zhì)相關(guān)，只與反應(yīng)性質(zhì)相關(guān)，稱為反應(yīng)常數(shù)。稱為反應(yīng)常數(shù)。 表示了取代基對反應(yīng)表示了取代基對反應(yīng)速率的影響

14、。速率的影響。當(dāng)當(dāng) 0時，時， 吸電子基團加速反應(yīng)；吸電子基團加速反應(yīng)；當(dāng)當(dāng) 0, 取代基為吸電子基團；取代基為吸電子基團； 0, 取代基為供電子基團。取代基為供電子基團。二二. 芳環(huán)上親核取代反應(yīng)芳環(huán)上親核取代反應(yīng)Cl共扼pNO2 CN COCH3 CF3當(dāng)芳環(huán)上連時，也可發(fā)生親核取代反應(yīng)1. 加成消除機理加成消除機理XXNuNu-NuX-Nu-=OH- NH2- RNH- RO-慢決定步驟X=NO2OR鹵素等芳烴親核取代反應(yīng)負離子機理Meisenheimer絡(luò)合物絡(luò)合物OHClOH-450MPa350ClNO2NO2O2NNO2O2NNO2OHOH-25NO2NO2NNHLNO2NO2L=

15、Cl Br I SO2Ph p-O2NC6H5O-LNuLNu-Nu快F Cl，Br, ISmiles重排是指符合下列通式的一組重排：YCCZO2NYCCZO2NY=S、SO、SO2、O、COO等Z=OH、NH2、NHR、CONH2、CONHR、SH及CH3的共軛堿堿SOHO-O2SNO2O2-OH如：O-O2SNO2-OHSOO2SOHO2SONO2O2螺環(huán)負離子中間體（Meisenheimer絡(luò)合物）SNAr-反應(yīng)機理：NO2NO2O2NOCH3OC2H5O2NNO2NO2KOC2H5NO2O2NOC2H5NO2H3COOCH32. SB1 反應(yīng)反應(yīng)N N+N2+OH2+OH+H2O-H+

16、快KIIN2+Cl-NH2NaNO2HCl桑德邁耳反應(yīng)和加特曼反應(yīng)桑德邁耳反應(yīng)和加特曼反應(yīng)Ar-N N Cl -+桑德邁耳反應(yīng)桑德邁耳反應(yīng)推廣的桑德邁耳反應(yīng)推廣的桑德邁耳反應(yīng)HBr + CuBr or HCl + CuClArBr or ArClArBr or ArCl ArCNArNO2 or ArSO3Na or ArSCNKCN + CuCN （中性條件）（中性條件） Cu + HBr or Cu + HClCu + NaNO2, Cu + Na2SO3Cu + KSCN加特曼反應(yīng)加特曼反應(yīng)推廣的加特曼反應(yīng)推廣的加特曼反應(yīng)桑德邁耳的反應(yīng)機理（自由基取代反應(yīng)）桑德邁耳的反應(yīng)機理（自由基取代

17、反應(yīng)）+N N CuCl+N NCl+ CuCl+ CuCl2 + N2+ CuCl CuCl2 提供一個提供一個Cl絡(luò)合絡(luò)合電子轉(zhuǎn)移電子轉(zhuǎn)移席曼反應(yīng)（席曼反應(yīng)（Schiemann）（）（SNlAr）定義：芳香重氮鹽和冷的氟硼酸反應(yīng)，生成溶解度較小，定義：芳香重氮鹽和冷的氟硼酸反應(yīng)，生成溶解度較小， 穩(wěn)定性較高的氟硼酸鹽，經(jīng)過濾、干燥，然后加穩(wěn)定性較高的氟硼酸鹽，經(jīng)過濾、干燥，然后加 熱分解產(chǎn)生氟苯熱分解產(chǎn)生氟苯.（1927年發(fā)現(xiàn)）年發(fā)現(xiàn)）NH2+ N2 + BF3 NaNO2 / H2OHCl 0oC C6H5-N N Cl -+HBF4NaBH4 C6H5-N N BF4 -+F不穩(wěn)定不穩(wěn)

18、定溶解度較小，溶解度較小，穩(wěn)定性較高穩(wěn)定性較高反應(yīng)機制：反應(yīng)機制：SNlArNH2+ NO+BF4- C6H5-N N BF4 -+ C6H5-N N Cl -+HBF4 C6H5-N N BF4 -+-N2+ BF4-F+ BF3F BF3（氟硼酸亞硝鹽）（氟硼酸亞硝鹽）(1). 剛穆伯剛穆伯-巴赫曼反應(yīng)巴赫曼反應(yīng)定義：芳香重氮鹽的芳基在堿性條件下（或在中性有機溶劑定義：芳香重氮鹽的芳基在堿性條件下（或在中性有機溶劑 中）與其它芳香化合物偶聯(lián)成聯(lián)苯衍生物的反應(yīng)稱為中）與其它芳香化合物偶聯(lián)成聯(lián)苯衍生物的反應(yīng)稱為 剛穆伯剛穆伯-巴赫曼反應(yīng)。巴赫曼反應(yīng)。芳香化合物的芳基化芳香化合物的芳基化芳基取代

19、另一個芳環(huán)上的氫，稱為芳基化反應(yīng)芳基取代另一個芳環(huán)上的氫，稱為芳基化反應(yīng).（自由基取代反應(yīng)）（自由基取代反應(yīng)）or NaNO2-中性有機溶劑中性有機溶劑 反應(yīng)條件溫和反應(yīng)條件溫和Ar-N2+Cl- + Ar1HNaOH-H2O-苯體系苯體系A(chǔ)r-Ar1規(guī)律：芳環(huán)上有取代基時，偶聯(lián)反應(yīng)在取代規(guī)律：芳環(huán)上有取代基時，偶聯(lián)反應(yīng)在取代 基的鄰對位發(fā)生。基的鄰對位發(fā)生。應(yīng)用：是制備聯(lián)苯和不對稱聯(lián)苯衍生物的重要方法應(yīng)用：是制備聯(lián)苯和不對稱聯(lián)苯衍生物的重要方法.反應(yīng)機理反應(yīng)機理N2Cl- + NaOH+ N NOH-NaCl+N=N OH+ N2 + OH 一些重氮鹽在堿性或稀酸的條件下發(fā)生分子內(nèi)的偶聯(lián)一些

20、重氮鹽在堿性或稀酸的條件下發(fā)生分子內(nèi)的偶聯(lián)反應(yīng)稱為普塑爾反應(yīng)。反應(yīng)稱為普塑爾反應(yīng)。(2) 普塑爾反應(yīng)普塑爾反應(yīng)ZZN2+堿堿Z： CH=CH CH2-CH2 NH C=O CH2COOHCH=CN2+COOHCH=CCOOHHCOOH反反應(yīng)應(yīng)機機理理-H.Cu-N2 -苯基肉桂酸的苯基肉桂酸的重氮鹽重氮鹽吸電子基通常是：吸電子基通常是：C=C，C=O，C=N，x，Ar，COOH 等。等。(3). 麥爾外因反應(yīng)麥爾外因反應(yīng) 重氮鹽在氯化銅的催化作用下，與帶有吸電子基的烯烴重氮鹽在氯化銅的催化作用下，與帶有吸電子基的烯烴作用，使后者芳基化的反應(yīng)稱為麥爾外因反應(yīng)。作用，使后者芳基化的反應(yīng)稱為麥爾外因反應(yīng)。eg 1eg 2+N N Cl -+N N Cl -O2NCH=CH-CNCH-CHCNClCH=CCNCH=CH-COOHO2NC=CHCOOHO2NCH=CH+-CO2 CuCl2-N2 10-30oC-HCl-N2 -HClCuCl