1、第六章第六章 芳環上的取代反應芳環上的取代反應一一. 親電取代反應親電取代反應1. 反應機理反應機理2. 反應的定向與反應活性反應的定向與反應活性 3. 取代效應的定量關系取代效應的定量關系二二. 芳環上親核取代反應芳環上親核取代反應三三. 芳環上的取代反應及其應用芳環上的取代反應及其應用CCCCCCHHHHHH 芳環上離域芳環上離域電子的作用，易于發生親電取代電子的作用，易于發生親電取代反應，只有當芳環上引入了強吸電子基團，才能發反應，只有當芳環上引入了強吸電子基團，才能發生親核取代反應。生親核取代反應。苯環的苯環的電子云：電子云：- 絡合物絡合物 芳正離子芳正離子(-絡合物絡合物)HEEE

2、+Nu-E+H+一一. 親電取代反應親電取代反應1. 加成消除機理加成消除機理+ E+NuEHEEHHNu+ Nu+ H+Nu反應進程位能苯進行親電取代和親電加成反應的能量變化苯進行親電取代和親電加成反應的能量變化Br2 + FeBr3BrBrFeBr3RBrBrFeBrBrH+ FeBr3Br+ RBrHRRBr+ H芳正離子生成的一步是決定反應速率的一步芳正離子生成的一步是決定反應速率的一步例如：例如：溴代反應溴代反應實驗已經證實芳正離子的存在：實驗已經證實芳正離子的存在：CH3CH3H3CC2H5F/BF3-80CH3CH3H3CH C2H5BF4-m. p: -15 傅瑞德傅瑞德克拉夫

3、茨（克拉夫茨（Friedel-Crafts）反應）反應 烷基化反應烷基化反應 烷基化試劑：烷基化試劑：鹵代烷、烯、醇鹵代烷、烯、醇等等 催化劑：催化劑：AlCl3 、 FeCl3 、BF3等路易斯酸或質子酸等路易斯酸或質子酸包括包括烷基化烷基化 苯環上苯環上H被被 -R 取代取代酰基化酰基化苯環上苯環上H被被 R-C- 取代取代O=+ H2C=CH2AlCl3微微HC2H5+ CH3CH=CH2CH3-CH-CH3AlCl3微微HC2H5+ C2H5BrAlCl3+ HBr 傅傅-克烷基化反應歷程克烷基化反應歷程CH3CH2Cl.+ AlCl3 .C2H5- Cl.-AlCl3+ AlCl4+

4、 AlCl3 + HClCH2CH3HCH2CH3+ CH3CH2HCH2CH3+-絡合物絡合物+ CH3CH2OH+ H2O H2SO4-CH2CH3CH3CH2+ + AlCl4 烷基化反應的特點烷基化反應的特點a) 大于三個碳原子的直鏈烷基引入苯環時，常發生烷基的異大于三個碳原子的直鏈烷基引入苯環時，常發生烷基的異 構化現象。構化現象。原因是：原因是：+ CH3CH2CH2Cl+（主）（主）（次）（次）AlCl3CH3CHCH3CH2CH2CH3CH3CHCH3+CH3CHCH3CH3CH2CH2重排重排CH3CHCH3+b) 產物的多元烷基化，使反應不易停留在一取代。產物的多元烷基化，

5、使反應不易停留在一取代。c）反應可逆性與歧化）反應可逆性與歧化+ C2H5BrAlCl3苯過量苯過量1 : 10.3 : 1C2H5C2H5-C2H5C2H5C2H5C2H5C2H5C2H5-C2H5+C2H5+CH3CH3CH32AlCl3310570苯環上有苯環上有-NH2 、-NHR 、-NR2 、等堿性基團時，不反應。、等堿性基團時，不反應。f ) 可以發生分子內反應。可以發生分子內反應。d) 苯環上帶有強吸電子基團時（苯環上帶有強吸電子基團時（-NO2 、-SO3H 、-CN 、CH3-C-、-COOH 等）難反應。等）難反應。O=+ CH3BrAlCl3NO2 酰基化反應酰基化反應

6、催化劑：無水催化劑：無水AlCl3R-C-ClO=OR-COR-CO=酰化劑：酰化劑：烷基化與酰基化相似之處：烷基化與酰基化相似之處：A）反應歷程相似）反應歷程相似B）催化劑相同）催化劑相同C）苯環上有強吸電子基時）苯環上有強吸電子基時 （-NO2 、-SO3H 、-CN 、CH3-C-=O、-COOH ）一般都不能反應）一般都不能反應AlCl3+乙酰氯乙酰氯苯乙酮苯乙酮CH3-C-ClO=O=C-CH3+AlCl3+ CH3COOH乙酐乙酐甲基對甲苯基酮甲基對甲苯基酮OCH3 -COCH3 -CO=CH3O=CH3C-CH3需催化量的催化劑需催化量的催化劑需過量的催化劑需過量的催化劑+ CH

7、3CH2C=OClAlCl3O=C-CH2CH3Zn / HgHClCH2CH2CH3如：如：+ CH3CH2CH2Cl+AlCl3CH3CHCH3CH2CH2CH3（70%）（30%） 酰基化與烷基化不同之處酰基化與烷基化不同之處引入引入C3 烴基時無異構化烴基時無異構化產物產物引入引入C3烴基時主要得到烴基時主要得到異構化產物異構化產物容易停留在一元取代階段容易停留在一元取代階段不易停留在一元取代階段不易停留在一元取代階段酰基化反應酰基化反應烷基化反應烷基化反應幾個有關的反應：幾個有關的反應：+ CO + HClAlCl3CuClCHO + HCl Gatterman-Koch反應反應 V

8、ilsmeier反應反應+ (CH3)2NCOHPOCl3CHO+ (CH3)2NH HCN+ HClAlCl3CH=NH HCl H2OCHO Gatterman反應反應 Reimer-Tiemann反應反應OHCHCl3NaOHOHCHOOHCHO+2. 親電取代反應的特性與相對活性親電取代反應的特性與相對活性第一類定位基：第一類定位基：(鄰對位定位基鄰對位定位基)N(CH3)2, NH2,OH, OCH3, NHCOCH3,OCOCH3， Cl, Br, I,CH2COOCH3CH3, 第一類取代基（鹵素除外）具有第一類取代基（鹵素除外）具有+I 或或C效應，作用是增大效應，作用是增大芳

9、環的電子云密度，有致活作用，鹵素有致鈍作用。芳環的電子云密度，有致活作用，鹵素有致鈍作用。第二類定位基：第二類定位基： (間位定位基間位定位基)NH3, NO2, CN, SO3H,CHO,COCH3 ,COOH , COOR, CONH2 .+N(CH3)3 ,+第二類取代基具有第二類取代基具有I 或或C效應，使芳環上的電子云密度效應，使芳環上的電子云密度降低，有致鈍作用。降低，有致鈍作用。定位效應定位效應 (Orientation)：芳環上的取代基對于芳環上的取代基對于E+進入芳環位置的影響。進入芳環位置的影響。鄰位和對位定向比：鄰位和對位定向比：CH3HNO3H2SO4NO2+BF4-/

10、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，選擇性越低：2) 空間效應越大，對位產物越多：空間效應越大，對位產物越多：C(CH3)3H2SO4C(CH3)3SO3H100%極化效應：極化效應：XX o% p% m%F 12 88 0Cl 30 69 1 I 32 60 8 X 具有具有I效應，使鄰位的電子云密度降低。效應，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效應效應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。HNO3H2SO4溶劑效應溶劑效應C

11、H3C ClOAlCl3CS2COCH3PhNO2COCH3E+被硝基苯溶劑化，體積增大。被硝基苯溶劑化，體積增大。較大的空間效應使它進入較大的空間效應使它進入1位。位。螯合效應：螯合效應：NO2NO2OCH2CH2OCH3-NO3-(鄰）69%（對）28%CH2NO2CH2OCH3CH2CH2OCH3NO2HNO2CH2CH2OCH3-H+產物能夠發生螯合能夠發生螯合效應的條件：效應的條件：1雜原子能與雜原子能與試劑結合；試劑結合；2）所形成環為）所形成環為五員環或六員五員環或六員環。環。原位取代原位取代 (IPSO取代取代):在芳環上已有取代基的位置上發生取代作用在芳環上已有取代基的位置上

12、發生取代作用IPSO取代：取代：CH3CH(CH3)2NO2OAcAc2OCH3CH(CH3)2NO2+CH3CH(CH3)2NO2+CH3NO282%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比較穩定，異丙基容易作為比較穩定，異丙基容易作為正離子消除。正離子消除。動力學控制與熱力學控制動力學控制與熱力學控制+H2SO480165SO3HHSO3HH165位取代動力學控制產物；位取代動力學控制產物；位取代熱力學控制產物。位取代熱力學控制產物。3. 取代基的定量關系取代基的定量關系取代基效應與化學活性之間存在一定的定量

13、關系取代基效應與化學活性之間存在一定的定量關系1) 分速度因數分速度因數( f )從定量關系上考慮鄰、對、間位取代難易程度。從定量關系上考慮鄰、對、間位取代難易程度。分速度因數分速度因數 f =(6) (k取代取代)(z產物的百分比產物的百分比)y (k苯苯)Z：一位置取代物的百分數，：一位置取代物的百分數， y：某一位置的數目：某一位置的數目 通過取代苯每一個位置的活性與苯比較，把總通過取代苯每一個位置的活性與苯比較，把總的速率乘以鄰位、間位或對位產物的百分比，再除的速率乘以鄰位、間位或對位產物的百分比，再除以苯的取代速率的結果。以苯的取代速率的結果。當當 f 1 時，該位置的活潑性比苯大時

14、，該位置的活潑性比苯大, 否則比苯小。否則比苯小。fokPhH kPhZ o%62 fmkPhH kPhZ m%62 fpkPhH kPhZ p%61 不同位置的分速度因數：不同位置的分速度因數：例如：例如： 25時，甲苯在乙酸溶液中發生溴化反應時，甲苯在乙酸溶液中發生溴化反應的速度是苯的的速度是苯的605倍，取代產物的百分比為：倍，取代產物的百分比為： 鄰位鄰位32.9%，間位，間位0.3%，對位，對位66.8%fo 62 132.9% 605597fm 6 21 0.3%6055.5fp61605166.8%2424鄰間對位的分速度因數：鄰間對位的分速度因數：氯苯和苯甲醚進行硝化反應時，分

15、速度因數分別為：氯苯和苯甲醚進行硝化反應時，分速度因數分別為：Cl0.0290.00090.137 氯苯的三個分速度因數均小于氯苯的三個分速度因數均小于1，鹵素是致鈍基團，鹵素是致鈍基團，且且 fm fm-OCH3 對于鄰、對位有對于鄰、對位有C, I效應，效應，C I 對于間位，只有對于間位，只有I, 而無而無C效應。效應。OCH30.252.31045.54102Hammett 方程方程Hammett在研究苯甲酸衍生物離解平衡時，發現間位在研究苯甲酸衍生物離解平衡時，發現間位和對位取代苯甲酸的離解平衡常數具有線性關系式。和對位取代苯甲酸的離解平衡常數具有線性關系式。log kXkH() x

16、Hammett 方程：方程：COOHCOO- + H3O+X+ H2OXKlogKXKH=X也適用于速率常數或其它常數：也適用于速率常數或其它常數：lgkXkHx 表示了取代基對反應速率的影響。表示了取代基對反應速率的影響。只與反應性質相關，只與反應性質相關，稱為反應常數。底物不同，稱為反應常數。底物不同，不同；反應條件不同，不同；反應條件不同， 不同。不同。kx、kH分別代表取代苯衍生物和沒有取代的苯衍生分別代表取代苯衍生物和沒有取代的苯衍生物的速率常數，物的速率常數，x取代基常數，取代基常數， 直線斜率。直線斜率。為反應常數，與反應類型和反應條件有關。為反應常數，與反應類型和反應條件有關。

17、 當當 0時，吸電子基團加速反應；時，吸電子基團加速反應； 當當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。常數常數和和的意義：的意義：二二. 芳環上親核取代反應芳環上親核取代反應Cl共軛p NO2、CN、COCH3、CF3等當芳環上連有基團時，也可發生親核取代反應1. 加成消除機理加成消除機理(似似SN2反應反應)XXNuNu-NuX-Nu-=OH- ， NH2- ， RNH- ， RO-慢決 速 步 驟X=NO2、 O R鹵 素 、等OHClOH-450MPa350ClNO2NO2O2NNO2O2NNO2OHOH-25例如：例如：而：而：NO2NO2NNHLNO2NO2L=Cl, Br, I , SO2Ph, p-O2NC6H5O-LNuLNu-Nu快L=F Cl，Br, INO2NO2O2NOCH3OC2H5O2NNO2NO2KOC2H5NO2O2NOC2H5NO2H3COOCH3底物結構對反應活性的影響底物結構對反應活性的影響ClNO2O2NNO2ClNO2NO2ClNO2ClC