第八章芳環上的取代反應

§8-1親電取代反應

一．親電取代反應歷程

芳環上的親電取代反應歷程為：反應物與親電試劑首先形成π絡合物，然后轉變成σ絡合物，后者失去質子（通常是H+）生成產物。即反應歷程是加成-消除歷程。慢快快二．親電取代反應的特性和相對活性1.反應活性和定位效應

一取代苯再進行親電取代反應時，基團進入苯環的位置，取決于苯環上原有取代基的性質。苯環上原有取代基對新進入的基團進入苯環上的位置的影響，稱為定位效應。鄰對位定位基使新進入的基團主要進入苯環的鄰位和對位，同時使苯環活化，即反應速度一般比苯大；間位定位基主要使新進入的基團進入苯環的間位，同時使苯環鈍化，即反應速度比苯小。常見的鄰對位定位基有：-O-，-NR2，-NHR，-NH2，-OH，-OR，-NHCOR，-OCOR，-SR，-R，-Ar，-COO-。間位定對基有：-N+R3，-NO2，-CN，-SO3H，-CHO，-COR，-COOH，-COOR，-CONH2，-CCl3，-N+H3。鄰對位定位基無論是誘導效應還是共軛效應的作用方向是否一致（如甲基相同，OH-相反，+C>-I），總的結果是供電子基；間位定位基為吸電子基（如硝基）。鹵素是一類特殊的取代基，它們是使苯環發生鈍化，但是鄰對位定位基，這是因為鹵苯在發生親電取代反應時，動態的共軛效應起主導作用。2.鄰位和對位的定向比一取代苯的親電取代反應，從反應的幾率來看，鄰位和對位的取代產物之比應為2：1，但實驗結果并非如此，這是因為影響因素的不同。（1）親電試劑活性的影響

一般來說，親電試劑的活性越大，對于鄰位和對位的選擇性越小。如在甲苯中的硝化，當親電試劑不同時對位和鄰位的產率為：

%o-（鄰）%p-（對）相對速度HNO3/68%H2SO4

603717HNO3/CH3NO2

593721NO2+BF4-/CH3CN

69292.3（2）空間效應的影響親電試劑和苯環上原有取代基的體積越大，對位異構體的量越多。如叔丁苯和溴苯的磺化，幾乎都生成100%的對位異構體。（3）極化效應的影響鹵苯的硝化反應鄰對位產物的比為：從空間效應來看，I>Br>Cl>F，應鄰位取代越來越少，但以上結果相反，這是因為，F的電負性大，對鄰位產生的吸電子效應大，使鄰位的電子云密度下降最多，從而不利于鄰位取代。

%o-%p-F

1288Cl

3069Br3762I

3860（4）溶劑效應的影響親電取代反應通常在極性或非極性溶劑中完成，溶劑效應對取代苯的鄰對位比例有一定的影響。如取代苯在硝基烷中的氯代反應，得到大量的對位異構體，因為氯化試劑與溶劑結合后阻礙了在鄰位上的進攻。（5）螯合作用當環上的取代基與親電試劑發生絡合時，通常發生鄰位取代。如1-苯基-2-甲氧基乙烷在CH3CN中用N2O5硝化比用混酸硝化有較高的鄰對位比。鄰位產物較多的原因是因為通過螯合作用實現的。用N2O5硝化：鄰位產物69%對位產物28%用HNO3硝化：鄰位產物32%對位產物59%（6）原位取代在親電取代反應中，親電試劑取代苯環上原有取代基稱為原位（ipos）取代。如：苯環上原有取代基被取代的難易，取決于離去基團帶有正電荷離去的能力。離去基團的離去能力：H+>>I+>Br+>NO2+>Cl+3.取代基效應的定量關系

（1）分速度因數和選擇性

苯環上原有取代基對于其它基團進入苯環上的位置所產生的影響，稱為取代基效應。取代基效應包括：電子效應和空間效應等。分速度因數是一取代苯進行再取代時，在其一個位置上進行取代的速度與苯的一個位置上進行取代的速度之比。分速度因數可定量表示基團的定位效應。取代苯每個位置上分速度因數的確定：是以苯的六個位置之一為比較標準，規定其值為1，若分速度因數值大于1的，說明該位置的反應活性大于苯，小于1者則反應活性小于苯。計算方法為：

fo=[(k取代苯/2)/(k苯/6)]×o-異構體(%)/100fm=[(k取代苯/2)/(k苯/6)]×m-異構體(%)/100fp=[(k取代苯/1)/(k苯/6)]×p-異構體(%)/100

fo、fm、fp分別為鄰、間、對位上的分速度因數，k取代苯為取代苯的反應總速率，k苯為苯的總反應速度（為1），鄰位有兩個，間位有兩個，對位有一個，苯上有六個，因此分別有除2，2，1和6。如甲苯和苯在乙酸中45℃時用硝酸硝化，甲苯比苯快24.5倍，而得到的異構體比為：o為57%，m為3.2%，p為40%，據此可計算出：

foCH3=24.5/2×6×0.57=42

fmCH3=24.5/2×6×0.032=2.4

fpCH3=24.5/2×6×0.4=59以上數據說明：甲苯的硝化反應，其分速度因數都大于1，且鄰位和對位的數值更大，說明甲基活化苯環上所有位置，尤其是鄰位和對位。如氯苯的硝化和甲氧基苯的硝化的分速度因數為：OCH30.030.00090.14Cl2.3X1040.255.5X104對于不同的反應物進行相同的反應（即親核試劑相同），分速度因數的值不同，說明不同的反應物對同一試劑的選擇性不同，這種選擇性叫反應物選擇性，它表明環上原有的取代基對某一種親電試劑使苯環活化或鈍化的程度。反應物的選擇性高時，通常間位和對位的產率相差比較大，反之，反應物的選擇性差時，其差值比較小。如甲苯進行硝化、氯代、溴代時的分速度因數為：CH3CH3CH338.91.345.761358206095.52420硝化氯代溴代同一反應物對不同試劑三個位置的相對速度不同，即選擇性不同，這種選擇性叫位置選擇性。通常位置選擇性和反應物選擇性是不可分割的。總之，選擇性既決定于環上原有取代基，也決定于親電試劑。當知道一取代苯的分速度因數之后，可以預測多取代苯進行反應時所得異構體的比例。如知道甲苯相對于苯的乙酰化反應的分速度因數后，可計算出間二甲苯相對于苯的乙酰化反應的分速度因數為：在計算每一個位置的分速度因數時，兩個甲基對該位置的作用一般等于兩個甲基相對位置的分速度因數的乘積。但在許多情況下多元取代苯并不符合此規則。

CH3CH34.54.87494.5x4.5=20CH34.8x4.8=234.5x749=3375（2）Hammett方程

Hammett方程是表示分子結構與化學活性之間的定量關系式之一。Hammett研究了苯甲酸的酸性和鄰位、對位取代苯甲酸的酸性，發現苯甲酸的電離常數和鄰位或對位取代苯甲酸的電離常數之比的對數值是一個常數。即：σ=lg(Ka/K0a)式中K0a代表苯甲酸于25℃下在水中的電離常數，Ka代表取代苯甲酸在同樣條件下的電離常數。σ是一個常數，它只與取代基的性質及其在苯環上的位置有關，稱為取代基常數（或取代基特性參數）。如苯甲酸和對氯苯甲酸的電離常數分別是6.25×10-5和10×10-6,則

σ=lg(10×10-6/6.25×10-5）=0.204如將氯變為硝基，對硝基苯甲酸：

σ=0.78當Ka>K0a時，lg(Ka/K0a)>0，σ為正值；當Ka<K0a時，lg(Ka/K0a)<0，σ為負值。當取代基是H時，即苯甲酸，σ為0。當Ka>K0a時，說明取代基的存在有利于酸的離解，該取代基是一個吸電基。當Ka>K0a時，說明取代基是吸電基時，σ為正值；反之，取代基是供電基時，σ為負值。無論σ值是正還是負，其絕對值越大，說明取代基效應越強。若知道某一取代基的σ值后，可以判斷該取代基的性質及其影響程度。由于取代基的σ值與苯環上第二個官能團無關，因此，σ值不隨反應而變，它是取代基靜電效應的反映。Hammett發現，鄰位和對位取代苯甲酸酯和苯甲酸酯水解常數之比的對數與σ值有很好的直線關系，即Hammett方程：

lg(Kh/K0h)=ρlg(Ka/K0a)=ρσ或：lg(K/K0)=ρσ式中K0h為苯甲酸乙酯的水解常數，Kh為取代苯甲酸乙酯的水解常數。ρ為反應常數。選用苯甲酸的電離作為參考反應，規定它的ρ=1ρ值的大小，主要決定于環上取代基對于起反應的基團所產生電子效應影響的大小，故它是衡量某一反應能感受取代基影響的尺度。在方程式lg(K/K0)=ρσ中，如果反應物的性質不變，σ是定值，lg(K/K0)與ρ的關系反映了反應的性質。它們的關系有三種情況：ρ>0，反應為吸電子基所加速；ρ<0，反應為供電子基所促進；ρ等于或接近于0，取代基對反應影響不大。ρ值無論正、負，其值越大，說明取代基對反應速度影響越大；反之，其值越小，影響越小。ρ值在闡明反應歷程方面很有用，因為它能夠描述過渡態相對于反應物對電子的要求。如芳基磺酰氯的水解反應，在15℃丙酮溶液中進行時，ρ=+0.84，在15℃水溶液中進行時，ρ=-0.30。在丙酮中進行的水解反應，由于ρ為正值，故反應為吸電基所加速，由于正值較大，吸電基的影響也較大，反應將按雙分子親核取代SN2歷程進行。從取代基的電子效應來看，吸電基降低了硫原子上的電子云密度，而有利于水分子的進攻，即有利于中間體的生成，故反應按SN2歷程進行。

在水溶液中進行的水解反應，由于ρ值是較小的負值，故供電基對反應有利，但影響較小，反應按單分子親核取代SN1歷程進行。如：反應速度取決于硫氯鍵的異裂，當取代基是供電基時，它能中和硫原子上的正電荷，而使中間體得到穩定，所以供電基有利于反應的進行利用Hammett方程，如果知道一個反應的ρ值，可以計算某種取代基的取代基常數σ；或者利用σ和ρ值，求得反應的相對K值。如下列反應：

ρ=+4.92，當取代基Z分別為OCH3和CF3時，σ分別是σp-OCH3=-0.27,σp-OCF3=+0.54。根據Hammett方程可以寫成：注意：Hammett方程的應用有一定的局限性。Hammett方程中主要是取代基的電子效應對反應的影響，但不適用于空間效應的情況，當鄰位取代基的空間效應太大時，Hammett方程就不適用了，因此，Hammett方程通常不適用于鄰位取代物。§8-2親核取代反應

一.親核取代反應的歷程1．SNAr2－加成-消除歷程

如下列反應：2．SN1歷程

某些重氮鹽發生親核取代反應時，按SN1機理進行。如：慢快重氮鹽之所以能夠分解成很不穩定的芳基正離子，其推動力是由于-N2+是一個很容易離去的基團，且其離去后形成了穩定的氮分子。3.苯炔機理－消除-加成歷程NaNH3+38%62%如下列反應：二．反應活性

1.反應物的結構對活性的影響

芳環上的親核取代反應進行的難易程度以及按何種歷程進行，與反應物的結構有密切關系。（1）按加成-消除歷程(SNAr2)進行的親核取代反應

當環上有吸電子基時，尤其是在離去基團的鄰位和對位，使親核取代反應加速，有供電子基時則反應受阻。下列化合物進行親核取代由易到難的次序是：當離去基團的鄰位和對位有供電子基時，不僅按加成-消除歷程進行的親核取代反應較難進行，且有相當部分將按消除-加成（苯炔機理）歷程進行，但隨著離去基團不同，兩種歷程的比例不同。越是容易離去的基團，按加成-消除歷程進行的量也越多，如：

（2）按SN1歷程進行的親核取代反應

重氮鹽的水解反應是SN1反應，當環上有供電子基時，有利于重氮基被親核試劑取代。當環上有吸電子基時，不利于重氮基的離去和芳正離子的穩定，不利于親核取代反應。如：（3）按消除-加成歷程（苯炔機理）進行的親核取代反應

對于一元取代苯，取代基是離去基團時，親核試劑