第十二章

芳環(huán)的親電取代、親核取代反應及芳環(huán)取代基的反應

ElectrophilicandNucleophilicSubstitutionsatAromaticRings,ReactionsofSubstituentsofAromaticRings本章主要內(nèi)容2一、芳環(huán)的親電取代反應*

苯、取代苯、稠環(huán)芳烴、芳香雜環(huán)二、芳環(huán)親核取代反應

苯、取代苯和芳香雜環(huán)三、芳環(huán)取代基的反應*

芳香重氮鹽的形成及其反應四、以上三類反應在合成中的應用一、芳環(huán)的親電取代反應及機制Mechanism苯環(huán)的親電反應與烯烴的對比分析不同之處：苯環(huán)具有芳香穩(wěn)定能，與親電試劑加成形成碳正離子需要更高的活化能類似點：苯環(huán)與烯烴的分子平面上下兩方具有π鍵電子云，容易接受親電試劑進攻3一、芳環(huán)的親電取代反應及機制1.Mechanism

Step1:

親電試劑進攻苯環(huán)的p鍵，形成碳正離子（與烯烴親電加成反應類似）

Step2:

脫去一個質(zhì)子，回復到穩(wěn)定的芳香性苯環(huán)結(jié)構(gòu)，生成取代反應產(chǎn)物（與烯烴不同）HEHEHEE++E-H+4一、芳環(huán)的親電取代反應及機制Reactioncoordinatediagrams5一、芳環(huán)的親電取代反應及機制2.Thefivemostcommonelectrophilicaromaticsubstitutionreactions6一、芳環(huán)的親電取代反應及機制7苯環(huán)的親電反應需要活化的親電試劑（ActivatedElectrophiles）是其一大特點原因：芳香環(huán)與親電試劑的反應形成碳正離子的過程伴隨著芳香穩(wěn)定性的喪失結(jié)果：因此，相比烯烴的親電加成反應，苯環(huán)的親電取代反應需要更高活性的親電試劑一、芳環(huán)的親電取代反應及機制以上幾種親電取代反應的親電試劑如下：

---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、芳環(huán)的親電取代反應及機制2.1Halogenation9[Cl—FeCl3]-FeCl3+HCl[Br—FeBr3]-FeBr3+HBr一、芳環(huán)的親電取代反應及機制2.1Halogenation10一、芳環(huán)的親電取代反應及機制2.2Nitration11一、芳環(huán)的親電取代反應及機制2.3Sulfonation---reversiblereaction可逆反應12通過提供親電試劑的濃度促使平衡移動一、芳環(huán)的親電取代反應及機制2.4Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)13Note:

烷基化反應中可能發(fā)生重排一、芳環(huán)的親電取代反應及機制2.4Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)1410102.5Friedel-CraftsAcylation(傅氏酰基化)一、芳環(huán)的親電取代反應及機制沒有重排問題注意使用不同的酰化試劑時，催化劑的用量是不同的>1.0eq>2.0eq15一、芳環(huán)的親電取代反應及機制思考題：如何從苯合成正丁基苯？16二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響1.ExperimentalFacts:17二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響182.取代基對反應活性的影響

①致活基(Activatingsubstituents)——給電子基(Electron-donatingsubstituents)將增加苯環(huán)與親電試劑的反應活性

②致鈍基(Deactivatingsubstituents)——吸電子基(Electron-withdrawingsubstituents)則降低苯環(huán)與親電試劑的反應活性二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響2.Theeffectofsubstituentsonreactivity19

Relativereactivity:

強致活Stronglyactivatingsubstituents中等致活Moderatelyactivatingsubstituents弱致活Weaklyactivatingsubstituents弱致鈍Weaklydeactivatingsubstituents中等致鈍Moderatelydeactivatingsubstituents強致鈍Stronglydeactivating

substituents

二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響致活基致鈍基取決于取代基電子效應對苯環(huán)電子密度影響的大小20鄰、對位定位間位定位致活基致鈍基21二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響223.取代基對取代位置的影響

①鄰對位定位基(ortho/paradirectors)

——所有的致活基都是鄰對位定位基

——

弱致鈍基鹵素原子也是鄰對位定位基

②間位定位基(metadirectors)

——除鹵素原子外，其他的致鈍基都是間位定位基4.

定位效應與定位規(guī)律的分析與解釋

從實驗事實提出的問題：

---

為什么致活基都是鄰對位取代基？

---

為什么大多數(shù)致鈍基都是間位定位基？

---

為什么鹵素既是弱的致鈍基，又是鄰對位定位基？從以下三個方面進行分析討論：

---

電子效應對苯環(huán)上電子云密度分布的影響

---

苯環(huán)上電子云密度分布的理論計算結(jié)果

---

反應中活潑中間體的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響234.

定位效應與定位規(guī)律的分析與解釋二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響4.1

電子效應對苯環(huán)上電子云密度分布的影響----NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR等基團具有給電子共軛和吸電子誘導作用，總結(jié)果為給電子共軛作用，苯環(huán)上電子云密度增加，親電反應速率增大。---

鄰對位電子云密度增加得更多，鄰對位定位。244.

定位效應與定位規(guī)律的分析與解釋二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響4.1

電子效應對苯環(huán)上電子云密度分布的影響----CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等基團具有吸電子共軛和吸電子誘導作用，苯環(huán)上電子云密度降低，親電反應速率降低。---

吸電子共軛作用使鄰對位電子云密度降低得更多，間位定位。254.

定位效應與定位規(guī)律的分析與解釋二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響4.1

電子效應對苯環(huán)上電子云密度分布的影響---X原子具有吸電子誘導和給電子共軛作用，總結(jié)果為吸電子作用，苯環(huán)上電子云密度降低，親電反應速率降低。---

鄰對位電子云密度降低得較少，鄰對位定位。Cl::Cl:Cl:Cl:264.

定位效應與定位規(guī)律的分析與解釋二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響由以上分析可見：---

當一個基團既有誘導效應又有共軛效應時，則整個基團表現(xiàn)出來的電子效應是兩種效應的總和。---

取代基產(chǎn)生的共軛電子效應對苯環(huán)的鄰對位產(chǎn)生的影響較大，而對間位產(chǎn)生的影響較小。274.

定位效應與定位規(guī)律的分析與解釋二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響4.2

苯環(huán)上電子云密度分布的計算結(jié)果與前述分析結(jié)果是一致的。4.3

反應的活潑中間體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析28

CH3和烷基:弱致活基，鄰對位定位基29

OH,OR；NH2,NHR,NR2：強致活基，鄰對位定位基30

OH,OR；NH2,NHR,NR2：強致活基，鄰對位定位基31

OCOR，NHCOR：中等致活基，鄰對位定位基當氧或氮與羰基相連時，氧或氮上的孤對電子也與羰基共軛，因此與苯環(huán)的共軛作用減弱了32

強致鈍基和中等致鈍基，間位定位基-CONH2,-COOR,-COR,-CHO,-SO3H,-+NR3,-NO2,-CF3,-CN----CF3和-+NR3只具有吸電子誘導效應---

其它基團則兼具有吸電子誘導和共軛效應33NH3+

：強致鈍基，間位定位基34NO2

：強致鈍基，間位定位基35強致鈍基和中等致鈍基，間位定位基：難以發(fā)生F-C烷基化反應和F-C酰基化反應!!

36

Halogens：弱致鈍基，鄰、對位定位基37

——既具有吸電子的誘導效應，又具有給電子的共軛效應，從反應速率比苯低可以得知吸電子作用更強；但正因為具有給電子的共軛作用，使得它成為鄰、對位定位基。5.Theortho/pararatio二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響取代基的空間位阻將影響鄰對位比例385.Theortho/pararatio取代基的體積越大，空間位阻大，鄰位比例減少396.

取代基活性與反應條件二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響類似的，硝化試劑有稀硝酸、濃硝酸、混酸等.406.

取代基活性與反應條件二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響白色沉淀，用于苯酚鑒別。41---

活化作用影響>

鈍化作用影響（多數(shù)情況）強作用的影響>

弱作用的影響***

兩個活化基存在時，則強活化基決定定位

兩個鈍化基存在時，則弱鈍化基決定定位---

活性作用大小接近時，獲得混合物---

空阻大的位置難進入7.

多取代苯的定位效應：42當多個取代基連接在苯環(huán)上時，7.

多取代苯的定位效應：437.

多取代苯的定位效應：44位阻較大7.

多取代苯的定位效應：major少45二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響OCH3BrOCH3Br+O2NNO2OCH3COOCH3BrNHCOCH3BrBrH3COC468.Synthesisofsubstitutedbenzenes（見教材p481-483。自己通過練習，進行小結(jié)）二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響47二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響8.Synthesisofsubstitutedbenzenes48二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響8.Synthesisofsubstitutedbenzenes間位定位基難以發(fā)生F-C反應49二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響8.Synthesisofsubstitutedbenzenes直接烷基化可能重排磺酸基應后引入o、p-定位基m-定位基直鏈烷基苯50二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響8.Synthesisofsubstitutedbenzenes51二、取代基對芳環(huán)親電取代反應的影響8.Synthesisofsubstitutedbenzenes利用磺化的可逆性可以起到保護苯環(huán)上的某些位置的作用——這是常用的合成的策略52三、多環(huán)芳烴的親電取代反應實驗事實：

（1）萘的活性高于苯，且α-位活性高于β-位；

（2）蒽、菲則主要生成9-或10-位取代產(chǎn)物分析解釋：53分析解釋：54三、多環(huán)芳烴的親電取代反應關(guān)于磺化反應：

思考題：請同學們分析回答：（1）蒽、菲為什么主要生成9-或10-位取代產(chǎn)物？（2）蒽、菲的磺化反應為什么以1-

取代為主？55三、多環(huán)芳烴的親電取代反應萘環(huán)上的取代基對新的取代反應定位影響：思考題：請同學們分析解釋上述定位規(guī)律56四、芳香雜環(huán)的親電取代反應五元芳香雜環(huán)的反應活性：

五元芳香雜環(huán)的反應定位規(guī)律：

—吡咯、呋喃和噻吩均以2-取代產(chǎn)物為主

57四、芳香雜環(huán)的親電取代反應六元芳香雜環(huán)的反應活性：吡啶不能進行Friedel－Crafts烷基化和酰基化反應，但其酰基吡啶鹽卻是很好的酰基化試劑

58四、芳香雜環(huán)的親電取代反應

六元芳香雜環(huán)的反應定位規(guī)律：

—

吡啶的親電取代反應發(fā)生在3-位5960芳香雜環(huán)的反應活性：參閱第四章156和157頁偶極矩數(shù)據(jù)四、芳香雜環(huán)的親電取代反應五、芳環(huán)和芳香雜環(huán)的親核取代反應通常苯不會發(fā)生親核取代反應因為當親核的負離子接近苯環(huán)時，

-電子云會對它產(chǎn)生排斥，此外，氫負離子是一個堿性非常強的堿，難以離去。H+:Nu611.

芳環(huán)親核取代反應（SNArReaction）

若要發(fā)生此種反應，底物需具備：

---一個或多個強的吸電子基團

---一個較好的離去基團（如鹵素）五、芳環(huán)和芳香雜環(huán)的親核取代反應62五、芳環(huán)和芳香雜環(huán)的親核取代反應632、芳香雜環(huán)的親核取代反應

---

吡啶比苯容易發(fā)生親核取代反應

吡啶的2-位或4-位上連有好的離去基團時，容易發(fā)生親核取代反應吡啶的3-位的反應性與鹵代苯類似，反應要求條件較強烈且需要在銅鹽催化下發(fā)生反應：64六、芳環(huán)取代基的反應1.

光照或加熱條件下α–鹵代反應自由基鹵代反應65六、芳環(huán)取代基的反應2.

芳環(huán)側(cè)鏈的氧化反應66六、芳環(huán)取代基的反應3.

芳環(huán)側(cè)鏈碳原子上的親核取代反應67六、芳環(huán)取代基的反應4.

芳環(huán)側(cè)鏈消去反應與加成反應68六、芳環(huán)取代基的反應5.

芳香胺的制備69六、芳環(huán)取代基的反應芳香重氮鹽在合成上用途廣泛3.

芳香胺的重氮化反應(Diazotization)

---芳香重氮鹽(ArenediazoniumSalts)的生成芳香重氮鹽70六、芳環(huán)取代基的反應脂肪族伯胺也能發(fā)生重氮化反應，但所生成的重氮鹽不穩(wěn)定，很快分解，因此難以用于合成，但可用于氮含量分析—

凱氏定氮法脂肪族伯胺的重氮化反應71六、芳環(huán)取代基的反應3.1

芳香重氮鹽的親核取代反應

---SynthesisofSubstitutedBenzenes3.

芳香重氮鹽的反應及其應用723.2

芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應（與胺或酚反應）---ElectrophilicSubstitution---TheArenediazoniumIonasanelectrophile---偶氮化合物的合成區(qū)域選擇性---

偶聯(lián)反應通常發(fā)生在羥基或氨基的對位，如果對位有基團占據(jù)，則發(fā)生在鄰位。73六、芳環(huán)取代基的反應3.2

芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應（與胺或酚反應）反應條件---重氮鹽與酚的偶聯(lián)常在pH8~10的弱堿性條件進行；重氮鹽與芳胺的反應在弱酸性條件下進行。Why？74六、芳環(huán)取代基的反應3.3

芳香重氮鹽在合成上的應用A.

苯環(huán)上引入羥基或烷氧基75六、芳環(huán)取代基的反應3.3

芳香重氮鹽在合成上的應用B.

苯環(huán)上引入氰基76六、芳環(huán)取代基的反應3.3

芳香重氮鹽在合成上的應用C.

苯環(huán)上引入氟773.3

芳香重氮鹽在合成上的應用D.

合成違反定位規(guī)則的取代苯衍生物783.3