1、,Electrophilic and Ncleophilic Substitutions at Aromatic Rings, Reactions of Substituents of Aromatic Rings,第七講芳環(huán)的親電取代親核取代反應(yīng)芳環(huán)取代基的反應(yīng),本章主要內(nèi)容,一、苯的親電取代反應(yīng)及機制 二、取代基對苯環(huán)親電取代反應(yīng)的影響 三、稠環(huán)芳烴的親電取代反應(yīng) 四、芳香雜環(huán)的親電取代反應(yīng) 五、芳環(huán)和芳香雜環(huán)的親核取代反應(yīng) 六、芳環(huán)取代基的反應(yīng) 芳香重氮鹽的形成及其在合成中的應(yīng)用,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,1. Mechanism: Step 1: 類似烯烴，親電試劑進攻苯環(huán)的pi-

2、鍵，形成碳正離子,Step 2: 這一步與烯烴不同，不是發(fā)生親核試劑對苯環(huán)進行加成，而是脫去一個質(zhì)子，回復(fù)到穩(wěn)定的芳香性苯環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)生取代反應(yīng)。,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,Activated Electrophiles (活化的親電試劑) Cation formation by reaction of an elcerophile with an aromatic ring is accompanied by the loss of aromatic stabilization. 正離子的形成伴隨著芳香性的喪失 Therefore, the electrophile that can

3、effect aromatic subsitution of benzene must be more reactive than those addition to alkenes. 因此，與苯環(huán)反應(yīng)的親電試劑需要更高的反應(yīng)活性,親電試劑的分類,1. 強親電試劑，能取代致活和致鈍的芳環(huán)：, Cl-Cl+ - -AlCl3 Br-Br+ - -FeBr3 I+ (obtained by I2 + HNO3) +NO2 (obtained by HNO3 + H2SO4) +SO3H (from H2SO4) or SO3,2 中等強度親電試劑，能取代致活、不能取代致鈍的芳環(huán)：, R+ (obt

4、ained by R-Cl + AlCl3) RC+=O (obtained by RCOCl + AlCl3) R2C=O+H(obtained by R2C=O + H+),3 弱親電試劑，只能取代高活化的芳環(huán)：,苯環(huán)上的電子為芳香取代反應(yīng)供給了電子，很多親電試劑能與之反應(yīng)其范圍遠比烯、炔加戊反應(yīng)為廣泛。可以用一個統(tǒng)一的反應(yīng)機理來解釋這些取代反應(yīng)，雖然反應(yīng)的動力學(xué)、自由能反應(yīng)曲線對每一種親電試劑來說可以是不一樣的，但若干中間步驟基本上是相似的.,取代反應(yīng)中發(fā)生 絡(luò)合物的證據(jù)有好幾個方面,用標(biāo)記同位素方法研究取代速度是其中之一。如果質(zhì)子的離去關(guān)系到親電取代速度，則環(huán)上速度顯示第一級的同位素效

5、應(yīng)。對硝化和一些快速取代反應(yīng)看不出這種同位素效應(yīng)。例如苯上有五個氘的硝基苯在硝化時與普通硝基苯的硝化沒有什么差別。缺乏同位素效應(yīng)說明退減質(zhì)子是一步快步驟。但并非都是如此某些芳香取代反應(yīng)顯示kH/kD比值在12之間，說明存在著同位素效應(yīng),這是與 絡(luò)合物機理一致的，因為這種絡(luò)合物退減質(zhì)子較慢，成為決定速度的步驟.從而證明了 絡(luò)合物中間體。,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,2. Reaction coordinate diagrams:,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,3.The five most common electrophilic aromatic substitution reactions

6、 are the following:,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,以上幾種親電取代反應(yīng)僅親電試劑不同： Cl-Cl+ - -AlCl3 Br-Br+ - -FeBr3 I+ (obtained by I2 + HNO3) +NO2 (obtained by HNO3 + H2SO4) +SO3H (from H2SO4) or SO3 R+ (obtained by R-Cl + AlCl3) RC+=O (obtained by RCOCl + AlCl3),一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,(1) Halogenation,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,(1) Halogenation,一

7、、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,(2) Nitration,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,(3) Sulfonation reversible reaction,磺化反應(yīng)是可逆的，存在動力學(xué)和熱力學(xué)控制的競爭,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,(4) Friedel-Crafts Alkylation (傅氏烷基化),Note: Rearrangement may occur in alkylation,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,(4) Friedel-Crafts Alkylation (傅氏烷基化),10,10,(5) Friedel-Crafts Acylation (傅氏?；?,一、芳環(huán)

8、的親電取代反應(yīng)及機制,注意使用不同的?；噭r，催化劑的用量是不同的,1.0eq.,2.0eq.,沒有重排問題,一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制,思考題： 如何從苯合成正丁基苯？,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,A study of the chemistry of aromatic compounds leads to deeper understanding of the effects of electronic and steric factors on reactivity, which will be of benefit in the further study of chemi

9、stry and biochemistry.,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,1. Experimental Facts:,2. The effect of substituents on reactivity Activating substituents (致活基) Electron-donating substituents (給電子基) increase the reactivity of the benzene ring toward electrophilic aromatic substitution. Deactivating substituents (致鈍基) Elec

10、tron-withdrawing substituents (吸電子基) decrease the reactivity of the benzene ring toward electrophilic aromatic substitution.,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,2. The effect of substituents on reactivity,Relative reactivity:,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,致活基,致鈍基,取決于取代基電子效應(yīng)對苯環(huán)電子云密度影響的大小,Strongly activating subs

11、tituents Moderately activating substituents Weakly activating substituents,Weakly Activating Substituents Moderately activating Substituents Strongly activating substituents,-CF3,鄰、對位定位,*,只具有 吸電子 誘導(dǎo)作用,間位定位,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,3. The effect of substituents on orientation ortho/para directors (鄰對位定位基) a

12、ll activating substituents are ortho/para directors. the weakly deactivating halogens are ortho/para directors. meta directors (間位定位基) all deactivating substituents (except the halogens) are meta directors.,4. 定位效應(yīng)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？ 以下從三個

13、方面進行分析討論： 電子效應(yīng)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(yīng)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(yīng)的影響,4. 定位效應(yīng)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(yīng)的影響, 電子效應(yīng)對苯環(huán)上電子云密度分布的影響, -NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR等基團均具有相似的給電子共軛和吸電子誘導(dǎo)作用，并且其總結(jié)果以共軛給電子作用為主，從而使得苯環(huán)上的電子云密度增加，親電反應(yīng)速率增大。 從上述共振結(jié)構(gòu)可以看出給電子作用使得鄰對位電子云密度增加得更多，因此反應(yīng)發(fā)生在鄰對位。,4. 定位效應(yīng)與定位規(guī)律的分析與解釋,二、取代基對芳環(huán)親電

14、取代反應(yīng)的影響, 電子效應(yīng)對苯環(huán)上電子云密度分布的影響,-CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等基團均具有吸電子共軛和吸電子誘導(dǎo)作用，從而使得苯環(huán)上的電子云密度降低，親電反應(yīng)速率降低。 從上述共振結(jié)構(gòu)可以看出吸電子共軛作用使得鄰對位電子云密度降低得更多，因此反應(yīng)發(fā)生在間位。,4. 定位效應(yīng)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(yīng)的影響, 電子效應(yīng)對苯環(huán)上電子云密度分布的影響,-X原子均具有吸電子誘導(dǎo)作用和給電子共軛，并且其總結(jié)果以吸電子作用為主，從而使得苯環(huán)上的電子云密度降低，親電反應(yīng)速率降低。 從上述共振結(jié)構(gòu)可以看出給電子作用使得鄰對位電子云密度降低得

15、較少，因此反應(yīng)發(fā)生在鄰對位。,4. 定位效應(yīng)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(yīng)的影響,由以上分析可見： 當(dāng)一個基團既有誘導(dǎo)效應(yīng)又有共軛效應(yīng)時，則整個基團表現(xiàn)出來的電子效應(yīng)是兩種效應(yīng)的總和。 取代基產(chǎn)生的共軛電子效應(yīng)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。,4. 定位效應(yīng)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(yīng)的影響, 苯環(huán)上電子云密度分布的計算結(jié)果,以上結(jié)果與前述分析結(jié)果是一致的。,以下再從反應(yīng)的活潑中間體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性進行分析,CH3和烷基：弱致活基，鄰對位定位基。,OH, OR；NH2, NHR, NR2：強致活基，鄰對位定位基。,OH, OR；N

16、H2, NHR, NR2：強致活基，鄰對位定位基。,OCOR，NHCOR ：中等致活基，鄰對位定位基。,當(dāng)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,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(dǎo)效應(yīng) 其它基團則兼具有吸電子誘導(dǎo)和共軛效應(yīng),NH3+ ： 強致鈍基，間位定位基,NO2 ： 強致鈍基，間位定位基,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(yīng)和F-C?；磻?yīng),Halogens： 弱致鈍基，

17、既具有吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)，又具有給電子的共軛效應(yīng)，從反應(yīng)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. The ortho/para ratio,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,取代基的空間位阻將影響鄰對位比例,5. The ortho/para ratio,取代基的體積越大，空間位阻大，鄰位比例減少,6. 取代基對反應(yīng)條件的影響,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,類似地，硝化試劑有稀硝酸、濃硝酸、混酸等,6. 取代基活性與反應(yīng)條件,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,白色沉淀，用于苯酚鑒別。,活化作用影響 鈍化作用影響（多數(shù)情況） 強作用

18、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(yīng)：,When more than one group is attached to a benzene ring, the effect of the stronger activator ( or weaker deactivator ) prevails.,7. 多取代苯的定位效應(yīng)：,7. 多取代苯的定位效應(yīng)：,位阻較大,7. 多取代苯的定位效應(yīng)：,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,8. Synthesis o

19、f substituted benzenes,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,8. Synthesis substituted benzenes,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,8. Synthesis substituted benzenes,間位定位基難以發(fā)生F-C反應(yīng)是務(wù)必要記住的。,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,8. Synthesis substituted benzenes,直接烷基化可能重排,磺酸基應(yīng)后引入,o、p-定位基,m-定位基,直鏈烷基苯,二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響,8. Synthesis substituted

20、 benzenes,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,A、苯環(huán)上引入羥基、氟和氰基,6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用 B、合成違反定位規(guī)則的取代苯衍生物,6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用 B、合成違反定位規(guī)則的取代苯衍生物,三、多環(huán)芳環(huán)的親電取代反應(yīng),實驗事實： （1）萘的活性高于苯，且-位活性高于-位； （2）蒽、菲則主要生成9-或10-位取代產(chǎn)物,分析解釋：,三、多環(huán)芳環(huán)的親電取代反應(yīng),分析解釋：,三、多環(huán)芳環(huán)的親電取代反應(yīng),關(guān)于磺化反應(yīng)：,作業(yè)1：請同學(xué)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(yīng)為什么以1-取代為主,三

21、、多環(huán)芳環(huán)的親電取代反應(yīng),萘環(huán)上的取代基對新的取代反應(yīng)定位影響：,作業(yè)2：請同學(xué)們分析解釋上述定位規(guī)律,四、芳香雜環(huán)的親電取代反應(yīng),五元芳香雜環(huán)的反應(yīng)活性：,五元芳香雜環(huán)的反應(yīng)定位規(guī)律： 吡咯、呋喃和噻吩均以2-取代產(chǎn)物為主,四、芳香雜環(huán)的親電取代反應(yīng),六元芳香雜環(huán)的反應(yīng)活性：,吡啶不能進行FriedelCrafts烷基化和?；磻?yīng)，但其?；拎}卻是很好的?；噭?四、芳香雜環(huán)的親電取代反應(yīng),六元芳香雜環(huán)的反應(yīng)定位規(guī)律： 吡啶的親電取代反應(yīng)發(fā)生在3-位,五、芳環(huán)親核取代反應(yīng),通常苯是不會發(fā)生親核反應(yīng)的 因為當(dāng)親核負離子接近時，pi-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

22、，難以離去。,五、芳環(huán)親核取代反應(yīng),1. SNAr Reaction（芳環(huán)親核取代反應(yīng)） 然而，當(dāng)苯環(huán)上具有一個或多個強的吸電子基團時，并且具有一個較好的離去基團（如鹵素）時，親核取代反應(yīng)就可以在不太激烈的條件下發(fā)生。,五、芳環(huán)親核取代反應(yīng),五、芳環(huán)親核取代反應(yīng),2、芳香雜環(huán)的親核取代反應(yīng) 吡啶比苯容易發(fā)生親核取代反應(yīng),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(yīng),吡啶的3-位的反應(yīng)性與鹵代苯類似，反應(yīng)要求條件較強烈且需要在銅鹽催化下發(fā)生反應(yīng)：,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),1、光照或加熱條件下 鹵代反應(yīng) 2、芳環(huán)側(cè)鏈的氧化反應(yīng),六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),脂肪族胺也能發(fā)生重氮化（Diaz

23、otization )反應(yīng)，但是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 芳香重氮鹽在合成上用途廣泛,3、Formation of Arenediazonium Salts 芳香重氮鹽的形成,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),4、Nucleophilic Subsitution of Arenediazonium Salts 芳香重氮鹽的親核取代反應(yīng) Synthesis of Substituted Benzenes,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),5、 Coupling reaction of Arenediazonium Salts 芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應(yīng)（與胺或酚反應(yīng)）

24、Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols The Arenediazonium Ion as an electronphile 偶氮化合物的合成,區(qū)域選擇性偶聯(lián)反應(yīng)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。,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),5、 Coupling reaction of Arenediazonium Salts 芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應(yīng)（與胺或酚反應(yīng)） Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols The Arenediazonium

25、 Ion as an electronphile 偶氮化合物的合成 苯衍生物,反應(yīng)條件重氮鹽與酚的偶聯(lián)常在pH810的弱堿性條件進行；重氮鹽與芳胺的反應(yīng)在弱酸性條件下進行。 Why？,1) 被鹵素或氰基取代（Sandmeyer反應(yīng)）,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用,討論,2 碘代物、氟代物的制備,4) 被硝基取代,2) 被氫原子取代,次磷酸水溶液或乙醇。,3) 被羥基取代 （重氮鹽的水解）,注意：用硫酸重氮鹽,討 論,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用 B、合成違反定位規(guī)則的取代苯衍生物,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用 B、合成違反定位規(guī)則的取代苯衍

26、生物,六、芳環(huán)取代基的反應(yīng),6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用 C、合成偶氮化合物,作業(yè)3、請嘗試設(shè)計上述偶氮化合物的合成路線,分速度因數(shù)f 用于表示定位效應(yīng),取代苯某一位置的取代速度與苯的取代速度的比值。,fo=43.5 fm=2.1 fp=46.9 分速度因數(shù)使我們可以看到兩種情況，即底物選擇性和位置選擇性。,分速度因數(shù)使我們可以看到兩種情況: 1 “底物選擇性”: 1.1首先它揭示不同底物對親電試劑的選擇性，反映出取代苯和苯的取代反應(yīng)相對速度的大小。 意思是同一硝化取代反應(yīng)在甲苯的間位上進行時，其速度比苯環(huán)上要快2.1倍，在對位上進行時要快46.9倍?；蛘呋\統(tǒng)地比較甲苯的硝化反應(yīng)總產(chǎn)率在單位時間內(nèi)

27、比苯多 23倍，也就是說甲苯的硝化反應(yīng)速度比苯快23倍。 1.2 反映出定向基團對某親電試劑致活程度的高低,底物選擇性小 : ) 親電試劑特強: 親電試劑特強的情況使其取代反 應(yīng)受定向效應(yīng)的約束力小， ) 底物易被取代: 底物易被取代則不要求親電試劑克服多大反應(yīng)能障對各類底物似乎 有著相似的反應(yīng)速度。,2 “位置選擇性”: 分速度因數(shù)還告訴我們在同一底物芳環(huán)上三種不同位置的相對取代速度，它是指同一個取代苯分子內(nèi)起作用的因素，不同取代反應(yīng)這種選擇性是不同的，它著重告訴我們?nèi)〈磻?yīng)的歷程，定向基因在起定位效應(yīng)中有利于某一位置的過渡態(tài)或中 間體的形成的因素。,3 “位置選擇性”和“底物選擇性”的關(guān)系

28、: 高的“底物選擇性 的親電取代反應(yīng)一般顯示小的O/P比例和微不足道的間位取代。本來如果沒有定位效應(yīng)起作用的話，鄰位和間位的取代速度應(yīng) 為對位取代速度的2倍，而o:p比例小,正好說明了定位效應(yīng)在起作用。另外一方面，親電試劑如果很活潑，它對位置選擇性較差,受定向效應(yīng)作用小,進攻三位置的不速度表現(xiàn)很大差異,即對苯的和取代苯的進攻速度也無明顯差異,即 “底物選擇性”底。,4 活性和選擇性與親電試劑在取代反應(yīng)中形成過渡態(tài)的難易程度有關(guān), 這兩者作用的結(jié)果就是各種位置異構(gòu)物的比例. 活性強的親電試劑和苯環(huán)形成。絡(luò)合物的反應(yīng)自由活化能較小。絡(luò)合物在能量上和芳香體系相似，結(jié)構(gòu)也接近它沒有等到體系的各個異構(gòu)體

29、達到熱力學(xué)平衡，就通過過渡態(tài)ii而釋放出質(zhì)子變成更穩(wěn)定的產(chǎn)物,這種反應(yīng)較多地受動力學(xué) 因素控制。,漢默特方程取代基效應(yīng)和自由能的線性關(guān)系式 各種取代的芳香體系的反應(yīng)速度和反應(yīng)平衡與取代基的性質(zhì)有很大關(guān)系，這一關(guān)系很早就 被人們所認識。從這些關(guān)系中找到的定量表達方式中，比較早的一個就是漢默特(Hamett)方程。首先從芳香酸的酸性，芳香酸酯的水解速度之間找到了關(guān)系。圖103顯示lgkk。(這里k為取代苯甲酸乙酯的水解速度，k。為苯甲酸乙酯的水解速度)與lgKlgK。發(fā)生了線性關(guān)系，這里 K為取代苯甲酸的酸性解離常數(shù)，K。為苯甲酸的酸性解離常數(shù)。,它只取決于取代基的結(jié)構(gòu)和取代基的位置，與反應(yīng)類型和

30、反應(yīng)條件無關(guān)，它定量的表示取代基的極性效應(yīng)；,它決定于反應(yīng)特性和條件，是反應(yīng)對取代基極性效應(yīng)的敏感性的度量尺度。,利用漢默特方程，如果知道一個反應(yīng)的 ，就能計算某種取代基的取代特性常數(shù),反之亦行。,已知苯甲酸甲酯的堿性水解反應(yīng)特性常數(shù) 238。苯甲酸甲酯的反應(yīng)速度常數(shù)在該條件下 ,求間硝基苯甲酸甲酯的反應(yīng)速度常數(shù).,計算對溴芐基氯與對硝基芐基氯在水中水解的相對速度.,當(dāng)某一芳環(huán)上的反應(yīng)滿足漢默特方程,有三種情況: 1 吸電基使反應(yīng)加速,2推電基是反應(yīng)減速,3取代基對反應(yīng)無明顯影響,歸納起來，反應(yīng)近程能量曲線圖可以分為四類：第一類，反應(yīng)速度取決于親電試劑的生成速度：第二類，反應(yīng)速度取決于沒有選擇性的親電試劑所生成的絡(luò)合物；第三類，反應(yīng)速度取決于強選擇性親電試劑所生成的絡(luò)合物；第四類，反應(yīng)速度取決于絡(luò)合物的質(zhì)子的離去速度。這四種情況中第一種與芳香化合物的濃度無關(guān)。第二和第三種情況，速度取