芳香族化合物取代反应

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1、第 7 章芳 香 族 化 合 物 的 取 代 反 应 苯 环 的离 域 轨 道 第 一 节 芳 环 上 的 亲 电 取 代 反 应 芳 环 上 离 域 的 电 子 的 屏 蔽 作 用 ， 易 于 亲 电 试 剂 的 进 攻 ，发 生 亲 电 取 代 反 应 ;只 有 当 芳 环 上 引 入 了 强 吸 电 子 基 团 ，才 能 发 生 亲 核 取 代 反 应 。亲 电 试 剂 是 正 离 子 或 偶 极 分 子 中 正 的 一 端 一 、 反 应 机 理 加 成 消 除 机 理决 定 反 应 速 度 的 一 步 是 E+进 攻 苯 环 ， 反 应 结 果得 到 的 是 取 代 产 物 ， 故

2、称 为 苯 环 上 的 亲 电 取 代反 应 。 （ electrophilic substitution 缩 写 为SE） 。 H E EE+Nu- -H+ 一 般 来 说 ， 络 合 物 的 形 成 是 可 逆 的 ； 络 合 物 的 形 成 基 本 上 是 不 可 逆 的 ，且 通 常 是 速 度 的 控 制 步 骤 。络 合 物 络 合 物 络 合 物 是 通 过 电 荷 转 移 形 成 的 ， 因 此 也 叫 电 荷 转 移络 合 物 。亲 电 试 剂 位 于 苯 环 中 心 且 垂 直 于 苯 环 平 面的 直 线 上 亲 电 取 代 反 应 中 生 成 络 合 物 这 一 事 实

3、 在 实 验中 已 经 得 到 证 实它 在 5 0 0 nm 有 吸 收 ， 而 苯 在2 9 7 nm处 的 吸 收 峰 不 复 存 在在 络 合 物 的 形 成 中 ，苯 和 试 剂 通 过 电 荷 转移 而 结 合 是 非 常 松 弛的 ， 多 数 情 况 下 ， 络合 物 不 稳 定 ,能 迅 速 分解 ， 各 组 分 之 间 很 快达 到 平 衡 。棕 红 色 在 BF3存 在 下 ， 三 甲 苯 和 氟 乙 烷 在 -80 反应 ， 可 分 离 出 熔 点 为 -15 的 中 间 体 熔 点 为 -15 络 合 物 1.第 一 类 定 位 基 (即 邻 对 位 定 位 基 ) O

4、-、 N(CH3)2 NH2 OH OCH3 NHCOCH3 OCOCH3 CH3 Cl Br I 、 C6H5 等 。 二 、 亲 电 取 代 反 应 定 位 基 的 定 位 效 应（ 一 ） 苯 环 上 取 代 反 应 的 定 位 规 则 两 类 定 位 基其 特 点 为 ： 使 苯 环 活 化 ， 具 有 带 负 电 荷 的 离 子 或 与 苯 环 直 接相 连 的 原 子 带 有 未 共 用 电 子 对 ， 且 以 单 键 与 其 它 原 子 相 连 或与 苯 环 的 大 键 发 生 , 超 共 轭 效 应 或 具 有 碳 碳 重 键 2. 第 二 类 定 位 基 （ 即 间 位 定

5、位 基 ） N+(CH3)3 NO2 CN SO3H CHO COOH COOR CONH2 +NH3 等 . 其 特 点 是 ： 使 苯 环 钝 化 ， 具 有 带 正 电 荷 的 正 离 子 或与 苯 环 直 接 相 连 的 原 子 以 重 键 与 其 它 原 子 相 连 ,且重 键 末 端 通 常 为 电 负 性 较 强 的 原 子（ 二 ） 定 位 效 应 的 影 响 因 素 电 子 效 应 和 共 轭 效 应 的 影 响 类 别性 质 取 代 基电 子效 应 邻 对 位 取 代 基致 活 致 钝最 强 强 中 弱 弱NR2NHR NH2OHOR CONH RCOO R CH3CR3

6、FClBrI 间 位 取 代 基致 钝NO2CNSO 3HCHOCOCH3COONCOOCH3CONH 2 强 最 强+I:供 电 诱 导 ;-I:吸 电 诱 导 ; +C:供 电 共 轭 ;-C:吸 电 共 轭+I+C +C -I +I +C -I -C -I -I常 见 取 代 基 定 位 效 应 NR3O 空 间 效 应 的 影 响空 间 效 应 亲 电 试 剂 和 苯 环 上 原 有 的 取 代 基 的 体 积 越大 ， 对 位 产 物 越 多 ： CH3 +RCH3 CH3 R R XAlCl3 = CH3CH2CH3 CH(CH3)2C(CH3)3 R 位阻依 次增大 依次 减少

7、依次增多 如 果 芳 环 上 原 有 基 团 与 新 引 入 基 团 的 空 间 位 阻 都 很 大时 ， 对 位 产 物 几 乎 为 100%。 (CH3)3C H2SO4浓 (CH3)3C SO3H(Cl、Br) (Cl、Br) 100% 溶 剂 效 应 CH3C ClOAlCl3 CS2 CCH3PhNO2 CCH3O O19CH 3COCl-AlCl3被 硝 基 苯 溶 剂 化 ， 体 积 增 大 。 较 大 的 空 间效 应 使 它 进 入 1位 。 螯 合 效 应 ： NO2 NO2OCH2CH2 O CH3 -NO3- (邻）69%（对）28%CH2NO2CH2 OCH3 CH2

8、CH2 O CH3NO2 HNO2CH2CH2 O CH3-H+ 产物能 够 发 生 螯 合 效 应 的 条 件 ： 1 杂 原 子 能 与 试 剂 结 合 ； 2）所 形 成 环 为 五 员 环 或 六 员 环 。用 N2O5硝 化 比 用 HNO3/H2SO4硝 化 有 较 高 的 邻 对 位 比 ， 后者 是 邻 位 32%， 对 位 59%。 原 位 取 代 (Ipso取 代 ):在 芳 环 上 已 有 取 代 基 的 位 置 上 发 生 取 代 作 用 效 应 ：CH3 CH(CH3)2NO2OAcAc2O CH3CH(CH3)2NO2 + CH3CH(CH3)2NO2+ CH3NO

9、282% 8% 10%原 位 取 代 的 难 易 ， 取 决 于 离 去 基 团 容 纳 正 电 荷 的 能 力 和 生 成产 物 的 难 易 程 度 。 容 纳 正 电 荷 的 能 力 :(CH3)3C- (CH3)2CH- CH3-。 三 、 亲 电 试 剂 及 亲 电 取 代亲 电 试 剂 生 成 形 式H 2SO4 HNO3 NO2 H3O HSO42 + + + + 2X2-MXn X2 + MXn X2 - MXnNO2+SO 3 H2SO4 H3O HSO4SO32 + + + -R3C+ R3CX + AlCl3 R3C+ + AlCl3X- R C+O R CO X R C+

10、OAlCl3 AlCl3X+ + -NO+ HNO2 H+ NO+ H 2O+ + 2021年 4月 27日 17 ClBrH2SO4 H2SO4HNO3 SO3HNO 2 RXROHRCH=CH2AlCl3 R AlCl3 RCOCl(RCO)2OCOR CH 2Cl ZnCl2 HClCH2O FeCl3 Cl2FeBr 3Br2 or or 亲电取代反应举例 OH OH NO OHNONaNO2/H2SO4 + 亚 硝 基 活 性 较 小 ， 只 有 硝 基 的 10-14， 只 有 活 性 较 大 的芳 烃 才 能 发 生 亚 硝 化 反 应 。 SO2ClClSO3HSO 3H SO

11、Cl2 SO2Cl 使 用 氯 磺 酸 与 苯 反 应 ， 很 容 易 得 到 苯 磺 酰 氯 。 OMeNO2CNBr N+ NCl + pH=0 OMeNO2CNBr N N 重 氮 基 是 一 个 弱 的 亲 电 试 剂 ， 只 有 活 性 较 大 如 酚 、 芳胺 类 可 以 发 生 偶 联 反 应 。 NH2H2N-O-SO3H AlCl3+ 羟 胺 磺 酸 酯 与 苯 反 应 ， 可 以 得 到 苯 胺 ， 但 产 率 较 低 。 NHCORPPAR CO NHOH+ 在 多 聚 磷 酸 存 在 下 ， 过 量 的 羟 肟 酸 与 苯 反 应 ， 可 以 得 到较 好 收 率 的

12、酰 化 苯 胺 。 苯 与 碘 的 反 应 需 要 在 氧 化 剂 如 硝 酸 的 作 用 下 进 行 ， 可以 产 生 碘 正 离 子 。 II2 HNO3 使 用 COCl2-AlCl3试 剂 ， 可 使 苯 环 直 接 羧 化 生 成 苯 甲 酸 。 COOHCOCl2AlCl3 2021年 4月 27日 22 硝 酸 溶 于 乙 酐 中 生 成 乙 酸 和 硝 酸 的 混 酐 ：HNO3 + Ac2O AcONO2 + AcOH S CH3COONO2 S NO2用 作 硝 化 剂 可 以 避 免 酚 类 或 胺 类 被 硝 酸 氧 化 ： NH NH SO3HSO3-吡啶 SO3与

13、硝 基 甲 烷 、 吡 啶 的 加 合 物 则 是 和 缓 的 磺 化 剂 。 2021年 4月 27日 23 酚 或 芳 胺 的 溴 化 或 氯 化 容 易 得 到 多 取 代 产 物 ， 如 用 NBS或 NCS作 试 剂 ， 则 可 以 得 到 单 取 代 产 物 ： Br2 NH2BrNH2NH2BrBrBr NBS NH2Br+ 苯 乙 酮 与 溴 反 应 ， 如 果 只 加 如 催 化 量 的 AlCl3， 得 到 甲 基溴 化 产 物 ； 如 用 过 量 的 AlCl3， 则 得 到 环 上 溴 化 产 物 ， 这 时起 反 应 的 是 苯 乙 酮 与 AlCl3生 成 的 络

14、合 物 Br2/AlCl3 COCH3COCH3COCH2Br Br2AlCl3(cat.) Br 2021年 4月 27日 24 CHCH2Cl+ CH2 CHCH2Cl H2SO4 CH3CH2CH CH2BF3AlCl3 CHCH2ClCH3 + CH2CH CH2 在 不 同 催 化 剂 作 用 下 可 以 得 到 不 同 的 产 物 O H2SO4+ 写 出 下 列 反 应 的 机 理 2021年 4月 27日 25 O H+ OH OH+ + OHH OH H+ H2O+ -H+ + H -H+H2O- + + 2021年 4月 27日 26 第 二 节 芳 环 上 亲 核 取 代

15、 反 应Cl 氯 与 苯 环 形 成 p- 共 轭 体 系 。 当 环 上 连 有-NO2-、 CN、 -COCH3、 -CF3时 ， 也 可 发 生 亲核 取 代 反 应 。一 、 SNAr机 理 （ 加 成 消 除 机 理 ）芳 香 环 亲 核 取 代 反 应 的 重 要 机 理 包 括 以 下 两 步 ：第 1步 ： X Nu X Nu X Nu X Nu- - - -slow Cl OH350 450MPaNaOH 氯 苯 与 浓 的 氢 氧 化 钠 溶 液 在 常 压 下 回 流 几 天 也 不 起 反 应 ， 要 在压 力 下 加 热 到 300C以 上 才 能 转 变 成 酚 钠

16、 。 邻 和 对 硝 基 氯 苯 与 氢 氧化 钠 溶 液 一 起 加 热 就 可 以 水 解 成 硝 基 苯 酚 ： 第 2步 ： NuNu X X- fast + 2021年 4月 27日 28 OH NO2Cl NO2 (1).NaOH, 130C(2).H3O+ NO2 NO2 Cl NH2 95%+ NH3NO2 20oC NO2Cl OCH2CH2CH3+ CH3CH2CH2OH Et3N 2,4-二硝基苯丙醚NO2 NO266% 2021年 4月 27日 29 NO2 25 oCF CH3OH+ CH3OK NO2 OCH393%对硝基苯甲醚NO 2 30oC Cl S NaOH

17、 对硝基二苯基硫醚SH+ NO2 2021年 4月 27日 30 这 种 机 理 的 证 明 ， 最 好 的 证 据 莫 过 于 中 间 体 被 分 离 得 到 。 确实 ， 在 1902年 一 个 叫 Meisenheimer的 化 学 家 就 分 离 得 到 了 下列 化 合 物 ： NO2 OC2H5 NO2 OCH3NO2O2N CH3OK N OC2H5NO2O2N O O CH3O K C2H5OK NO2O2N深紫色的盐因 此 这 种 化 合 物 就 叫 做 Meisenheimer络 合 物 。 2021年 4月 27日 31 2. 消 除 -加 成 机 理卤 代 芳 烃 在

18、液 氨 中 与 氨 基 钠 或 氨 基 锂 反 应 ， 卤 原 子 被 氨 基 取 代 ，生 成 芳 胺 ， 在 有 的 反 应 中 氨 基 在 卤 原 子 原 来 的 位 置 上 。 例 如 ： KNH2/NH3-33oCOCH3Br OCH3NH259%有 的 反 应 中 氨 基 移 到 了 原 来 卤 原 子 的 邻 位 ： KNH2/NH3-33oCOCH3 OCH3NH258%Cl而 在 另 一 些 反 应 中 ， 得 到 以 上 两 种 类 型 的 产 物 的 混 合 物 2021年 4月 27日 32 KNH2/NH3-33oC, 31% OCH3OCH3NH 2 NH2 OCH

19、3 Br +50% 50%KNH 2/NH3-33oC, 64% CH3CH3 NH2CH3 +51% 49%Br NH2 KNH2/NH3-33oC, 64% CH3CH3 NH2CH3 +56% 22%NH2Br CH3NH 2+ 22% 2021年 4月 27日 33 上 述 反 应 中 最 好 的 解 释 是 首 先 发 生 了 HX的 消 除 ， 生 成 了 苯炔 ， 然 后 是 苯 炔 的 加 成 反 应 。Cl H NH2 + NH3 + ClNH 2 NH2NH2 H NH2 NH2 2021年 4月 27日 34 生 成 苯 炔 后 NH2-负 离 子 对 它 的 加 成 中

20、 两 个 位 置 几 乎 是 等 同 的 ，所 以 得 了 约 1:1的 产 物 ： +* *Cl -HCl NH2* * NH2 2021年 4月 27日 35 苯 炔 是 非 常 活 泼 的 中 间 体 ， 实 验 测 定苯 炔 的 生 成 热 为 491.20kJ.mol-1, 说明 它 非 常 不 稳 定 。 它 的 第 三 个 键 实 际上 是 两 个 sp2杂 化 轨 道 在 侧 面 重 迭 而成 的 ， 因 此 重 迭 程 度 很 小 ， 与 一 般 的炔 烃 很 不 相 同 。 sp2 sp2根 据 苯 炔 机 理 ， 一 些 以 前 无 法 解 释 的 实 验 结 果 就 可

21、 以 得 到 解释 。 例 如 ， 邻 溴 甲 苯 在 氨 解 时 生 成 约 1:1的 邻 甲 苯 胺 和 间 甲苯 胺 ， 这 是 完 全 可 以 理 解 的 ： KNH2/NH3-33oC CH3 CH3 NH2NH2CH3 Br 49%51% + (64% total) 2021年 4月 27日 36 NaNH2/NH3-33oC CF3CF3 Cl CF3 NH2CF3CF3 NH2NH 2 NH3 邻 氯 三 氟 甲 苯 氨 化 只 生 成 间 (三 氟 甲 基 )苯 胺 ， 因 为 生 成 这 个产 物 的 中 间 体 中 负 电 荷 距 强 吸 电 子 基 更 近 而 相 对

22、更 稳 定 ：间 氯 (三 氟 甲 基 )苯 的 氨 解 看 似 可 以 在 两 个 方 向 消 除 ， 但 由 于三 氟 甲 基 邻 位 的 氢 的 酸 性 大 而 更 易 消 除 ， 因 此 产 物 一 边 倒 地生 成 间 (三 氟 甲 基 )苯 胺 ： 2021年 4月 27日 37 CF3NaNH 2/NH3-33oC CF3CF3 CF3 Cl NH2对 氯 (三 氟 甲 基 )苯 在 消 除 步 骤 只 能 生 成 4(三 氟 甲 基 )苯 炔 ，由 于 三 氟 甲 基 距 离 较 远 ， 对 加 成 步 骤 的 影 响 很 小 ， 因 此 生 成两 种 可 能 的 加 成 产

23、物 的 混 合 物 ， 其 分 量 接 近 相 等 CF3NaNH2/NH3-33 oC CF3 CF3 NH2 NH2 CF3 Cl + 2021年 4月 27日 38 【 思 考 题 】1.写 出 下 列 反 应 机 理CH 2CH2OCH3 N2O5 CH2CH2OCH3NO21) SBr NH2 SNHNaNH2NH33) O H2SO4+2) 2021年 4月 27日 39 2.完 成 反 应 式 I 2 HNO31) ( ) CH3 Cl KNH2 NH33) ( )-33oCCH2=CHCH2Cl+ ( ) ( )2. AlCl3 + 2021年 4月 27日 40H2N-O-SO3H AlCl3+ ( )5) COCH3 Br2/AlCl3Br 2/AlCl3(cat.) ( )( )4.