芳香族親電取代反應(yīng)

1、第第2 2章章 精細有機合成精細有機合成理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)精細有機精細有機合成反應(yīng)合成反應(yīng)消除反應(yīng)消除反應(yīng)被消除原子或原子團位置被消除原子或原子團位置重排反應(yīng)重排反應(yīng)發(fā)生重排原子（團）位置發(fā)生重排原子（團）位置取代反應(yīng)取代反應(yīng)反應(yīng)試劑的性質(zhì)反應(yīng)試劑的性質(zhì)反應(yīng)物分子中反應(yīng)物分子中C-HC-H鍵斷裂方式鍵斷裂方式親核取代親核取代親電取代親電取代游離基取代游離基取代加成反應(yīng)加成反應(yīng)加成的基本途徑加成的基本途徑- -消除消除- -消除消除分子內(nèi)重排分子內(nèi)重排分子間重排分子間重排環(huán)加成環(huán)加成親電加成親電加成游離基加成游離基加成親核加成親核加成進行方式進行方式X2, FeX3(X = Cl, Br)X+ H

2、XHalogenation鹵 化NO2HNO3H2SO4+ H2OSO2H2SO4SO3HRCl, AlCl3(R can rearrange)R+ HClRC-Cl, AlCl3ORONitration 硝 化Sulfonation磺 化Friedel-Crafts Alkylation 弗瑞德爾-克拉茨 烷基化Friedel-Crafts Acylation弗瑞德爾-克拉茨 ?；?.1 反應(yīng)試劑的分類反應(yīng)試劑的分類AX + Y AY + X基質(zhì)基質(zhì)產(chǎn)物產(chǎn)物反應(yīng)試劑反應(yīng)試劑離去基團離去基團親電試劑親電試劑親核試劑親核試劑反應(yīng)試劑反應(yīng)試劑極性試劑極性試劑游離基試劑游離基試劑親電試劑親電試劑親

3、核試劑親核試劑正離子：正離子：NO2+，R+負離子：負離子：OH-，RO-含有可極化或已極化共價鍵含有可極化或已極化共價鍵的分子偶極的正端：的分子偶極的正端：Cl2，HCl含有可極化或已極化共價鍵含有可極化或已極化共價鍵的分子偶極的負端：的分子偶極的負端：NH3，RNH2含可接受共用電子對的分子：含可接受共用電子對的分子：FeCl3，AlCl3烯烴的雙鍵和芳環(huán)烯烴的雙鍵和芳環(huán)氧化劑：氧化劑：Fe3+，O3還原劑：還原劑：Fe2堿類：堿類：OH-酸類酸類金屬有機化合物中的烷基：金屬有機化合物中的烷基：RMgX鹵代烷中的烷基：鹵代烷中的烷基：R-X羰基的雙鍵：羰基的雙鍵：C=O2.2 親電取代反應(yīng)

4、親電取代反應(yīng)反應(yīng)通式：反應(yīng)通式：R-H Z+ R-Z H+R-H Z-Y R-Z H-YCH3CH3COOH59%4%37%32%6%62%19%80%1%硝化作用磺化作用硝化作用2.2.1 芳香族兩類絡(luò)合物芳香族兩類絡(luò)合物v- -絡(luò)合物絡(luò)合物 - -絡(luò)合物絡(luò)合物芳烴親電試劑 絡(luò)合物 取代產(chǎn)物親電取代反應(yīng)親電取代反應(yīng)2.2.1.1 - -絡(luò)合物絡(luò)合物R+H-ClRHClK1液液氣氣- -絡(luò)合物絡(luò)合物v存在的依據(jù)存在的依據(jù)（1 1）HCl可以定量地溶解在芳烴中?？梢远康厝芙庠诜紵N中。（2 2）芳環(huán)上電子云密度增加，溶解度增加。）芳環(huán)上電子云密度增加，溶解度增加。ArRK K1 11.591.5

5、91.001.000.920.920.620.620.280.28CH3CH3H3CCH3CH3CH3Cl表表 氯化氫在不同芳烴中溶解平衡常數(shù)氯化氫在不同芳烴中溶解平衡常數(shù)v結(jié)構(gòu)的證明結(jié)構(gòu)的證明 實驗實驗1 1：溶液在：溶液在-78.5-78.5迅速達到平衡迅速達到平衡 實驗實驗2 2：光譜分析表明無電子躍遷：光譜分析表明無電子躍遷 實驗實驗3 3：溶液不導(dǎo)電：溶液不導(dǎo)電 實驗實驗4 4：HCl中的中的H用用D代替，未發(fā)現(xiàn)苯環(huán)上的代替，未發(fā)現(xiàn)苯環(huán)上的H與與DCl中的中的D交換交換v特點特點 （1 1）芳環(huán)的芳香性未被破壞；）芳環(huán)的芳香性未被破壞； （2 2）沒有與芳環(huán)形成新的化學(xué)鍵。）沒有與芳

6、環(huán)形成新的化學(xué)鍵。2.2.1.2 - -絡(luò)合物絡(luò)合物v形成形成HCl（氣）（氣）AlCl3(固）固） H-ClAlCl3(溶液）溶液）R（溶液）（溶液）H-ClAlCl3( (溶液）溶液）- -絡(luò)合物絡(luò)合物AlCl4-( (溶液）溶液）RHH+. . .v結(jié)構(gòu)的證明結(jié)構(gòu)的證明 實驗實驗1 1：固體：固體AlCl3在甲苯中在甲苯中-78.5-78.5不溶解；不溶解； 通入通入HCl轉(zhuǎn)變成綠色透明溶液；轉(zhuǎn)變成綠色透明溶液； 溶液吸收光譜發(fā)生變化，電子躍遷溶液吸收光譜發(fā)生變化，電子躍遷 實驗實驗2 2：生成和分解速度比：生成和分解速度比- -絡(luò)合物慢得多絡(luò)合物慢得多 實驗實驗3 3：溶液導(dǎo)電：溶液導(dǎo)

7、電 實驗實驗4 4：DCl中的中的D與苯環(huán)上的與苯環(huán)上的H發(fā)生交換發(fā)生交換v特點特點 （1 1）生成了新的生成了新的鍵；鍵； （2 2）芳烴的）芳烴的電子體系被破壞，形成了不穩(wěn)電子體系被破壞，形成了不穩(wěn) 定的非芳香性化合物。定的非芳香性化合物。2.2.1.3 兩類絡(luò)合物的關(guān)系兩類絡(luò)合物的關(guān)系v芳烴與親電試劑接觸，經(jīng)過芳烴與親電試劑接觸，經(jīng)過絡(luò)合物，然后形成絡(luò)合物，然后形成絡(luò)合物，即：絡(luò)合物，即：- -絡(luò)合物絡(luò)合物- -絡(luò)合物絡(luò)合物RHClRHClAlCl3AlCl4-( (溶液）溶液）RHH+. . .v二者之間存在著平衡二者之間存在著平衡E+H+EE+ E+ H+k k1 1K K- -1

8、1k k2 2HE+. . .2.2.2 芳香族親電取代反應(yīng)的歷程芳香族親電取代反應(yīng)的歷程預(yù)測：三種方式預(yù)測：三種方式（1 1）先經(jīng)過）先經(jīng)過- -絡(luò)合物，再脫去絡(luò)合物，再脫去H H+ +的的兩步歷程兩步歷程（2 2）親電質(zhì)點進攻前，質(zhì)子已經(jīng)脫落的）親電質(zhì)點進攻前，質(zhì)子已經(jīng)脫落的單分單分 子歷程子歷程 Ar-H ArAr-H Ar- -H H+ +（3 3）E E+ +的進攻合的進攻合H H+ +的脫落同時發(fā)生的的脫落同時發(fā)生的一步歷程一步歷程 ArAr-H-HE E+ + ArAr ArAr-E-EH HH HE E2.2.2.1 反應(yīng)歷程的表示反應(yīng)歷程的表示v經(jīng)過經(jīng)過絡(luò)合物中間產(chǎn)物的兩步歷

9、程絡(luò)合物中間產(chǎn)物的兩步歷程2.2.2.2 兩步歷程的證明兩步歷程的證明v動力學(xué)同位素效應(yīng)動力學(xué)同位素效應(yīng) 將反應(yīng)物分子中的某一原子用它的將反應(yīng)物分子中的某一原子用它的同位素同位素代替時代替時, ,該該反應(yīng)速度反應(yīng)速度所發(fā)生的變化。所發(fā)生的變化。（1 1）結(jié)果）結(jié)果反應(yīng)類型反應(yīng)類型被作用物被作用物親電試劑親電試劑kH/kD或或kH/kT硝化硝化苯苯-t-t，甲苯，甲苯-t-t硝基苯硝基苯-d-d5 5HNOHNO3 3-H-H2 2SOSO4 4HNOHNO3 3-H-H2 2SOSO4 41.21.21.01.0磺化磺化硝基苯硝基苯-d-d5 5H H2 2SOSO4 4-SO-SO3 31.

10、6 1.6 1.71.7鹵化鹵化1-1-溴溴-2,3,5,6-2,3,5,6-四甲苯四甲苯-d-d1-1-溴溴-2,3,5,6-2,3,5,6-四甲苯四甲苯-d-d1,3,5-1,3,5-三特丁基苯三特丁基苯-t-tClCl2 2BrBr2 2BrBr2 21.01.01.41.410.010.0表表 某些親電取代反應(yīng)的同位素效應(yīng)某些親電取代反應(yīng)的同位素效應(yīng)（2 2）結(jié)論）結(jié)論 一般一般無無動力學(xué)同位素效應(yīng)。動力學(xué)同位素效應(yīng)。 說明芳香族化合物的親電取代反應(yīng)是說明芳香族化合物的親電取代反應(yīng)是兩步歷程兩步歷程，且且- -絡(luò)合物的生成為控制步驟絡(luò)合物的生成為控制步驟。（3 3）特例）特例表表 動力

11、學(xué)同位素效應(yīng)研究中的特例動力學(xué)同位素效應(yīng)研究中的特例原因：原因：空間障礙的存在，使空間障礙的存在，使k k2 2kk1 1，即，即V V脫質(zhì)子脫質(zhì)子V V- -絡(luò)合物絡(luò)合物形成形成由反應(yīng)的可逆性引起。由反應(yīng)的可逆性引起。2.2.3 芳環(huán)上已有取代基的極性效應(yīng)和兩芳環(huán)上已有取代基的極性效應(yīng)和兩類定位基類定位基ZHEZHEZHEZ+Z ZHEZ ZHEZ ZHE+Z ZHEZZ ZZHEHE+鄰位取代鄰位取代對位取代對位取代間位取代間位取代取代基電子效應(yīng)取代基電子效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)（誘導(dǎo)效應(yīng)（I I）：）：由電負性大小決定。由電負性大小決定。共軛效應(yīng)（共軛效應(yīng)（T T）：）：包括包括-共軛和共軛和p-p

12、-共軛。共軛。I:I:供電子供電子-I:-I:吸電子吸電子I:I:供電子供電子-I:-I:吸電子吸電子電子效應(yīng)電子效應(yīng)取代基取代基作用作用取代基類型取代基類型+I，+T-O- ，-CH3-C2H5共軛效應(yīng)與誘導(dǎo)效應(yīng)作用一致共軛效應(yīng)與誘導(dǎo)效應(yīng)作用一致, 活化苯環(huán)；活化苯環(huán)；鄰、對位定鄰、對位定位基位基-I，+T，且|-I|+T|-OH,-OCH3,-NH2,-N(CH3)2,-NHCOCH3共軛效應(yīng)作用大于誘導(dǎo)效應(yīng)，共軛效應(yīng)作用大于誘導(dǎo)效應(yīng)，活化苯環(huán)；活化苯環(huán)；-I，+T，且|-I|+T|-F,-Cl,-Br,-I共軛效應(yīng)作用小于誘導(dǎo)效應(yīng)，共軛效應(yīng)作用小于誘導(dǎo)效應(yīng)，鈍化苯環(huán)鈍化苯環(huán)-I，-T-N

13、O2, -CN-COOH, -CHO誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)作用一致誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)作用一致,鈍化苯環(huán)鈍化苯環(huán)間位定位基間位定位基-I，無，無T-N+(CH3)3-CF3, -CCl3使使-配合物不穩(wěn)定，鈍化苯環(huán)；配合物不穩(wěn)定，鈍化苯環(huán)；兩類定位基：兩類定位基：v鄰、對位定位基（第一類定位基）：鄰、對位定位基（第一類定位基）： -O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3, -F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。等。v間位定位基（第二類定位基）：間位定位基（第二類定位基）： -N+(CH3)3,-CF3,-N

14、O2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO, -COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。等。2.2.4 苯環(huán)的定位規(guī)律及影響因素苯環(huán)的定位規(guī)律及影響因素v已有取代基的電子效應(yīng)和定位作用v親電試劑的活潑性v空間效應(yīng)的影響v反應(yīng)條件的影響v已有兩個取代基的定位規(guī)律v取代基的極性效應(yīng)包括誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)；取代基的極性效應(yīng)包括誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)；v已有取代基的極性效應(yīng)使芳環(huán)上不同位置碳原子已有取代基的極性效應(yīng)使芳環(huán)上不同位置碳原子被親電取代的活性不同；被親電取代的活性不同；v已有取代基的定位作用不同，包括已有取代基的定位作用不同，包括鄰、對位定位鄰、對位定位基基和和間

15、位定位基間位定位基。2.2.4.1 已有取代基的電子效應(yīng)和定位作用已有取代基的電子效應(yīng)和定位作用異構(gòu)產(chǎn)物異構(gòu)產(chǎn)物比例，比例，反應(yīng)類型反應(yīng)類型氯化氯化C-C-酰化?；疌-C-烷化烷化反應(yīng)條件反應(yīng)條件ClCl2 2(CH(CH3 3COOH,25)COOH,25)CHCH3 3COClCOCl(AlCl(AlCl3 3,C,C2 2H H4 4ClCl2 2, 25), 25)C C2 2H H5 5BrBr(GaBr(GaBr3 3,C,C6 6H H5 5CHCH3 3,25),25)k kT T/ /k kB B3403401281282.472.47表表 親電試劑活潑性的影響親電試劑活潑性

16、的影響CH359.80.539.7CH31.171.2597.6H3C38.421.040.6v親電試劑的活潑性越親電試劑的活潑性越高高，親電取代反應(yīng)速度越，親電取代反應(yīng)速度越快快，反應(yīng)的選擇性越，反應(yīng)的選擇性越低低。v親電試劑的活潑性越親電試劑的活潑性越低低，親電取代反應(yīng)速度越，親電取代反應(yīng)速度越低低，反應(yīng)的選擇性越，反應(yīng)的選擇性越高高。2.2.4.2 親電試劑的活潑性親電試劑的活潑性2.2.4.3 空間效應(yīng)的影響空間效應(yīng)的影響v已有取代基的空間效應(yīng)已有取代基的空間效應(yīng) R Ro/po/p-CH31.661.66-C2H50.900.90-CH(CH3)20.410.41-C(CH3)30.

17、120.12(1)(1)在極性效應(yīng)在極性效應(yīng)相差不大時，相差不大時，已已有取代基體積越有取代基體積越大，鄰位異構(gòu)產(chǎn)大，鄰位異構(gòu)產(chǎn)物的比例越小。物的比例越小。 表表 一硝化（一硝化（AcONO2,0),0)產(chǎn)物異構(gòu)體比例產(chǎn)物異構(gòu)體比例R(2)(2)當當極性效應(yīng)極性效應(yīng)起主導(dǎo)作用時，結(jié)果可能相反。起主導(dǎo)作用時，結(jié)果可能相反。X Xo/po/p-F-F0.150.15-Cl-Cl0.550.55-Br-Br0.770.77-I-I0.830.83 表表 一硝化（一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25)產(chǎn)物異構(gòu)體比例產(chǎn)物異構(gòu)體比例Xv新引入基團的空間效應(yīng)新引入基團的空間效應(yīng) 新引入取代基的體積越

18、大，鄰位產(chǎn)物越少新引入取代基的體積越大，鄰位產(chǎn)物越少。 表表 甲苯甲苯C- -烷化反應(yīng)新引入基團對異構(gòu)體比例的影響烷化反應(yīng)新引入基團對異構(gòu)體比例的影響新引入新引入基團基團反應(yīng)條件反應(yīng)條件異構(gòu)產(chǎn)物比例，異構(gòu)產(chǎn)物比例，鄰位鄰位間位間位對位對位CH3CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45)55.755.79.99.934.434.4C2H5C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25)38.438.421.021.040.640.6CH(CH3)2CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25)26.226.226.226.247.247.2C(CH3)3C(CH3)3Br(GaBr

19、3,C6H5CH3,25)0 032.132.167.967.92.2.4.4 反應(yīng)條件影響反應(yīng)條件影響v溫度溫度 （1 1）通常情況下，）通常情況下，溫度升高，溫度升高，親電取代親電取代反應(yīng)活性增反應(yīng)活性增高，選擇性下降高，選擇性下降。NO2NO2NO2NO2NO2NO2NO20 50 5 9494 1 140 740 7 9191 2 290 1390 13 8585 2 2 （2 2）使不可逆的磺化、使不可逆的磺化、C-C-烷化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡嫱榛磻?yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡娣磻?yīng)反應(yīng)，從而影響產(chǎn)物異構(gòu)體的比例。，從而影響產(chǎn)物異構(gòu)體的比例。CH3CH3SO3HCH3SO3HCH3SO3HCH3SO3HCH

20、3SO3HCH3SO3H043%4%53%4.3%54.1%35.2%200實例實例1 1：實例實例2 2：CH3CH3CH(CH3)2CH2=CH-CH3CH3CH(CH3)2CH(CH3)2CH3CH2=CH-CH3CH3CH(CH3)2CH3CH(CH3)2CH(CH3)2CH334%25%41%AlCl3,11012%6570%2830%AlCl3v反應(yīng)介質(zhì)反應(yīng)介質(zhì)NHCOCH3NHCOCH3NO2NHCOCH3NO2NHCOCH3NO2硝化硝化反應(yīng)介質(zhì)反應(yīng)介質(zhì)+乙酸酐乙酸酐 約約9292 少量少量 約約8 8 硫酸硫酸 約約3030 少量少量 約約7070v催化劑的影響催化劑的影響

21、（1 1）改變改變E E+ +的極性效應(yīng)或空間效應(yīng)。的極性效應(yīng)或空間效應(yīng)。CH3CH3NO2CH3NO2混酸硝化混酸硝化3636CH3CH3NO2CH3NO2混酸硝化混酸硝化磷酸磷酸4040（2 2）改變反應(yīng)歷程。改變反應(yīng)歷程。OOOOSO3HOOSO3H磺化磺化磺化磺化HgSOHgSO4 4催化催化v已有兩個取代基為同一已有兩個取代基為同一類型定位基，且處于間類型定位基，且處于間位，則位，則定位作用一致定位作用一致。v已有兩個取代基為已有兩個取代基為同一同一類型定位基類型定位基，且，且處于鄰、處于鄰、對位對位，則，則定位作用不一定位作用不一致致取決于定位能力取決于定位能力的強弱。的強弱。CH3CH3COOHCOOH2.2.4.5 已有兩個取代基的定位規(guī)律已有兩個取代基的定位規(guī)律主產(chǎn)物主產(chǎn)物少量少量NHCOCH3CH3v已有兩個取代基為已有兩個取代基為不同類型不同類型定位基，且處于鄰、對位，定位基，且處于鄰、對位，則定位作用一致。則定位作用一致。v已有兩個取代基為已有兩個取代基為不同類型不同類型定位基，且處于間位，則定定位基，且處于間位，則定位作