高等有機第六章芳環(huán)上的親電和親核取代反應(yīng)

第六章芳環(huán)上的親電和親核取代反應(yīng)

芳環(huán)上的取代反應(yīng)與飽和碳原子上的取代反應(yīng)相似，有親電取代、親核取代和自由基取代反應(yīng)。隨反應(yīng)物和試劑等條件的不同，將發(fā)生不同類型的取代反應(yīng)。在脂肪族碳原子上的取代反應(yīng)主要為親核取代反應(yīng)，而在芳香族主要為親電取代反應(yīng)，這是由于芳香環(huán)上具有較高的電子云密度，進攻試劑為正離子或偶極及誘導偶極的正的一端，而離去的原子團不帶成鍵電子對。強吸電子基團取代的芳香化合物在一定條件下也可以進行親核取代反應(yīng)。在親核取代反應(yīng)中，進攻試劑是負離子或具有未共用電子對的原子或基團，離去基團以弱堿負離子或分子的形式離去，其實用價值不如親電取代反應(yīng)。

實驗已經(jīng)證實芳正離子的存在：m.p:-15℃6.1親電取代反應(yīng)一、苯環(huán)的親電取代反應(yīng)歷程（加成-消除反應(yīng)歷程）

苯及同系物的親電取代歷程，可用通式表示如下：硝化反應(yīng)歷程鹵代反應(yīng)歷程磺化反應(yīng)歷程烷基化反應(yīng)歷程二、苯環(huán)上親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律

1．兩類定位基

問題的提出——定位效應(yīng)——一元取代苯再親電取代，新的取代基可進入原取代基（定位基）的鄰、間、對位，生成三種異構(gòu)體。若定位基對取代反應(yīng)進攻位置無影響，則鄰、間位異構(gòu)體應(yīng)各占40%，對位應(yīng)占20%?！?1)甲苯硝化時，NO2+主要進攻甲基的鄰、對位，且比苯容易；(2)硝基苯再硝化時，NO2+主要進攻硝基的間位，且比苯困難。——結(jié)論：原有取代基對新引入的基團：(1)進入苯環(huán)的位置有指定作用；(2)影響苯環(huán)的活性。取代基的這種作用稱為定位效應(yīng)(orientationeffect)。定位規(guī)律(orientationrule)定位基的定位效應(yīng)、與苯相比的反應(yīng)活性以及影響親電取代的其它因素（如立體效應(yīng)）的總稱。

鄰對位定位基(第一類)間位定位基(第二類)強烈活化:‐O‐,‐NR2,‐NHR,‐NH2,‐OH中等活性:

‐OR,‐NHCOR,‐OCOR較弱活化：‐Ph,‐R較弱鈍化：‐F,‐Cl,‐Br,‐I,‐CH2Cl強烈鈍化：‐+NR3，‐+NH3，‐NO2，‐CF3，‐CCl3中等鈍化：‐CN,‐SO3H,‐CHO,‐COR，‐COOH,‐CONH2（1）第一類定位基—鄰對位定位基

——使新引入的取代基主要進入它的鄰、對位（鄰位和對位異構(gòu)體之和大于60%）；——除鹵素、氯甲基外，一般使苯環(huán)活化。這類定位基與苯環(huán)直接相連接的碳原子上，一般只具有單鍵(有未共用電子對)或帶負電荷。（2）第二類定位基—間位定位基

——使新引入的取代基主要進入它的間位（間位異構(gòu)體大于40%）；——使苯環(huán)鈍化。這類定位基與苯環(huán)相連接的碳原子上一般具有重鍵(電負性較大)或帶正電荷。1）表現(xiàn)-I及+C效應(yīng)的基團(1)+C效應(yīng)>-I效應(yīng)的基團:這類基團包括-OR，-OH，-NR22.苯環(huán)上不同取代基的電子效應(yīng)(2)–I>+C效應(yīng)的基團,典型例子為-F，-Cl，-Br，-I等2)表現(xiàn)+C及+I效應(yīng)的基團:苯氧負離子的氧帶負電荷，它有供電子的+I效應(yīng)，同時其未共享電子對和苯環(huán)共軛，電子云向苯環(huán)轉(zhuǎn)移（+C效應(yīng)）。3)表現(xiàn)+I效應(yīng)的基團:甲基、乙基、異丙基和叔丁基等烷基，致活作用的順序一般服從超共軛效應(yīng)。即CH3>CH3CH2>(CH3)2CH>(CH3)3C。4)

表現(xiàn)-I效應(yīng)的原子團，典型例子：-N+R3

，P+R3，

As+R3，CCl3，N+H3等強吸電子基團。5)表現(xiàn)-I與-C效應(yīng)的原子團，包括NO2，CN，SO3H，CHO，COR，COOH，COOR，CONH2

等吸電子基團。三、定位規(guī)律的理論解釋

親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律可從反應(yīng)物的電子效應(yīng)和－絡(luò)合物的穩(wěn)定性兩方面去解釋。對苯環(huán)來說，環(huán)上電子云密度是平均分布。但當引入一個取代基后，由于取代基的影響(供電子或吸電子)，會使苯環(huán)上電子云密度分布發(fā)生變化。由于苯環(huán)共軛鏈的傳遞作用，一般使電子云密度出現(xiàn)交替分布的現(xiàn)象。結(jié)果造成苯環(huán)各位置上發(fā)生親電取代反應(yīng)的難易程度不同。

1.鄰、對位取代基對苯環(huán)的影響，以甲苯、苯酚和氯苯為例。

(1)甲苯在甲苯中，無論從誘導效應(yīng)還是共軛效應(yīng)，甲基都表現(xiàn)為供電子性，使苯環(huán)上電子云密度增加，更有利于親電試劑的進攻。所以說，甲基使苯環(huán)活化。

在共軛體系中，電子云的傳遞是交替極化，即使甲基的鄰位和對位上電子云密度增加的更多些，量子化學計算,甲苯中各碳上電子云密度分布如圖。所以親電試劑主要進攻鄰位和對位。從反應(yīng)歷程和－絡(luò)合物的穩(wěn)定性看：由反應(yīng)歷程看，－絡(luò)合物越穩(wěn)定，反應(yīng)的活化能越小，越容易反應(yīng)。當親電試劑進攻甲苯時，可能形成三種－絡(luò)合物?？梢钥闯?，當親電試劑進攻鄰、對位時，甲基與帶部分正電荷的碳相連，使正電荷得到分散，這兩種絡(luò)合物就較穩(wěn)定，而進攻間位時，正電荷得不到分散，就不穩(wěn)定。絡(luò)合物越穩(wěn)定，過渡態(tài)就也穩(wěn)定，活化能就越低。(2)苯酚

誘導效應(yīng)使芳環(huán)電子云密度降低，用“－I”表示。共軛效應(yīng)使芳環(huán)電子云密度增加，用“＋C”表示。但在苯酚中，︱+C︱>>︱-I︱，所以總的結(jié)果使苯環(huán)電子云密度增加。與甲苯相似。由于P－＞－，所以，羥基的供電性大于甲基的供電性。苯酚比甲苯更容易進行親電取代反應(yīng)。與苯酚相似的還有：(3)氯苯

在氯苯中，具有與苯酚相似的情況。即共軛與誘導效應(yīng)方向相反。但不同的是，在氯苯中，︱+C︱＜︱-I︱，總的結(jié)果是苯環(huán)上電子云密度降低。因此，氯苯比苯難進行親電取代反應(yīng)。如氯苯硝化比苯慢33倍。但由于共軛效應(yīng)使苯環(huán)的鄰、對位電子云密度增加，所以總的結(jié)果使苯環(huán)鄰、對位電子云密度下降的較少。親電試劑主要進攻電子云密度較高的鄰、對位。所以，氯苯是鈍化芳環(huán)，鄰、對位定位基。與氯苯相似的還有氟苯、溴苯、碘苯。2.間位定位基對苯環(huán)的影響以硝基苯為例：由于N、O的電負性大于碳，誘導效應(yīng)使芳環(huán)上電子云密度降低，用“－I”表示。從共軛效應(yīng)看，硝基有一個鍵，當它與苯環(huán)相連時，就與苯環(huán)的大鍵發(fā)生－共軛，形成大共軛體系。在這個大共軛體系中，由于氧的電負性較大，使共軛體系中電子云向氧一邊偏移，表現(xiàn)為吸電子性。用“－C”表示?？偟慕Y(jié)果是：誘導和共軛方向一致，都使苯環(huán)電子云密度降低。親電取代比苯更難。與硝基苯相似的還有苯磺酸、苯甲酸、苯甲腈等。四、二取代苯的定位規(guī)律

當苯環(huán)上已有兩個取代基時，第三個取代基的位置由原來兩個取代基共同決定。根據(jù)定位是否一致，又分為兩種情況:1.兩個取代基定位效應(yīng)一致，進入共同決定的位置。2.兩個取代基定位效應(yīng)不一致時，又分為兩種情況：(1)兩個取代基屬于同類第三個取代基進入的位置主要由定位能力強的決定。(2)兩個定位基不同類，鄰、對位定位基定位能力強于間位定位基。五、空間效應(yīng)

空間效應(yīng)：又稱空間阻礙效應(yīng)或空間位阻效應(yīng)。是分子中原有基團對新引入基團產(chǎn)生的一種空間阻礙作用。例如：六、定位規(guī)律在有機合成中的應(yīng)用例1在合成之前，先要考慮幾個問題：(1)要考慮定位規(guī)律和空間效應(yīng)。(2)要考慮引入三個基團的先后順序。(3)要考慮反應(yīng)的難易，產(chǎn)率的高低。一般是先引入供電子基和大基團。例2例3A）直接硝化B）磺化、硝化、脫磺酸基例4

用甲苯為原料，合成鄰硝基甲苯課堂習題⒈參考答案：2.由苯和不超過三個碳原子的脂肪族化合物為原料合成鄰溴芐溴：參考答案：七、鄰位和對位定向比

按照反應(yīng)幾率，應(yīng)為2：1，但實際并非如此，其影響因素如下：1、親電試劑的活性越高，選擇性越低：2、空間效應(yīng)越大，對位產(chǎn)物越多：3、極化效應(yīng)例如，鹵苯進行硝化反應(yīng)時：X具有－I效應(yīng)，使鄰位的電子云密度降低。FClBrI電負性依次降低－I效應(yīng)依次減小電子云密度降低的位置是不利于E+進攻的。4、螯合效應(yīng)：能夠發(fā)生螯合效應(yīng)的條件：1〕雜原子能與試劑結(jié)合；2）所形成環(huán)為五員環(huán)或六員環(huán)。八.取代基效應(yīng)的定量關(guān)系分子結(jié)構(gòu)與化學活性之間存在一定的定量關(guān)系1、分速度因數(shù)與選擇性從定量關(guān)系上考慮鄰、對、間位取代難易程度分速度因數(shù)(f)=k取代/yk苯/6

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?！?/p>

z產(chǎn)物的百分比y－位置的數(shù)目

為了計算分速度因數(shù)，需要測定一取代苯進行再取代時的總速率常數(shù)，和測定苯在同樣條件下進行取代時的總速率常數(shù)。方法是將一取代苯和苯的等摩爾混合物，在同一均相溶液中與一個不足以完全單一取代其中之一的親電試劑反應(yīng)。因為親電試劑的量是不足的，所以產(chǎn)量的比例反映了各母體的比較反應(yīng)速度。

當f>1時，該位置的活潑性比苯大,否則比苯小。例如：在硝酸與乙酸酐的體系中，甲苯的硝化速度是苯進行硝化反應(yīng)的23倍（設(shè)苯的硝化速度為1）

取代產(chǎn)物的百分比為：

鄰對間63％34％3％氯苯和苯甲醚進行硝化反應(yīng)時，分速度因數(shù)分別為：氯苯的三個分速度因數(shù)均小于1，鹵素是致鈍基團，且fm

<<fp,E+進入間位的可能性很小。苯甲醚：fp≈fo>>fm-OCH3對于鄰、對位具有＋C,-I效應(yīng)，＋C>-I

對于間位，只有-I，而無＋C效應(yīng)。2.Hammett方程也是表示分子結(jié)構(gòu)與化學活性之間的定量關(guān)系式之一。通過測定苯甲酸和間對位取代苯甲酸在水溶液中分別測定它們的電離常數(shù)，來考察取代基對于酸性的影響，可以判斷出該取代基的總的電子效應(yīng)。6.2芳環(huán)上親核取代反應(yīng)不易被取代一、加成－消除機理

鄰對位上的吸電基（-NO2、-CN、-COCH3、-CF3

等）穩(wěn)定碳負離子中間體，使反應(yīng)加速。NU-=-OH-NH2-OR-NHC6H5

NU-(