第十二章：芳環(huán)的親電取代、親核取代反應(yīng)及芳環(huán)取代基的反應(yīng)

第十二章

芳環(huán)的親電取代、親核取代反應(yīng)

及芳環(huán)取代基的反應(yīng)本章主要內(nèi)容一、苯環(huán)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、芳香環(huán)的親核取代反應(yīng)四、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: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

鍵電子云，容易接受親電試劑進攻苯環(huán)的親電反應(yīng)與烯烴的對比分析一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制總反應(yīng)機理如下：Step2:脫去一個質(zhì)子，回復(fù)芳香穩(wěn)定結(jié)構(gòu)苯環(huán)親電反應(yīng)的第二個特點就是在接受親電試劑進攻發(fā)生加成后要脫去質(zhì)子回復(fù)苯環(huán)的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，即發(fā)生親電取代反應(yīng)，而不是親電加成。Step1:親電試劑進攻苯環(huán)的

鍵，形成碳正離子加成產(chǎn)物失去芳香性取代產(chǎn)物具有芳香性一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制2.Reactioncoordinatediagrams:一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制3.Thefivemostcommonelectrophilicaromaticsubstitutionreactions: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+

--FeCl3

——Br-Br+--FeBr3

——I+

(obtainedbyI2+HNO3orCuCl2；I-Cl)

——+NO2

(obtainedbyHNO3+H2SO4)——+SO3H(fromH2SO4)orSO3——R+

(obtainedbyR-Cl+AlCl3)——RC+=O(obtainedbyRCOCl+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)HalogenationI-Cl也是常用的碘代試劑一、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

——reversiblereaction通過提供親電試劑的濃度促使平衡移動磺化反應(yīng)是可逆的一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制(4)Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)Note:Rearrangementmayoccurinalkylation一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制(4)Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)1010(5)Friedel-CraftsAcylation(傅氏?；?一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制使用不同的?；噭?，催化劑的用量是不同的>1.0eq.>2.0eq.沒有重排問題二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響致活基致鈍基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等基團具有給電子共軛和吸電子誘導(dǎo)作用，總結(jié)果以給電子共軛作用為主，苯環(huán)上的電子云密度增加，親電反應(yīng)速率增大?！弻ξ浑娮釉泼芏仍黾拥酶?，鄰對位定位。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-CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等基團具有吸電子共軛和吸電子誘導(dǎo)作用，苯環(huán)上的電子云密度降低，親電反應(yīng)速率降低?！娮庸曹椬饔檬沟绵弻ξ浑娮釉泼芏冉档偷酶?，因此反應(yīng)發(fā)生在間位。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原子具有吸電子誘導(dǎo)作用和給電子共軛，總結(jié)果以吸電子作用為主，苯環(huán)上的電子云密度降低，親電反應(yīng)速率降低。——鄰對位電子云密度降低得較少，鄰對位定位。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。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。

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。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)和吸電子共軛效應(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)一、芳環(huán)的親電取代反應(yīng)及機制Cl-Cl+--FeCl3Br-Br+--FeBr3I++NO2+SO3HR+RC+=O-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取代基的體積越大，空間位阻大，鄰位比例減少

——活化作用影響>鈍化作用影響

——強活化作用的影響>弱活化作用的影響（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多取代苯的定位效應(yīng)：Whenmorethanonegroupisattachedtoabenzenering,theeffectofthestrongeractivator(orweakerdeactivator)prevails.多取代苯的定位效應(yīng)：多取代苯的定位效應(yīng)：位阻較大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)的影響二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響Synthesissubstitutedbenzenes二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響Synthesissubstitutedbenzenes強致鈍基難以發(fā)生F-C反應(yīng)二、取代基對芳環(huán)親電取代反應(yīng)的影響Synthesissubstitutedbenzenes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Synthesissubstitutedbenzenes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多環(huán)芳環(huán)和芳香雜環(huán)的親電取代反應(yīng)

自學(xué)！三、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(fù)離子接近時，

-電子云會對它產(chǎn)生排斥，此外，氫負(fù)離子是一個堿性非常強的堿，難以離去。三、芳環(huán)親核取代反應(yīng)SNArReaction（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。吸電子基團一般在離去基團的鄰位或?qū)ξ?三、芳環(huán)親核取代反應(yīng)三、芳環(huán)親核取代反應(yīng)通過苯炔中間體進行苯炔的結(jié)構(gòu)：兩個sp2雜化軌道側(cè)面重疊形成第二個π鍵。其重疊程度比兩個p軌道形成的π鍵低，能量較高，化學(xué)性質(zhì)活潑。

自學(xué)！芳香雜環(huán)的親核取代反應(yīng)四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)1、光照或加熱條件下α–鹵代反應(yīng)2、芳環(huán)側(cè)鏈的氧化反應(yīng)四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)脂肪族胺也能發(fā)生重氮化（Diazotization)反應(yīng)，但是所生成的重氮鹽極其不穩(wěn)定，很快分解，因此難以用于合成。芳香重氮鹽在合成上用途廣泛。3、FormationofArenediazoniumSalts

芳香重氮鹽的形成四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)4、芳香重氮鹽的取代反應(yīng)

四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)4、金屬銅催化-芳香重氮鹽的取代反應(yīng)

四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)5、芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應(yīng)（與胺或酚反應(yīng)）——芳香重氮鹽作為親電試劑與非?；顫姷姆枷慊戏宇惢虬奉惏l(fā)生反應(yīng)，生成偶氮化合物。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。四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)反應(yīng)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(yīng)在弱酸性條件下進行。Why？

5、芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應(yīng)四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用A、苯環(huán)上引入羥基四、芳環(huán)取代基的反應(yīng)6、重氮鹽在合成上的應(yīng)用