第八章芳香取代反应.

1第八章芳香族化合物的取代反应28.1芳环上亲电取代反应历程8.2亲电试剂生成方式及亲电能力8.3取代基的定位效应和反应活性8.4典型的亲电取代反应8.5芳香族亲核取代反应3芳香族化合物取代反应的种类•亲电取代：这类反应多，重点研究。•亲核取代：这类反应少。•自由基取代：本章不讨论。易发生亲电取代的原因？41.亲电取代反应历程:有SE1和SE2两种历程。(1)SE1历程：先生成芳烃负离子，再结合一个正离子。如8.1芳环上亲电取代反应历程X-X+Y+YOO碱－CO2AcOH+AcO5(2)SE2历程：芳烃正离子历程。本章中重点研究。X+E+XE+XHEX+H+E极快慢络合物络合物问题：决速步骤为哪一步？络合物中有几个碳参与共轭？62.影响亲电取代反应的因素催化剂：Lewis酸，Bronsted酸。亲电试剂的种类：不同种类的亲电试剂反应能力不一样。芳环上已有的取代基：不同种类的取代基定位方向和能力不同。78.2亲电试剂生成方式及亲电能力NO2+2H2SO4+HNO3NO2++H3O++2HSO4-Br2-MXn(Br+)Br2+MXnBr2-MXnCl2-MXn(Cl+)MXn=AlCl3,BF3,ZnCl2,FeCl3等Cl2-MXnRSO2+RSO2Cl+AlCl3RSO2++AlCl4-亲电试剂生成方式Cl2＋MXn................................以上亲电试剂是强亲电体，既可与含致活定位基的芳环反应也可以与含致钝定位基的芳环反应。杂原子亲电试剂8亲电试剂生成方式R3C+R3CX+MXn(X=Br、Cl)R3COH+H+R2C=CR’2+H+RCH2+RCH2X+MXnRC+=ORCOX+MXnH+HXR2C=O+HR2C=O+H+RC=+O-MXnR2C=O+MXn以上是中等活性试剂，只能取代含非高致钝基团的芳环碳原子亲电试剂9亲电试剂生成方式HC≡N+HHC≡N+HX+NOHNO2+H+ArN≡N+ArNH2+HNO2+H+以上试剂活性低，只能取代含高活性基团的芳环氮原子亲电试剂，且氮上只联有一个电负性较大的原子高活性芳环：PhNHR,PhNR1R2,PhOR，PhO-108.3取代基的定位效应和对活性的影响1、取代基的分类芳环上的取代基包含两类信息：活性与定位。按活性分类:活化基团：加快取代反应速度的取代基。钝化基团：减慢取代反应速度的取代基。按定位效应分类:邻对位定位基：新引入的基团主要在邻对位。间位定位基：新引入的基团主要在间位。不同的取代基给出不同的信息。常见基团定位效应见下表：11邻、对位定位基间位定位基强度最强强中弱强最强取代基-O--NR2-NHR-NH2-OH-OR-OCOR-NHCOR-NHCHO-C6H5-CH3-CR3-F-Cl,-Br,-I-CH2Cl-CH=CHCO2H-CH=CHNO2-COR-CHO-CO2R-CONH2-CO2H-SO3H-CN-NO2-N+H3-N+R3电子效应+I+C－I+C－I+C－I－C－I性质活化基钝化基中及弱亲电试剂不反应弱亲电试剂可反应122、芳环上同类取代基的比较（1）卤素取代基•-F＞-Cl-Br-I。卤素都是电负性很强的原子，对苯环有致钝作用，但仍显示邻、对位定位效应。氟苯的活泼性和苯接近，而氯、溴、碘使苯环的活性降低的程度大约相等，但碘苯不稳定。•电负性越强的卤素，邻位产物比例越小。如卤代苯的硝化反应，有以下规律：XX=FClBrI=12303841产物中邻位比例（%）XNO2说明邻位受诱导效应影响较大。13（2）烷基•CH3CH3CH2(CH3)2CH(CH3)3C。•致活作用的顺序一般服从超共轭效应。•由于烷基活化芳环，所以，烷基化反应中易得到多烷基化产物。•邻对位产物的比例受位阻的影响，位阻越大，邻位取代产物越少。如R邻位%对位%间位%CH358.4537.154.40C(CH3)315.872.711.5RHNO3H2SO4148.4典型的亲电取代反应1．硝化最常用的试剂为浓硝酸和浓硫酸的混酸，硫酸的作用不仅是脱水剂，更重要的是形成硝基正离子NO2+。HNO3+2H2SO4NO2++H3O++2HSO4-硝化反应历程：NO2HNO2NO2慢-H+15实例：+HNO3浓H2SO4NO2+发烟HNO3浓H2SO4NO2NO2+HNO3浓H2SO4NO2CH3CH3O2NNO2TNT162、卤化机理：加入Lewis酸作为催化剂时，它和氯或溴作用形成Cl+或Br+。合成中一般用氯代或溴代。FeX3+X2[FeX4]-+X+常用的卤化试剂还有X2/FeX3,N-氯代酰胺，HOCl，t-BuOCl，NBS，BrCl，ICl及IBr等。CH3FeCl3Cl2CH3ClCH3Cl+CH2ClCCl3h+条件不同则产物不同173、磺化通常用浓硫酸或发烟硫酸进行磺化反应以制备芳香磺酸,一般认为体系中的SO3是实际参加反应的亲电试剂。用下式表示：O3SHSO3HSO4O3SHSO3H2H2SO4SO3+H3O+HSO418Br2OHSO3HSO3HBrH2OOHBrOHH2SO4SO3HSO3HOHOHOHBrBr2例如邻溴苯酚的制备：讨论：磺化反应是可逆反应•除水促进正反应（发烟H2SO4）•水解除去磺酸基（H2O/）有机合成中可以用来保护苯环的C-H192.写出下列反应主要产物。NO2CH(CH3)2NO2CH(CH3)2+90%少量练习：1.指出下列化合物苯环上取代反应的活性顺序及取代反应发生的主要位置。乙基苯基醚,乙酸苯酯,苯甲酸甲酯,硝基苯。乙基苯基醚乙酸苯酯苯甲酸甲酯硝基苯。CH(CH3)2HNO3/H2SO4204．Friedel-Crafts反应Friedel-Crafts反应是在芳香环上引入侧链的重要反应，包括烷基化反应和酰基化反应（中等强度亲电试剂的反应）。碳正离子或酸碱络合物进攻芳环：常用的烷化试剂为卤代烷、烯烃、醇，亲电试剂生成方式如下：（1）Friedel-Crafts烷基化21RCl+AlCl3R—Cl…AlCl3R++AlCl4-R—OH+H+RO+H2R++H2O生成的碳正离子可以重排成更稳定的碳正离子。如：(CH3)2CHCH2+(CH3)2C+CH3•三氯化铝是最常用的有效催化剂，反应是放热的，进行得很快，一般得到叔或仲的烷基化产物.•反应实例如下：22烷基化反应也可在分子内进行，生成环状化合物。＋CH3CH2CH2ClAlCl3H3PO4OH50%H2SO4OH60%23（A）碳正离子易重排，发生异构化反应。（B）苯环上有强吸电子基（NO2,CN,COR等），则不发生烷基化反应。（C）烷基化反应可逆，因而易歧化。（D）易多烷基取代。Friedel-Crafts烷基化反应的特点：24常用的酰化剂是酰氯、酸酐。进攻芳环的亲电试剂被认为酰基正离子或络合物。RCOCl+AlCl3RCO++AlCl4-Friedel-Crafts酰基化AlCl3+CH3COClO+CH3COClAlCl3O+OOCS2-15oCC6H5NO2200oC3:190%25（A）酰基正离子不重排。（B）苯环上有强吸电子基（NO2,CN,COR等），则不发生酰基化反应。（C）不可逆。（D）不发生多酰基化。Friedel-Crafts酰基化反应的特点：酰化反应与烷基化反应有何异同？265.Haworth反应•芳环和丁二酐发生付-克反应，接着还原和再一次的分子内付-克反应，得到四氢萘酮。+OOOHO2COZn-HgHClH2SO4AlCl3OHO2COOAlCl3OO271）.氯甲基化反应：+HCHO+HClZnCl260°CCH2Cl+RCHO+HClCHClR6.其它亲电取代反应反应中间体：H2COHClH2COHCl28甲苯能发生此反应，但强烈钝化苯环不能发生此反应。其他烷基苯、酚、酚醚易发生副反应，不宜进行此反应。2）.加特曼—科克反应（Gattermam-Kock）：+CO+HClAlCl3,CuCl△CHO+HCl293）.加特曼反应（Gattermam）OHHO+HCNZnCl2OHHOHCNHHClH2OOHHOHCO+HClHCN+HClNHHCl芳烃及其衍生物在Lewis酸催化下与液态无水HCN及氯化氢作用下，得到芳醛。如：304）.霍施反应（Hoesch）•酚或芳醚在Lewis酸催化下与RCN及氯化氢作用下，得到芳酮。如OHHO+H3CCNOHHOCNHHClH2OOHHOCO+HClZnCl2315).维斯梅尔反应（Vilsmeier)芳香化合物、杂环化合物在POCl3存在下与N－取代甲酰胺反应，及氯化氢作用下，得到芳醛。如NMe2+1)POCl3OH2)H2ONMe2NMe2+CHOCHONMe2S+1)POCl3OH2)H2ONMe2SCHO328.5芳香族亲核取代反应Nu-+Ar-XNu-Ar+X-芳香族化合物的亲核取代反应主要有以下几种类型：（1）加成－消去机理（形成中间体络合物）（2）消去－加成机理（形成中间体苯炔）（3）SN1机理331、加成消去历程（SNAr）Y-XYXYslowX证据:有的中间体可以分离出，如：MeONO2O2NNO2OEtNO2O2NNO2EtOOMe注意取代基的特点34反应实例：OC2H5NO2NO2C6H5NH2NHC6H5NO2NO2NO2C6H5NH2NO2NO2NHC6H5352、消去－加成机理（苯炔机理）XH强碱NuHNuH反应分两步进行：*Cl*NH2KNH2+*NH2可以用13C标记的氯苯作为原料来验证以上机理：36NaNH2OMeBrNH3OMeNH2OMe+NH2苯炔上取代基的诱导效应对区域选择性产生影响，如次主NaNH2CNBrNH3CNNH2CN+NH2次主373、单分子亲核机理N2+N2NH2NaNO2HClN2Cl-N2H2OOH2-H+OH第一步：第二步：例如：NuNu慢38小结芳环上亲电取代反应历程SE1,SE2(主要)。取代基的定位效应和反应活性，具有多个取代基时的定位效应；各种亲电试剂产生方法及亲电能力；具有多个芳基时亲电反应的选择性。付－克烷基化和酰基化反应的异同。硝化、磺化和卤化（Cl,Br）芳香族亲核取代反应历程（苯炔中间体）391)、原有两个取代基的定位作用一致NO2SO3HOHCl2)、原有两个取代基的定位作用不一致a)、同一类---由较强的定位基决定CH3NO2COOHOHb)、不同一类---由邻对位定位基决定CH3CNOCH3COOH思考题：引入第三个取代基的定位规律？40练习：完成下列反应：H3COH3COOClAlCl3+OAlCl3C6H5HCCH2COOHBrBr+AlCl3H3COH3COOOHC6H5HCCH2COOHBr选择性与苯环的电子云密度和碳正离子的稳定性有关。41课外作业：教材P169：第2,4（2,3,4）题。课堂作业写出下列反应的机理(画出过渡态):+发烟硫酸SOO42O3SHHSO4SO3HSO3H+-H2OSOOO2SHPh-H+SOO解答: