第十八章-芳香族亲核取代反应

第十八章芳香族亲核取代反应芳香碳原子上的原子或基团带着一对电子被亲核试剂置换的反应叫作芳香族亲核取代反应(SNAr)。反应通式：在上列反应式中，作用物可以是苯环的也可以是杂环的化合物。和脂肪族亲核取代反应不同，这里被取代的基团X连氢负离子也是可以的。典型的反应在芳香族化合物和脂肪族化合物中碳原子轨道杂化的情况不同，因而C芳-X键和C脂-X键的性质很不一样。在sp2杂化形成的分子轨道中s轨道的比例比较大，在sp3杂化轨道中s轨道的比例比较小，因而在Csp2-X键中碳原子对价电子的吸引力比在Csp3-X键中碳原于对价电子的吸引力强。从而芳香族亲核取代反应没有脂肪族亲核取代反应那么容易发生。再有，如果离去基团的中心原子对来共用电子对，则P-共轭使得C-X键更加牢固。第一节芳香族亲核取代反应机理18.1.1双分子SNAr2机理SNAr2机理是亲核取代反应中最主要的反应机理。ClNO2OHNO2ClOHNO2OH+Cl+例如：类似与SN2反应，但亲核试剂不能从带有离去基团的碳原子的侧面进攻底物。机理的证明：（1）动力学证明二级动力学（2）取代基效应邻硝基氯苯和其对位吸电子基团取代衍生物在和甲醇钠的反应中的相对速度当Ｘ=Cl,Br,I时，相对反应速度：4.3,4.3,1,但是，离去基团的离去能力：ClBrI当X＝F时，相对反应速度是3300说明:控制反应速度的一步不包含C－X键的断裂NO2NO2XNHNNO2O2N+XHX+（３）离去基团的影响不同离去基团的相对反应速度是对该反应机理的一个证明。（４）溶剂的影响Nu=N3-kF/kI=200(甲醇)kF/kI=400(DMF)Nu=PhS-kF/kI=2.5(甲醇)kF/kI=1(DMF)（5）碱催化作用碱少反应速度提高，碱多反应速度不再提高。（6）中间体离析1902年对2,4,6-三硝基苯甲醚和乙氧基离子之间反应的中间体的分离有力的支持了这一机理。NO2NO2O2NOCH3NO2NO2O2NOCH3NO2NO2O2NC2H5ONaC2H5OH-OCH3H3COOC2H5红色晶体这一中间体的分离获得，证实了反应是分两步完成的18.1.2单分子SNAr1机理在芳环上按照SNAr1机理进行的反应很少，重氮盐的水解被认为是按SNAr1机理进行的支持这一反应机理的事实：（1）动力学研究结果表明：反应速度对重氮盐是一级，与亲核试剂的浓度无关。（2）当用重氮盐作为反应物时NN15NNNN15NN1515（3）在重氮盐水解过程中加入Cl-时，有芳基氯生成，但Cl-的加入不影响反应速度。OHClH2OClSNAr1机理的实例重氮盐水解重氮盐硫代重氮盐碘代ArN2IArIArN2HSArSHArN2SArSAr218.1.3苯炔机理ClHNH2NH3ClNH2HHNH2NH3第一步第二步在这些反应中由于生成了苯炔，因此也叫苯炔机理1)NaOH,H2O,340℃,2500psi2)H3OClOH+NaClNH2NH2Cl141414NH2ClCH3NH2CH3CH3H2NKNH2NH338%62%例如：反应机理的证实：卤素的活性次序为BrIClF的原因:Br,I脱去时，脱掉质子是速度决定步骤：FClBrICl,F脱去时，C-X键断裂是速度决定步骤：IBrClF第二节芳香族亲核取代反应的影响因素18.2.1反应物结构对活性的影响(1)按SNAr2机理进行的亲核取代反应ClO2NNO2NO2ClNO2NO2ClNO2ClNO2Cl~~下列化合物进行亲核取代反应由易到难的次序ZNO2Cl+NaOCH3OCH3ZNO2ZNO2Br+NHZNO2Nab几种取代基在SNAr2机理中的致活次序定位效应:在按SNAr2机理进行的芳香族亲核取代反应里，吸电子基团引导进入基团定位在邻位和对位。如:ClNO2ClNO2ClNO2OHClNO2ClOHNOOOHI30℃OHI30℃OHClNO2OHClNO2OHClNOOOHOHClNO2NOTformedNostabilizationofchargebynitrogroupOrthoParaMeta(2)按SNAr1机理进行的亲核取代反应NNNNMeMeNNNOO(3)按苯炔机理进行的亲核取代反应对于一取代NH3ClNH2NH2对于二取代ZZZZXXXZZZ形成苯炔:Z=吸电子基,有助于脱掉邻位氢，Z=给电子基,有利于脱掉对位氢。形成碳负离子中间体:Z=吸电子的，则负电荷距取代基比较近的碳负离子比较稳定。18.2.2离去基团影响某些基团当连在芳环上时，可以作为离去基团，如NO2,OR,OAr,SO2R和SR。NO2NO2OHNO2NH2NO2OH100℃NO2NH3C2H5OH100℃,NO2,NO2NO2O2NOCH3NO2O2NCH3O,CH3OHreflux,NO2离去基团离去的难易，不仅和基团离去后生成的负离子的稳定性有关，还与亲核试剂的性质有关OCH3ClClClClClNH2NH2ClClClClClSClNO2OTsN(CH3)2NO2OTsClNO2OTsClOCH3C6H4CH2PCH3ONa(CH3)2NClP-CH3-C6H4-SNa离去基团离去能力的大致次序是:FNO2OTsSOC6H5Cl,Br,I,N3NR3OR,OAr,SR,SO2R,NH218.2.3亲核试剂的影响亲核性大致次序是: