6-芳环上取代反应.

第六章芳环上的取代反应芳环上离域的π电子的作用，易于发生亲电取代反应;而只有当芳环上引入了强吸电子基团，才能发生亲核取代反应。苯环的离域π轨道5.1亲电取代反应5.1.1反应机理加成－消除机理HEEE+Nu-+EEHEENote:一般来说，π络合物的形成是可逆的；络合物的形成基本上是不可逆的，且通常是速度的控制步骤。π络合物络合物ONOBrBrπ络合物是通过电荷转移形成的，因此也叫电荷转移络合物亲电试剂位于苯环中心且垂直于苯环平面的直线上亲电取代反应中生成π络合物这一事实在实验中已经得到证实+I2I2棕红色它在500nm有吸收，而苯在297nm处的吸收峰不复存在在BF3存在下，三甲苯和氟乙烷在－80℃反应，可分离出熔点为－15℃的中间体CH3CH3CH3+C2H5FBF3-80oCCH3CH3CH3HC2H5BF4熔点为－15℃2H2SO4HNO3H3O+HSO4-NO2+2NO2+NO2HHNO3H2SO4NO2芳正离子生成的一步是决定反应速率的一步硝化反应溴代反应：Br2+FeBr3BrBrFeBr3δδ溴分子在FeBr3的作用下发生极化RBrBrFeBrBrH+FeBr3Br+RBrHRRBr+H生成芳正离子脱去质子磺化反应SOOO+H2SO4SOOOHHSO4OSOOHSHOOHOBaseSOOOH傅克烷基化反应CH3CHCH3Cl+AlCl3CH3CHCH3AlCl4CH3CHCH3AlCl4HAlCl4CHCH3CH3HClAlCl3傅克酰化反应RCClOAlCl3RCOAlCl4RCOAlCl4CROCROHHClAlCl3苯环上的亲电取代类型HSO3HRNO2XCORSulfonationAlkylationAcylationHalogenationNitration5.1.2反应的定位与反应活性定位效应(Orientation)：芳环上取代基对于E+进入芳环位置的影响。第一类定位基－邻对位定位基第二类定位基－间位定位基反应活性致活效应：取代基的影响使芳环的反应活性提高；致钝效应：取代基的影响使芳环的反应活性降低。Y第一类定位基：N(CH3)2,NH2,OH,OCH3,NHCOCH3,OCOCH3，Cl,Br,I,CH2COOCH3CH3,卤素的－I＋C，使芳环的电子云密度降低,有致钝作用。第一类取代基（除卤素外）具有+I＋C效应、或是－I＋C效应但＋C－I，其作用是增大芳环的电子云密度,有致活效应。第二类定位基：NO2CNSO3HCHOCOCH3COOHCOORCONH2NH3+N(CH3)3+具有－I或－C效应使芳环上的电子云密度降低,有致钝作用。CHCH2+E邻对位CHCH2HECHCH2HECHCH2HECHCH2HE间位CHCH2HECHCH2HECHCH2HE共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。动力学控制与热力学控制+H2SO480℃165℃SO3HHSO3HH165℃α位取代－动力学控制产物；β位取代－热力学控制产物。邻位和对位定向比：CH3HNO3H2SO4NO2+BF4-/CH3CNm%o%%p172.36033769229相对速率1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：2)空间效应越大，对位产物越多：C(CH3)3H2SO4C(CH3)3SO3H100%极化效应：XXo%p%m%F12880Cl30691I32608X具有－I效应，使邻位的电子云密度降低。FClBrI电负性依次降低－I效应依次减小电子云密度降低的位置是不利于E+进攻的。溶剂效应CH3CClOAlCl3CS2CCH3PhNO2CCH3OOE+被硝基苯溶剂化，体积增大。较大的空间效应使它进入1位。螯合效应：NO2NO2OCH2CH2OCH3-NO3-(邻）69%（对）28%CH2NO2CH2OCH3螯合效应：NO2NO2OCH2CH2OCH3-NO3-(邻）69%（对）28%CH2NO2CH2OCH3CH2CH2OCH3NO2HNO2CH2CH2OCH3-H+产物能够发生螯合效应的条件：1〕杂原子能与试剂结合；2）所形成环为五员环或六员环。原位取代(Ipso取代):在芳环上已有取代基的位置上发生取代作用效应：CH3CH(CH3)2NO2OAcAc2OCH3CH(CH3)2NO2+CH3CH(CH3)2NO2+CH3NO282%8%10%取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷的能力。＋CH(CH3)2比较稳定，因而容易被消除。5.1.3取代效应的定量关系取代基效应与化学活性之间存在一定的定量关系从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度分速度因数(f)=(k取代)/y(k苯)/6y－位置的数目通过每一个位置取代苯的活性与苯比较，把总的速率乘以邻位、间位或对位产物的百分比，再除以苯的取代速率的结果。分速度因数与选择性(z产物的百分比)当f1时，该位置的活泼性比苯大,否则比苯小。fokPhH/6kPhZ/2异构体o100×＝kPhZ/2kPhH/6异构体m100＝×fmfp异构体p100×＝kPhH/6kPhZ/1例如：在硝酸与乙酸酐的体系中甲苯的硝化速度是苯进行硝化反应的23倍，取代产物的百分比为：邻对间63％34％3％fo(6)(2)×(23)(1)×(0.63)43.5fp(6)(1)×(23)(1)×(0.34)46.9fm(6)(2)×(23)(1)×(0.03)2.1氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：Cl0.0290.00090.137OCH30.252.3×1045.5×410氯苯的三个分速度因数均小于1，卤素是致钝基团，且fmfp,E+进入间位的可能性很小。苯甲醚：fp≈fofm-OCH3对邻、对位具有＋C,－I效应，＋C－I对间位，只有－I,而无＋C效应。Cl共扼pπNO2CNCOCH3CF3当芳环上连时，也可发生亲核取代反应5.2芳环上亲核取代反应5.2.1加成－消除机理XXNuNu-NuX-Nu-=OH-NH2-RNH-RO-慢决定步骤X=NO2OR卤素等ExampleClNO2OHNO2ClOHNO2OH+Cl+OHClOH-450MPa350℃ClNO2NO2O2NNO2O2NNO2OHOH-25℃NO2NO2NNHLNO2NO2L=ClBrISO2Php-O2NC6H5O-LNuLNu-Nu快NO2NO2O2NOCH3OC2H5O2NNO2NO2KOC2H5NO2O2NOC2H5NO2H3COOCH3过渡态中间体红色晶体1902年对苦味酸甲酯和乙氧基离子之间反应的中间体的分离有力地支持了这一机理。不同离去基团的相对反应速度也是对该反应机理的一个证明NO2NO2XNHNNO2O2N+XHX+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3300Conclusion:控制反应速度的一步不包含C－X键的断裂在芳环上按照SN1机理进行的反应很少，重氮盐的水解被认为是按SN1机理进行的Note：之所以能产生芳基正离子，其推动力是由于N2是一个很容易离去的基团。NNslowN2+OH2OHHH2Ofast++5.2.2SN1机理OHClH2OCl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NN15NNNN15NN1515支持这一反应机理的事实：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.当用重氮盐作为反应物时重氮盐硫代ArN2HSArSHArN2SArSAr2ArN2IArI重氮盐碘代SN1机理的实例重氮盐水解NaNH2OCH3NH2BrOCH3OCH3NH2-5.2.3消除－加成机理（苯炔机理）Note：在这些反应中由于生成了苯炔，因此也叫苯炔机理NaNH2NH2-ClNH2NH2XZZZNH3+-ZNH3+-I，NH3I，CH3ZXZZNH3+-NH3+Z-I，NH3I，CH3ZHHX优先消去酸性强的质子ZHHXZZI优先I优先NaNH2BrOCH3OCH3NH2OCH3NH3OCH3NH3+5.3影响芳环上亲核取代反应的因素5.3.1底物结构对活性的影响ClNO2O2NNO2ClNO2NO2ClNO2ClClNO2＞＞≈＞＞-I取代基对反应有利离去基团离去能力的大致次序是Note：在芳香亲核取代反应中离去能力是FCl,Br,I,这不同于脂肪族亲核取代反应SN1和SN2的取代顺序。其原因是对于芳香取代反应机理常常是第一步是决定速率的，而且这一步也被带有很强的吸电子效应的基团所促进。这也解释了F和NO2是那样容易离去的原因。FNO2OTsSOC6H5Cl,Br,I,N3NR3OR,OAr,SR,SO2R,NH25.3.2离去基团对活性的影响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Example1Example2OCH3ClClClClClNH2NH2ClClClClClSClNO2OTsN(CH3)2NO2OTsClNO2OTsClOCH3C6H4CH2PCH3ONa(CH3)2NClP-CH3-C6H4-SNa请同学们在11月9日之前把文献题目、出处用E－mail给我(JournalofOrganicChemistry，orOrganicLetters,2004年，PP）[e-mail]