第六章芳香環(huán)上的取代反應

1、第六章 芳香環(huán)上的取代反應芳香環(huán)上的取代反應與飽和碳原子上的取代反應相似，有親電取代、親核取代和自由基取代反應。在親電反應中進攻試劑是正離子或偶極分子中正的一端，離去基團在離去時必須失去它的電子對，它們是弱的Liews酸，最常見的離去基團是氫（以H+形式離去）。在親核反應中進攻試劑是負離子或具有未共用電子對的原子或基團。離去基團在離去時以最大的可能攜帶其鍵合電子。離去后以負離子或分子的形式存在，如Br-、-OTS和H2O等即為弱的堿、自由基取代反應是另一種情況將在以后討論。6-1 親電取代反應最簡單的芳環(huán)是苯環(huán)，從苯的結構可知，苯的離域軌道使苯環(huán)六個碳原子組成的平面上下集中著帶負電的電子云，對

2、苯環(huán)碳原子起著屏蔽作用，從而不利于親核試劑的進攻，相反卻有利于親電試劑的進攻，發(fā)生親電取代反應。6-1-1 反應歷程1和-絡合物在親電取代反應中，無論是正離子還是極性試劑中正電荷的部分進攻芳環(huán)，首先遇到的是芳環(huán)上的電子云，因此反應的第一步可能是進攻的親電試劑與芳環(huán)上離域的電子相互作用。例如硝酰正離子進攻苯環(huán)，可能是其中氮原子的空軌道與苯環(huán)的軌道交蓋，通過電子的離域發(fā)生微弱的結合生成-絡合物。由于是通過電荷轉移形成的，也稱電荷轉移絡合物。在-絡合物的形成中，芳烴作為電子的給予體，試劑作為電子的接受體，它們通過電荷轉移而結合，是非常松弛的，這意味著給予體和接受體兩者的分軌道都未發(fā)生明顯的變化，在多

3、數(shù)情況下，它們之間的結合是很弱的（4-20KT/mol），以至絡合物的組分能夠迅速地發(fā)生逆反應而復原。例如：甲苯與氯化氫生成的絡合物，即使在-78的低溫情況下兩組分之間也能很快建立平衡。若作同位素試驗，用氯化氘（DCl）代替氯化氫（HCl）在很長的時間內也未發(fā)現(xiàn)D與H的交換。說明親電試劑并沒有與環(huán)上任何一個碳原子發(fā)生鍵合作用而生成離子。即沒有C-D鍵生成，故可證明沒有發(fā)生D與H的交換。在親電試劑（NO2+，Br2等）與苯環(huán)形成的-絡合物中，親電試劑位于苯環(huán)中心，并垂直于苯環(huán)平面的直線上。例如：在Lewis酸的存在下，親電試劑與苯環(huán)作用生成不同-絡合物的另一種中間體。例如，在AlCl3存在下，用

4、Dcl代替HCl與苯作用，發(fā)現(xiàn)DCl中的D迅速與苯環(huán)上的H發(fā)生交換，說明生成的不是-絡合物，而是另一種中間體，是一種正離（苯正離子或芳正離子），-絡合物。其正離子通常是一個高度活潑的中間體，它必須進一步反應以穩(wěn)定自己，可以通過幾種途徑達到穩(wěn)定。例如：下列-絡合物，在AlCl4-存在時，可以通過失去H+或D+得到穩(wěn)定。苯與氯化氘在三氯化鋁存在下反應，確實得到上述兩種產物的混合物，當失去H+或D+后，產物中六個電子的環(huán)狀共軛體系重新出現(xiàn)，穩(wěn)定性增加，補償了C-H或C-D鍵斷裂所需要的能量，即恢復了芳香體系。對-絡合物及-絡合物穩(wěn)定溶液的研究結果表明，這兩種絡合物的性質不同。甲苯與氯化氫生成的-絡合

5、物溶液，無顏色變化，無明顯的導電性，給于體和接受體之間的結合很弱，沒有形成鍵，-絡合物的穩(wěn)定性很小，苯環(huán)上甲基增多或位置改變對穩(wěn)定性的影響也很小。而甲苯與氯化氫在AlCl3存在下生成的-絡合物情況有所不同，溶液呈綠色，能導電，說明存在離子狀態(tài)。在-絡合物中，試劑與苯環(huán)的某一原子生成了-鍵。-絡合物的穩(wěn)定性隨苯環(huán)上甲基數(shù)目和位置的不同變化較大，因為甲基通過誘導效應和超共軛效應可以分散-絡合物的正電荷。故甲基越多和/或位置合適這種作用就越大。對于-絡合物，因為苯環(huán)上沒有明顯正電荷，且不固定在某一個碳原子上，故甲基的影響較小。表6-1 相對取代速度與和-絡合物相對穩(wěn)定性之間的關系苯環(huán)上的取代基相對穩(wěn)

6、定性相對活性-絡合物-絡合物氯代速度硝化速度無0.610.090.0050.51甲基0.920.630.1570.85對二甲基1.001.001.001.00鄰二甲基1.131.12.10.89間二甲基1.26262000.84偏三甲基1.3663340連三甲基1.46694001,2,3,4-四甲基1.6340020001,2,3,5-四甲基1.6716000五甲基29000表中數(shù)據可以看出，-絡合物的穩(wěn)定性因甲基取代的變化而變化很小，-絡合物的穩(wěn)定性變化很大，表明各種芳烴的相對親電取代反應速度和相應的-絡合物的穩(wěn)定性密切相關，因此，-絡合物的生成是芳環(huán)親電取代反應的控制步驟。2加成-消除歷

7、程芳環(huán)上親電取代反應歷程可表述如下：反應物與親電試劑首先形成-絡合物，然后轉變成-絡全物，后者失去質子（通常是H+）生成產物。芳環(huán)上親電取代反歷程，對-絡合物的形成是有爭議的，但形成-絡合物則是公認的。因為只有通過-絡合物才能完成親電取代反應。在這一系列反應中，是-絡合物還是-絡合物的生成是反應速度的控制步驟，則依具體反應而定。如果反應的相對速度和-絡合物的相對穩(wěn)定性相似，則-絡合物的生成是反應速度的控制步驟。也就說明反應首先生成-絡合物。如果反應的相對速度和-絡合物的相對穩(wěn)定性相似，則-絡合物的生成是反應速度的控制步驟。一般說來，-絡合物的生成是可逆的，-絡合物的生成基本上是不可逆的，而且常

8、是反應速度的控制步驟。總之，芳環(huán)上的親電取代反應歷程可簡單地概括為：反應物和親電試劑發(fā)生加成反應，生成-絡合物（芳正離子中間體），后者失去離子基團（通常是質子）生成產物，即反應歷程是加成-消除反應。6-1-2 親電取代反應的特性和相對活性1反應活性和定位效應在基礎有機化學中已經學過，一取代苯再進行親電取代時，進入基團進入苯環(huán)的位置主要決定于苯環(huán)上原有取代基的性質，將原有取代基分為兩類。第一類定位基主要是鄰和對位，第二類定位其主要是間位。取代苯再進行親電取代反應時，取代基的影響雖然有電子效應和空間效應兩種，但電子效應起主導作用，按不同的電子效應將兩類定位基再細分為四種類型。表現(xiàn)為吸電子誘導效應的

9、定位基這類定位基的一個共同特點是帶正電荷的原子直接和苯環(huán)相連如：-N+H3，-N+R3，-S+R2，-P+R3，-As+R3等，它們都是吸電子基，通過誘導效應（-I），使苯環(huán)的電子云密度降低，其反應速度比苯小，是間位定位基。表現(xiàn)為吸電子誘導效應和吸電子共軛效應的定位基，這類定位基有：-NO2，-CN，-SO3H，-CHO，-COR-，-COOH等，存在著吸電誘導效應（-I）和吸電子共軛效應（-C），是間位定位基，且反應速度比苯小，如硝基苯在混酸中的硝化反應速度與苯的反應速度之比約為10-8。表現(xiàn)為供電子誘導效應和供電子共軛效應的定位基。可以把-O-，-R，-C6HS，粗略地歸結為這一類。當它們

10、分別與苯環(huán)相連時，表現(xiàn)出供電子誘導效應（+I）和供電子共軛效應（+C），故反應速度比苯大，如聯(lián)苯進行氯化的總反應速度與苯的反應速度之比為4.2102，是鄰、對位定位基。表現(xiàn)為吸電子誘導效應和供電子共軛效應的定位基如：-OCOR、-OR、-OH、-NHCOR、-NH2、-NR2。當它們分別與苯環(huán)相連時，分子內存在著吸電子誘導效應和供電子共軛效應。這兩種效應的方向相反，實驗結果表明，這些定位基的+C-I，總的結果使苯環(huán)活化。例如苯甲醚的氯化反應比苯的氯化反應快，苯甲醚與苯的反應速率常數(shù)之比為9.7106(鄰、對位)。鹵苯進行親電取代反應時，X的作用與OH和NH2相似，對生成的鄰和對位-絡合物起穩(wěn)定

11、作用，親電試劑進攻鹵苯的反應速率由大到小的順序為：ArFArClArBrArI。鹵素的吸電誘導效應的順序為：FClBrI，供電共軛效應的順序也是FClBrI。只能認為鹵苯在進行親電取代反應時，動態(tài)共軛效應起主導作用，有時視具體情況而定。2鄰位和對位的定向比一取代苯的親電取代反應，從反應幾率來看，鄰對=21，但實際結果遠非如此：親電試劑的活性，一般說來，親電試劑的活性越大，對于鄰位和/或對位的選擇性越小見表6-2。表6-2 定向與活性對于取代反應性質的依賴性反應試劑相對速度在甲苯中的定向%o-%m-%p-硝化176033721594372.369229氯化146823034460140溴化772

12、12760533167空間效應，親電試劑和環(huán)上原有取代基的體積越大，對位異構體的量越多。例如：叔丁苯和溴苯的碳化，幾乎都生成100%的對位異構體。極化效應，鹵苯的硝化，若從鹵苯原子的空間效應來考慮，由FI鄰位產物應逐漸減少，但事實正相反（見表6-3）表6-3 鹵苯硝化時鄰和對位異構體的比例取代基%o-%p-o-/p-F12880.14Cl30690.44Br37620.60I38600.63對于這種事實的解釋，認為鹵素的電子誘導效應的影響超過了空間效應。由于誘導效應隨距離增加而下降，故對位經鄰位所受的影響要小。同時這種反應隨元素電負性增加而加大，所以電負性最強的氟使鄰位的電子云密度降低得最多，

13、從而不利于鄰位取代，從FI吸電子誘導效應顯著降低，雖然體積逐漸增大，仍導致相鄰位異構體增多。溶劑效應，視具體情況而定。螯合作用，當環(huán)上的取代基與親電試劑發(fā)生絡合時，通常發(fā)生鄰位取代。例如：1-苯基-2-甲氧基乙烷在乙腈中用五氧化二氮硝化比用混酸硝化有較高的鄰/對比（用N2O5硝化時，鄰位69%、對位28%，而用混酸時鄰位32%，對位59%）。鄰位產物較多的原因，被認為是通過螯合作用來實現(xiàn)的，即醚中氧上的一對未共同電子與N2O3中的-NO2結合，然后移到鄰位，通過六元環(huán)狀過渡態(tài)生成鄰位產物。又如在加壓下，于125苯酚鈉與弱的親電試劑CO2反應（Kolbe Sehmitt反應），鄰位產物占優(yōu)勢，這

14、可能因為在鄰位取代的過程中，由于螯合作用而得到穩(wěn)定的原故。原位取代 在親電取代反應中，親電試劑取代苯環(huán)上原有取代基稱為原位（ipso拉丁語，自身之意）取代。例如：苯環(huán)上原有取代基被取代的難易，取決于離去基團帶有正電荷的能力或形成產物的難易程度。如上例中異丙基比甲基容易帶有正電荷，且異丙基正離子容易轉變成丙烯，而甲基正離子則不能，所以異丙基被取代。最常見的能發(fā)生原位取代反應的反應有芳香族溴和碘化物的硝化反應和叔丁基苯的鹵化反應。鹵素通常指的是Br和I，F(xiàn)+不存在，Cl也不易以Cl+存在，故不易離去，實驗證明在原位取代中，離去基團的離去能力由大到小次序是：H+I+Br+NO2+3取代基效應的定量關

15、系取代基效應的定量關系在第一章中已有闡述，在本章中僅就要點總結一下。（1）分速度因數(shù)和選擇性分速度因數(shù)是一種定量表示定位效應的方法，它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。為了計算分速度因數(shù)，首先需要測定一取代苯進行再取代時的總速度常數(shù)，和測定苯在同樣條件下進行取代時的總速度常數(shù)，從而得到kphz/kphH比值。由實驗測得的一取代苯和苯的比較速度是對整個分子而言，且以苯的反應速度為1。苯有六個可被取代的位置，一取代苯有五個可被取代的位置，其中兩個鄰位、兩個間位和一個對位，根據分速度因數(shù)（用f表示）的定義得：0、m、p分別代表鄰、間、對位上的分速

16、度因數(shù)。取代苯每一個位置上分速度因數(shù)的確定，都是以苯的六個位置中的一個為單位（即H=1）比較而得，因此分速度因數(shù)是衡量取代苯的某個可被取代位置的反應活性的數(shù)值。當取代苯某一位置的分速度因數(shù)1時，則位置的活潑性苯。例如：甲苯的硝化反應：其分速度因數(shù)都1，且在O位和P位上更大，由此說明甲基活化苯環(huán)上所有位置，尢其是鄰位和對位。又如氯苯的硝化：環(huán)上所有的分速度因數(shù)都1，且間位更小，說明氯原子鈍化環(huán)上所有位置，尤其是間位。然而并非所有的反應環(huán)上各位置的分速度因數(shù)都1或1。例如苯甲醚：由于鄰位、對位通過共軛效應被甲氧基活化，間位則因氧的吸電子效應而鈍化。由以上說明分速度因數(shù)的使用，對于定位效應會給出更精

17、確的表示，不同的反應物進行相同反應（即親電試劑相同）分速度因數(shù)的值不同，它說明不同反應的對同一試劑的選擇性不同，這種選擇性稱為反應物選擇性。它表明環(huán)上原有取代基對某一種親電試劑使苯環(huán)活化或鈍化的程度，反應物的選擇性高時，通常間位和對位產率相差比較大。反之，反應物的選擇性差時，其差值比較小，這與分速度因數(shù)的絕對值得一致的?？傊?，反應物的選擇性增大，間位和對位分速度因數(shù)之間的差異就大。同一種反應物對不同的親電試劑進行反應時，分速度因數(shù)也不相同，例如：這說明同一反應物對不同試劑三個位置的相對速度不同，即選擇性不同，這種選擇性稱位置選擇性。通常位置選擇性和反應物選擇是不可分割的。總之，選擇性既決定于環(huán)

18、上原有取代基也決定于親電試劑。目前認為，反應活性與選擇性和過渡態(tài)在反應進程中出現(xiàn)的早晚有關。當親電試劑的活性足夠大時，幾乎每次碰撞都能導致取代反應；親電試劑幾乎沒有選擇性，分速度因數(shù)大抵服從統(tǒng)計規(guī)律。這可以從反應進程中過渡態(tài)出現(xiàn)的位置看出，由于活性較大親電試劑容易與反應物作用，所需活化能較小，過渡態(tài)出現(xiàn)較早。圖6-1從圖6-1可以看出，-絡合物在能量上與反應物接近，故結構也接近，即由于-絡合物出現(xiàn)較早，親電試劑與反應物未完全形成新鍵，正電荷在苯環(huán)上是弱的，故原有取代基對正電荷的分散所起的作用較小，因此反應主要依賴于親電試劑的活性，而受反應物環(huán)上原有取代基的影響較小，即反應主要受動力學控制。當親

19、電試劑的活性較小時，不再是每次碰撞都導致了取代反應的發(fā)生，因此所需活化能較大，過渡態(tài)出現(xiàn)較晚，如圖6-2。從圖6-2可看出，-絡合物在能量上與反應物相差較大（與圖6-1相比），故結構上相差很大，此時親電試劑與苯環(huán)生成的-絡合物有新鍵形成，苯環(huán)出現(xiàn)了真正的正電荷，因此取代基將對正電荷產生較大的影響。由于親電試劑進攻苯環(huán)的位置不同，取代基對正電荷的分散程度不同，即過渡態(tài)的穩(wěn)定性不同，因此選擇性不同，分速度因數(shù)的相對值將出現(xiàn)較大的差別。相對選擇性最好對比m和p。由于o除受電子效應影響外，還受取代基和進攻試劑的立體效應的影響。（見表6-4）表6-4 某些芳香族化合物取代反應的分速度因數(shù)苯環(huán)上取代基親電

20、試劑相對苯的速度異構體分布(%)分速度因數(shù)o-m-p-o-m-p-OH61011-100-41012NHAc610532.5-67.56105-310634059.80.539.76175.08203.853.717.328.96.12.06.61281.21.397.64.64.8749Br0.03371620.030.0010.1610-86922110-81.610-7710-9（2）Hammett方程的應用Hammett方程在第一章中已經闡述，這里僅說明幾個注意的問題。值的大小主要決定于環(huán)上取代基Z對于起反應的基團所產生電子效應影響的大小。故它是衡量某一反應所能感受取代基影響的尺度。在

21、Hammett方程中，如果反應物的性質不變，是定值。 方程左邊的式子與的關系反映了反應的性質，它們之間的關系有三種不同的情況。0 反應為吸電子基所加速0 反應為供電子基所促進0 取代基對反應影響不大因此值在闡明反應歷程方面是很有用的，因為它能夠描述過渡態(tài)相對于反應物對電子的要求。例如：2，4-二硝基氯苯與一系列取代苯胺反應-3.98。由于值是一個較大的負值，故供電子基對反應有利，且供電子基對反應影響較大，反應可能按下述歷程進行。從取代基Z的電子效應來看，Z是供電子基時，可以中和中間體氮原子上的正電荷，使中間體得到穩(wěn)定，從而有利于反應的進行。又如芳基磺酰氯的水解反應，在不同條件下進行時，有兩種截

22、然相反的值。在15于水溶液中進行時，=-0.30。在丙酮中進行水解反應時，由于為正值，故反應為吸電基所加速，由于正值比較大些，吸電子基的影響也較大，反應將按雙分子親核取代（SN2）歷程進行。從電子效應來看，吸電子基降低了硫原子上的電子云密度，有利于水分子的進攻即有利于中間體的生成，故反應按SN2歷程進行。在水溶液中進行反應時，值較小，故供電子基對反應有利，但影響較小，反應按單分子親核取代（SN1）歷程進行。此反應速度取決于硫氯鍵的異裂，當取代基是供電基時，它能中和硫原子的正電荷，而使中間體得到穩(wěn)定，所以供電基有利于反應的進行。6-2 芳環(huán)上親核取代反應在芳環(huán)上的親核取代反應中，親核試劑是負離子

23、或帶有未共用電子對的中性分子如：SCN-、NH2-、OR-、OH-、R-、NH2R和NH2-NH2等等。被取代的基團（即離去基團）多是一些電負性大的基團。如X、N2+、OR、OH、NO2等。例如：苯環(huán)上親核取代反應歷程苯環(huán)上的親核取代反應，主要按三種歷程進行。具體一個反應究竟按哪一種歷程進行，將依具體情況而定。1加成-消除歷程（SN2或SNAr2）此反應歷程包括兩步：第一步（加成）第二步（消除）首先是進攻試劑與反應物形成鍵，生成一個中間體，此為控制反應速率的一步，然后離去基團離去。因為這種歷程是雙分子的，有時也稱SN2歷程。例如：對硝基氯苯的親核取代反應，氯被親核試劑Nu-取代。這個反應的速率=kNO2ArClNu-，所以形式上與SN2相似。但在這種歷程中，Nu-不能從帶有離去基團的碳原子的背面進攻，而是從側面進攻，因此有人把這種歷程又叫SNAr2歷程（Ar表示芳香族）。這種歷程已被很多實驗證明。1902年梅森海莫（Meisenheimer）用2，4，6-三硝基苯甲醚和乙醇鉀反應，或用2，4，6-三硝苯乙醚與甲醇反應，得到了同一種絡合物，稱為梅森海莫絡合物或梅森海莫鹽。當將該絡合物酸化時，又都得