高等有機(jī)第六章芳環(huán)上的親電和親核取代反應(yīng)

第六章芳環(huán)上的親電和親核取代反應(yīng)

芳環(huán)上的取代反應(yīng)與飽和碳原子上的取代反應(yīng)相似，有親電取代、親核取代和自由基取代反應(yīng)。隨反應(yīng)物和試劑等條件的不同，將發(fā)生不同類型的取代反應(yīng)。在脂肪族碳原子上的取代反應(yīng)主要為親核取代反應(yīng)，而在芳香族主要為親電取代反應(yīng)，這是由于芳香環(huán)上具有較高的電子云密度，進(jìn)攻試劑為正離子或偶極及誘導(dǎo)偶極的正的一端，而離去的原子團(tuán)不帶成鍵電子對(duì)。強(qiáng)吸電子基團(tuán)取代的芳香化合物在一定條件下也可以進(jìn)行親核取代反應(yīng)。在親核取代反應(yīng)中，進(jìn)攻試劑是負(fù)離子或具有未共用電子對(duì)的原子或基團(tuán)，離去基團(tuán)以弱堿負(fù)離子或分子的形式離去，其實(shí)用價(jià)值不如親電取代反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)芳正離子的存在：m.p:-15℃6.1親電取代反應(yīng)一、苯環(huán)的親電取代反應(yīng)歷程（加成-消除反應(yīng)歷程）

苯及同系物的親電取代歷程，可用通式表示如下：硝化反應(yīng)歷程鹵代反應(yīng)歷程磺化反應(yīng)歷程烷基化反應(yīng)歷程二、苯環(huán)上親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律

1．兩類定位基

問(wèn)題的提出——定位效應(yīng)——一元取代苯再親電取代，新的取代基可進(jìn)入原取代基（定位基）的鄰、間、對(duì)位，生成三種異構(gòu)體。若定位基對(duì)取代反應(yīng)進(jìn)攻位置無(wú)影響，則鄰、間位異構(gòu)體應(yīng)各占40%，對(duì)位應(yīng)占20%?！?1)甲苯硝化時(shí)，NO2+主要進(jìn)攻甲基的鄰、對(duì)位，且比苯容易；(2)硝基苯再硝化時(shí)，NO2+主要進(jìn)攻硝基的間位，且比苯困難?！Y(jié)論：原有取代基對(duì)新引入的基團(tuán)：(1)進(jìn)入苯環(huán)的位置有指定作用；(2)影響苯環(huán)的活性。取代基的這種作用稱為定位效應(yīng)(orientationeffect)。定位規(guī)律(orientationrule)定位基的定位效應(yīng)、與苯相比的反應(yīng)活性以及影響親電取代的其它因素（如立體效應(yīng)）的總稱。

鄰對(duì)位定位基(第一類)間位定位基(第二類)強(qiáng)烈活化:‐O‐,‐NR2,‐NHR,‐NH2,‐OH中等活性:

‐OR,‐NHCOR,‐OCOR較弱活化：‐Ph,‐R較弱鈍化：‐F,‐Cl,‐Br,‐I,‐CH2Cl強(qiáng)烈鈍化：‐+NR3，‐+NH3，‐NO2，‐CF3，‐CCl3中等鈍化：‐CN,‐SO3H,‐CHO,‐COR，‐COOH,‐CONH2（1）第一類定位基—鄰對(duì)位定位基

——使新引入的取代基主要進(jìn)入它的鄰、對(duì)位（鄰位和對(duì)位異構(gòu)體之和大于60%）；——除鹵素、氯甲基外，一般使苯環(huán)活化。這類定位基與苯環(huán)直接相連接的碳原子上，一般只具有單鍵(有未共用電子對(duì))或帶負(fù)電荷。（2）第二類定位基—間位定位基

——使新引入的取代基主要進(jìn)入它的間位（間位異構(gòu)體大于40%）；——使苯環(huán)鈍化。這類定位基與苯環(huán)相連接的碳原子上一般具有重鍵(電負(fù)性較大)或帶正電荷。1）表現(xiàn)-I及+C效應(yīng)的基團(tuán)(1)+C效應(yīng)>-I效應(yīng)的基團(tuán):這類基團(tuán)包括-OR，-OH，-NR22.苯環(huán)上不同取代基的電子效應(yīng)(2)–I>+C效應(yīng)的基團(tuán),典型例子為-F，-Cl，-Br，-I等2)表現(xiàn)+C及+I效應(yīng)的基團(tuán):苯氧負(fù)離子的氧帶負(fù)電荷，它有供電子的+I效應(yīng)，同時(shí)其未共享電子對(duì)和苯環(huán)共軛，電子云向苯環(huán)轉(zhuǎn)移（+C效應(yīng)）。3)表現(xiàn)+I效應(yīng)的基團(tuán):甲基、乙基、異丙基和叔丁基等烷基，致活作用的順序一般服從超共軛效應(yīng)。即CH3>CH3CH2>(CH3)2CH>(CH3)3C。4)

表現(xiàn)-I效應(yīng)的原子團(tuán)，典型例子：-N+R3

，P+R3，

As+R3，CCl3，N+H3等強(qiáng)吸電子基團(tuán)。5)表現(xiàn)-I與-C效應(yīng)的原子團(tuán)，包括NO2，CN，SO3H，CHO，COR，COOH，COOR，CONH2

等吸電子基團(tuán)。三、定位規(guī)律的理論解釋

親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律可從反應(yīng)物的電子效應(yīng)和－絡(luò)合物的穩(wěn)定性兩方面去解釋。對(duì)苯環(huán)來(lái)說(shuō)，環(huán)上電子云密度是平均分布。但當(dāng)引入一個(gè)取代基后，由于取代基的影響(供電子或吸電子)，會(huì)使苯環(huán)上電子云密度分布發(fā)生變化。由于苯環(huán)共軛鏈的傳遞作用，一般使電子云密度出現(xiàn)交替分布的現(xiàn)象。結(jié)果造成苯環(huán)各位置上發(fā)生親電取代反應(yīng)的難易程度不同。

1.鄰、對(duì)位取代基對(duì)苯環(huán)的影響，以甲苯、苯酚和氯苯為例。

(1)甲苯在甲苯中，無(wú)論從誘導(dǎo)效應(yīng)還是共軛效應(yīng)，甲基都表現(xiàn)為供電子性，使苯環(huán)上電子云密度增加，更有利于親電試劑的進(jìn)攻。所以說(shuō)，甲基使苯環(huán)活化。

在共軛體系中，電子云的傳遞是交替極化，即使甲基的鄰位和對(duì)位上電子云密度增加的更多些，量子化學(xué)計(jì)算,甲苯中各碳上電子云密度分布如圖。所以親電試劑主要進(jìn)攻鄰位和對(duì)位。從反應(yīng)歷程和－絡(luò)合物的穩(wěn)定性看：由反應(yīng)歷程看，－絡(luò)合物越穩(wěn)定，反應(yīng)的活化能越小，越容易反應(yīng)。當(dāng)親電試劑進(jìn)攻甲苯時(shí)，可能形成三種－絡(luò)合物?？梢钥闯?，當(dāng)親電試劑進(jìn)攻鄰、對(duì)位時(shí)，甲基與帶部分正電荷的碳相連，使正電荷得到分散，這兩種絡(luò)合物就較穩(wěn)定，而進(jìn)攻間位時(shí)，正電荷得不到分散，就不穩(wěn)定。絡(luò)合物越穩(wěn)定，過(guò)渡態(tài)就也穩(wěn)定，活化能就越低。(2)苯酚

誘導(dǎo)效應(yīng)使芳環(huán)電子云密度降低，用“－I”表示。共軛效應(yīng)使芳環(huán)電子云密度增加，用“＋C”表示。但在苯酚中，︱+C︱>>︱-I︱，所以總的結(jié)果使苯環(huán)電子云密度增加。與甲苯相似。由于P－＞－，所以，羥基的供電性大于甲基的供電性。苯酚比甲苯更容易進(jìn)行親電取代反應(yīng)。與苯酚相似的還有：(3)氯苯

在氯苯中，具有與苯酚相似的情況。即共軛與誘導(dǎo)效應(yīng)方向相反。但不同的是，在氯苯中，︱+C︱＜︱-I︱，總的結(jié)果是苯環(huán)上電子云密度降低。因此，氯苯比苯難進(jìn)行親電取代反應(yīng)。如氯苯硝化比苯慢33倍。但由于共軛效應(yīng)使苯環(huán)的鄰、對(duì)位電子云密度增加，所以總的結(jié)果使苯環(huán)鄰、對(duì)位電子云密度下降的較少。親電試劑主要進(jìn)攻電子云密度較高的鄰、對(duì)位。所以，氯苯是鈍化芳環(huán)，鄰、對(duì)位定位基。與氯苯相似的還有氟苯、溴苯、碘苯。2.間位定位基對(duì)苯環(huán)的影響以硝基苯為例：由于N、O的電負(fù)性大于碳，誘導(dǎo)效應(yīng)使芳環(huán)上電子云密度降低，用“－I”表示。從共軛效應(yīng)看，硝基有一個(gè)鍵，當(dāng)它與苯環(huán)相連時(shí)，就與苯環(huán)的大鍵發(fā)生－共軛，形成大共軛體系。在這個(gè)大共軛體系中，由于氧的電負(fù)性較大，使共軛體系中電子云向氧一邊偏移，表現(xiàn)為吸電子性。用“－C”表示。總的結(jié)果是：誘導(dǎo)和共軛方向一致，都使苯環(huán)電子云密度降低。親電取代比苯更難。與硝基苯相似的還有苯磺酸、苯甲酸、苯甲腈等。四、二取代苯的定位規(guī)律

當(dāng)苯環(huán)上已有兩個(gè)取代基時(shí)，第三個(gè)取代基的位置由原來(lái)兩個(gè)取代基共同決定。根據(jù)定位是否一致，又分為兩種情況:1.兩個(gè)取代基定位效應(yīng)一致，進(jìn)入共同決定的位置。2.兩個(gè)取代基定位效應(yīng)不一致時(shí)，又分為兩種情況：(1)兩個(gè)取代基屬于同類第三個(gè)取代基進(jìn)入的位置主要由定位能力強(qiáng)的決定。(2)兩個(gè)定位基不同類，鄰、對(duì)位定位基定位能力強(qiáng)于間位定位基。五、空間效應(yīng)

空間效應(yīng)：又稱空間阻礙效應(yīng)或空間位阻效應(yīng)。是分子中原有基團(tuán)對(duì)新引入基團(tuán)產(chǎn)生的一種空間阻礙作用。例如：六、定位規(guī)律在有機(jī)合成中的應(yīng)用例1在合成之前，先要考慮幾個(gè)問(wèn)題：(1)要考慮定位規(guī)律和空間效應(yīng)。(2)要考慮引入三個(gè)基團(tuán)的先后順序。(3)要考慮反應(yīng)的難易，產(chǎn)率的高低。一般是先引入供電子基和大基團(tuán)。例2例3A）直接硝化B）磺化、硝化、脫磺酸基例4

用甲苯為原料，合成鄰硝基甲苯課堂習(xí)題⒈參考答案：2.由苯和不超過(guò)三個(gè)碳原子的脂肪族化合物為原料合成鄰溴芐溴：參考答案：七、鄰位和對(duì)位定向比

按照反應(yīng)幾率，應(yīng)為2：1，但實(shí)際并非如此，其影響因素如下：1、親電試劑的活性越高，選擇性越低：2、空間效應(yīng)越大，對(duì)位產(chǎn)物越多：3、極化效應(yīng)例如，鹵苯進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)：X具有－I效應(yīng)，使鄰位的電子云密度降低。FClBrI電負(fù)性依次降低－I效應(yīng)依次減小電子云密度降低的位置是不利于E+進(jìn)攻的。4、螯合效應(yīng)：能夠發(fā)生螯合效應(yīng)的條件：1〕雜原子能與試劑結(jié)合；2）所形成環(huán)為五員環(huán)或六員環(huán)。八.取代基效應(yīng)的定量關(guān)系分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)活性之間存在一定的定量關(guān)系1、分速度因數(shù)與選擇性從定量關(guān)系上考慮鄰、對(duì)、間位取代難易程度分速度因數(shù)(f)=k取代/yk苯/6

是一取代苯進(jìn)行再取代時(shí)，在其一個(gè)位置上進(jìn)行取代的速度與苯的一個(gè)位置上進(jìn)行取代的速度之比?！?/p>

z產(chǎn)物的百分比y－位置的數(shù)目

為了計(jì)算分速度因數(shù)，需要測(cè)定一取代苯進(jìn)行再取代時(shí)的總速率常數(shù)，和測(cè)定苯在同樣條件下進(jìn)行取代時(shí)的總速率常數(shù)。方法是將一取代苯和苯的等摩爾混合物，在同一均相溶液中與一個(gè)不足以完全單一取代其中之一的親電試劑反應(yīng)。因?yàn)橛H電試劑的量是不足的，所以產(chǎn)量的比例反映了各母體的比較反應(yīng)速度。

當(dāng)f>1時(shí)，該位置的活潑性比苯大,否則比苯小。例如：在硝酸與乙酸酐的體系中，甲苯的硝化速度是苯進(jìn)行硝化反應(yīng)的23倍（設(shè)苯的硝化速度為1）

取代產(chǎn)物的百分比為：

鄰對(duì)間63％34％3％氯苯和苯甲醚進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)，分速度因數(shù)分別為：氯苯的三個(gè)分速度因數(shù)均小于1，鹵素是致鈍基團(tuán)，且fm

<<fp,E+進(jìn)入間位的可能性很小。苯甲醚：fp≈fo>>fm-OCH3對(duì)于鄰、對(duì)位具有＋C,-I效應(yīng)，＋C>-I

對(duì)于間位，只有-I，而無(wú)＋C效應(yīng)。2.Hammett方程也是表示分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)活性之間的定量關(guān)系式之一。通過(guò)測(cè)定苯甲酸和間對(duì)位取代苯甲酸在水溶液中分別測(cè)定它們的電離常數(shù)，來(lái)考察取代基對(duì)于酸性的影響，可以判斷出該取代基的總的電子效應(yīng)。6.2芳環(huán)上親核取代反應(yīng)不易被取代一、加成－消除機(jī)理

鄰對(duì)位上的吸電基（-NO2、-CN、-COCH3、-CF3

等）穩(wěn)定碳負(fù)離子中間體，使反應(yīng)加速。NU-=-OH-NH2-OR-NHC6H5

NU-(