高等有機(jī)化學(xué)第五章芳香性化合物的反應(yīng)

第五章：芳香性和芳香化合物的取代反應(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。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，其實用價值不如親電取代反應(yīng)。

一、芳香性

1．芳香性的定義：

早期的定義是考慮動力學(xué)穩(wěn)定性，取代反應(yīng)比加成反應(yīng)更容易發(fā)生；后來的定義則依靠熱力學(xué)的穩(wěn)定性，以共軛能的大小來量度；最近的定義提倡用光譜及磁的標(biāo)準(zhǔn)，磁有向性在平面л電子體系中能受感應(yīng)，并可用質(zhì)子磁共振光譜中位移到較低的場來鑒定或借反磁性的靈敏度上升的測定。另一種物理標(biāo)準(zhǔn)是整個芳香體系具有相同鍵長和共平面的特性。2．Hückel4n+2規(guī)則

Hückel從簡單分子軌道理論研究入手，提出含有4n+2個π電子的平面共軛單環(huán)化合物應(yīng)具芳香性，這就是Hückel規(guī)則。

3．芳香化合物的類型（1）

含有六個π電子體系的芳香化合物i)六員環(huán)

ii)五員環(huán)

象這種含有雜原子的芳香化合物稱為雜芳香化合物?？煞譃閮深悾阂活惱梅枷悝畜w系中的雜原子的未共享電子對；一類不利用此未共享電子對。

iii)七員環(huán)和八員環(huán)

2)含非六電子的芳香體系

i)含二個π電子的體系

ii)含十個π電子的體系

（1）[10]-輪烯

A是全順式，B是反,順,順,順,順式，C是反,順,反,順,順式都沒有芳香性；在C中由于角張力及環(huán)內(nèi)兩個氫的排斥力影響分子的穩(wěn)定性,使之不具芳香性；[10]-環(huán)共軛的不穩(wěn)定性可歸于容易熱環(huán)化為雙環(huán)體系。用一個原子代替兩個氫原子得1，6-橋-[10]-環(huán)共軛多烯，有芳香性：

iii）大于[10]-輪烯的例子

[14]-輪烯

[18]-輪烯

[22]-輪烯已被合成，具有芳香性。某些[26]-輪烯為平面的，有芳香性，而其它[26]-輪烯和[30]-輪烯是非平面的，沒有芳香性。大環(huán)難于達(dá)到充分有效的芳香化合物那樣的電子非定域。

（3）休克爾規(guī)則只涉及單環(huán)體系，有關(guān)理論可用于多環(huán)體系[只計算邊緣的平面電子]。如：前面的薁以及聯(lián)亞苯等（4）同芳香性

同芳香性是指越過一個或幾個飽和碳原子形成的穩(wěn)定的環(huán)狀共軛體系。它也服從Hückel規(guī)則，但在離域的π體系中插入了另外具有飽和中心的原子，不過其幾何構(gòu)型允許P軌道跨過這個隔離的間隙而仍然能相互重疊。即在某些環(huán)狀正離子中無正統(tǒng)的芳香體系的σ骨架，也無連續(xù)的P電子軌道排列，但當(dāng)體系由于不相鄰碳上P軌道部分重疊且具有4n+2個π電子的環(huán)狀排列時也會呈現(xiàn)出一定的芳香穩(wěn)定性。在同芳香體系中，外加原子的存在將破壞離域π體系的物理連續(xù)性卻不破壞離域體系。同芳香化合物顯示所有的芳香性，如額外的穩(wěn)定性和維持環(huán)流的本領(lǐng)。如環(huán)辛四烯溶于濃硫酸發(fā)生質(zhì)子化，生成同芳香性正離子（homotropyliumion）：同

正離子這種越過一個碳原子的同芳香性叫單同芳香體系，越過二個或三個飽和碳原子的則分別叫雙同或三同芳香體系。含有兩個或十個電子的同芳香性化合物為已知的。

三同環(huán)丙基正離子是首先由順-雙環(huán)[3，1，0]己-3-對甲苯磺酸酯的溶劑化性質(zhì)的分析提出的假說。

在(II)中雙鍵α氫的活潑性是(III)中雙鍵α氫的10倍。主要由于雙同環(huán)辛二烯負(fù)離子(I)為同芳香體系。二、親電取代反應(yīng)

1.

取代定位法則（1）取代定位法則僅預(yù)示反應(yīng)的主要產(chǎn)物：不絕對（2）

有例外：取代定位法則是一個經(jīng)驗規(guī)律，當(dāng)然有例外。如：-CCl3從結(jié)構(gòu)上看為飽和原子團(tuán)，應(yīng)為鄰對位基，實際上為間位定位基；而-CH=CH2,-CH=CH-COOH原子團(tuán)，為不飽和原子團(tuán)，應(yīng)為間位定位基，但實際上卻為鄰、對位定位基。

(3)反應(yīng)條件的影響

取代定位法則是在一般條件下歸納得到的經(jīng)驗規(guī)律，在特殊條件下不適用。

2.間位定位基

(a)

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)。(b)

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)。3.鄰對位定位基

(1)表現(xiàn)-I及+C效應(yīng)的基團(tuán)(a)+C效應(yīng)>-I效應(yīng)的基團(tuán):這類基團(tuán)包括-OR，-OH，-NR2(b)–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)，同時其未共享電子對和苯環(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。4.一個以上取代基的定位效應(yīng)

當(dāng)兩個原子團(tuán)的定位效應(yīng)相互矛盾時，則預(yù)言反應(yīng)產(chǎn)物有一定困難，仍有如下一些規(guī)則可循:(1)如果兩個原子團(tuán)的定位效應(yīng)強(qiáng)弱不同時，則定位效應(yīng)強(qiáng)的原子團(tuán)起主導(dǎo)作用?；鶊F(tuán)定位效應(yīng)的大小順序為：

NH2，OH，NR2，O->OR，OCOR，NHCOR>R，Ar>鹵素>間位定位基(2)當(dāng)兩個基團(tuán)互為間位，由于空間位阻，第三個取代基進(jìn)入兩個原有基團(tuán)間的機(jī)會非常小。

(3)當(dāng)間位定位基位于鄰、對位基的間位時，第三個取代基進(jìn)入間位定位基的鄰位而不是其對位（鄰位效應(yīng)）。

三、親核取代反應(yīng)

（一）反應(yīng)歷程芳香親核取代反應(yīng)有三種歷程：加成-消去的中間體絡(luò)合物歷程；重氮鹽被取代的SN1歷程；消去-加成的苯炔歷程。中間體絡(luò)合物歷程(有時稱為SNAr歷程)證明歷程最令人信服的事實是中間體絡(luò)合物的離析。如CH3OK和2,4,6-三硝基苯乙醚作用生成的深紫色中間體絡(luò)合物就是一個穩(wěn)定的鹽，其結(jié)構(gòu)已用核磁共振證明。吸電基團(tuán)加速這類反應(yīng)，改變離去原子團(tuán)對反應(yīng)速度不會有大的影響。當(dāng)X為Cl，Br，I，SOPh，SO2Ph或?qū)ο趸窖趸鶗r，它們彼此間的速度差別大約僅為五倍，表明C-X鍵的斷裂不是反應(yīng)速度決定步驟，同時，增加X的電負(fù)性使被作用的碳原子附近的電子云密度的降低，結(jié)果使親核試劑的進(jìn)攻加速。例如在上述反應(yīng)中當(dāng)X=I時相對反應(yīng)速度為1，當(dāng)X=F時，其相對反應(yīng)速度為3300。

2.重氮鹽SN1歷程

即使最活潑的芳香鹵化物也沒有發(fā)現(xiàn)SN1歷程，但對于芳香族重氮鹽，SN1卻是重要的反應(yīng)。

關(guān)于重氮鹽SN1歷程的證明如下：（1）反應(yīng)速度對于重氮鹽為一級反應(yīng)，和Y-的濃度無關(guān)。（2）當(dāng)加入高濃度的鹵素鹽類，則產(chǎn)物為芳基鹵化物，但反應(yīng)速度和加入鹽的濃度無關(guān)。（3）環(huán)上取代基對反應(yīng)速度的影響與單分子裂解時的反應(yīng)速度相一致。（4）第一步為可逆裂解反應(yīng)，用標(biāo)記化合物Ar15N+≡N進(jìn)行反應(yīng)時，在回收的原料中，不僅含有Ar15N+≡N，同時還含有ArN+≡N15表明是分子間反應(yīng)。后一化合物必定為氮從環(huán)上裂解后再重新連接在環(huán)上而形成的。3.苯炔歷程

取代反應(yīng)發(fā)生在沒有活化基團(tuán)的芳基鹵上，反應(yīng)通常需要很強(qiáng)的堿；進(jìn)入的基團(tuán)并不總是占據(jù)離去基團(tuán)空出的位置。

其它證明：

(1)苯炔中間體已被實驗檢出，如碘苯與NaNH2反應(yīng)時，加入1,3-環(huán)己二烯或呋喃，可生成Diels-Alder加成產(chǎn)物。此外還有質(zhì)譜檢出苯炔的報道。(2)如果芳基鹵素的兩個鄰位有取代基，此反應(yīng)不能發(fā)生。(3)在苯炔歷程中，鹵苯用KNH2的液氨溶液中進(jìn)行反應(yīng)，其活性為Br>I>Cl>>F，和SNAr歷程中的鹵素活性順序不一致。

通過苯炔歷程的親核取代反應(yīng)實例：

（二）

反應(yīng)活性

1.被作用物結(jié)構(gòu)的影響

在C6F5X中X為H，Me，CF3，Cl，Br，I，SMe和NMe2主要為對位定位作用，而NH2和O-主要為間位定位作用。

按SNAr歷程進(jìn)行的芳香親核取代反應(yīng)能被吸電子的基團(tuán)所加速，特別是這些基團(tuán)位于離去基團(tuán)的鄰位和對位時，供電子基團(tuán)使反應(yīng)減慢，正好和芳香親電取代反應(yīng)相反。苯炔中間體的反應(yīng)，兩個因素影響進(jìn)入原子團(tuán)的位置：第一個因素為形成苯炔的方向。當(dāng)已有原子團(tuán)和離去原子團(tuán)相互處于鄰位或?qū)ξ粫r，則此時無選擇問題：

當(dāng)間位存在原子團(tuán)時，則苯炔可以兩種不同方式形成：酸性強(qiáng)的氫被消除。因酸性和Z的電子效應(yīng)有關(guān)，Z為吸引電子的基團(tuán)有利于除去鄰位氫，而供電子的Z原子團(tuán)則有利于除去對位氫。第二個因素為苯炔形成后，可在兩個位置受到進(jìn)攻，親核試劑進(jìn)攻形成更穩(wěn)定碳負(fù)離子中間體的位置，這一點亦決定于Z的場效應(yīng)。對-I基團(tuán)，更穩(wěn)定的碳負(fù)離子為其負(fù)電荷靠近取代基的。

2.離去原子團(tuán)的影響

離去基團(tuán)的離去能力順序大約為：F＞NO2＞OTS＞SOPh＞Cl，Br，I＞N3＞NR3+＞OAr，OR，SR，SO2R，NH2。這個順序在很大程度上決定于親核試劑的性質(zhì)，例如，C6Cl5OCH3用NH2-處理主要得到C6Cl5NH2；即一個甲氧基優(yōu)先于五個氯而被取代

在鹵素中氟一般比其它鹵素為更好的離去原子團(tuán)，其它鹵素活性相差不大，通常順序為Cl＞Br＞I，但不總是這個順序。

離去基團(tuán)的順序與SN1或SN2歷程是十分不同的。因為SNAr歷程的第一步通常為反應(yīng)速度決定步驟，并且此步被具有強(qiáng)-I效應(yīng)的基團(tuán)所促進(jìn)，因此氟和硝基為好的離去原子團(tuán)，另一個原因認(rèn)為氟為鹵素中唯一能與親核試劑形成氫鍵的原子，當(dāng)然只有當(dāng)親核試劑含有氫時才能形成氫鍵。當(dāng)SNAr的第二步為反應(yīng)速度決定步驟時，或當(dāng)反應(yīng)按芳炔歷程