芳香族化合物的取代反應(yīng)

第九章芳香族化合物的取代反應(yīng)芳環(huán)上離域的π電子的作用，易于發(fā)生親電取代反應(yīng)，只有當(dāng)芳環(huán)上引入了強(qiáng)吸電子基團(tuán)，才能發(fā)生親核取代反應(yīng)。(一)反應(yīng)歷程：一、芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)1.芳烴正離子歷程親電試劑進(jìn)攻芳環(huán)，生成σ-絡(luò)合物，然后離去基團(tuán)(H)以正離子形式離去。如果進(jìn)攻試劑是偶極分子，產(chǎn)物必然帶負(fù)電荷，然后偶極子的一部分?jǐn)y帶電子對(duì)斷鍵離去，決定反應(yīng)速度的步驟中涉及兩種分子，又稱SE2反應(yīng)。鹵代反應(yīng)：溴分子在FeBr3的作用下發(fā)生極化

生成芳正離子脫去質(zhì)子第一步形成一個(gè)芳烴負(fù)離子；第二步結(jié)合一個(gè)正離子完成反應(yīng)。2.SE1歷程重點(diǎn)證明SE2歷程：(a)中間體的離析與鑒定

(b)同位素效應(yīng)1.芳烴正離子歷程的中間體---σ-絡(luò)合物(二)反應(yīng)歷程的證明研究：σ絡(luò)合物又稱為Wheland絡(luò)合物或芳基正離子。有的σ絡(luò)合物可以分離鑒定。有的σ絡(luò)合物可以用NMR檢測(cè)出來(lái)。苯在超強(qiáng)酸(HF-SbF5-SO2ClF-SO2F2)中，-134oC下生成的σ絡(luò)合物的13CNMR的化學(xué)位移為：C(3):178.1;C(1),C(5):186.6;C(2),C(4):136.9;C(6):52.2。電荷分布：碳1、3、5均帶有+1/3電荷。說(shuō)明正電荷主要分布在1，3，5位碳原子上(這種絡(luò)合物的酸性很強(qiáng)，pKa<-10).在某些特別的反應(yīng)中由反應(yīng)產(chǎn)物可以推測(cè)σ絡(luò)合物的存在。例如，在下列反應(yīng)中生成的螺環(huán)化合物可能是由σ絡(luò)合物起分子內(nèi)反應(yīng)生成的π絡(luò)合物

生成π絡(luò)合物，性質(zhì)不同于σ絡(luò)合物。例如，苯與HCl生成的π絡(luò)合物沒(méi)有顏色，也不導(dǎo)電，苯與DCl生成的π絡(luò)合物分解后，回收的苯不含氘；而苯與HCl和AlCl3生成的σ絡(luò)合物有顏色，導(dǎo)電，苯與DCl和AlCl3生成的σ絡(luò)合物分解后回收的苯中含有氘。有人提出：芳環(huán)的親電取代反應(yīng)先生成π絡(luò)合物(實(shí)際上是電子給予體與電子接受體之間生成的結(jié)合微弱的傳荷絡(luò)合物)，再變成σ絡(luò)合物，最后得到取代產(chǎn)物。反應(yīng)進(jìn)程E2.同位素效應(yīng)當(dāng)一個(gè)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，在決定反應(yīng)速率的步驟中發(fā)生了反應(yīng)物分子的同位素鍵的斷裂，將顯示初級(jí)動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)。最常見(jiàn)的是，反應(yīng)物分子中的氫被氘取代后，反應(yīng)時(shí)有速率上的不同，這種變化稱為氘同位素效應(yīng)，用kH/kD表示。例如下列反應(yīng)有動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)，說(shuō)明質(zhì)子是在決速步的失去的：芳環(huán)親電取代反應(yīng)中，如果氫離子在親電試劑到達(dá)前離開(kāi)，或氫離子的離開(kāi)和親電試劑的到達(dá)同時(shí)發(fā)生，就會(huì)有同位素效應(yīng)（氘代底物的取代反應(yīng)比非氘代底物慢）。因?yàn)樵谏鲜龅拿糠N情況下，C-H鍵都在決速步驟中斷裂。在芳基正離子機(jī)理中，C-H鍵的斷裂不在決速步驟發(fā)生，無(wú)同位素效應(yīng)；在芳環(huán)硝化反應(yīng)中證實(shí)無(wú)同位素效應(yīng)。容易觀察到較小的同位素效應(yīng)(kH/kD

=

1-3，而非正常的6-7)：第一步具有可逆性及由此引起的分配效應(yīng)所產(chǎn)生的。若k2>>k-1,無(wú)同位素效應(yīng)若k2<或=k-1，第二步C-H鍵斷裂對(duì)反應(yīng)速度有較大影響，用D換H后，ArDY+的k2比ArHY+的k2小，但第一步的k-1相同，更多中間體ArDY+被轉(zhuǎn)化為底物，即ArDY+的分配因素(k2/k-1)比ArHY+的小，導(dǎo)致ArD的反應(yīng)比ArH慢，就會(huì)觀察到同位素效應(yīng)。在2,4,6-三叔丁基苯的溴化反應(yīng)中，kH/kD=3.6，這是由于在σ絡(luò)合物中Br和H分別位于環(huán)平面的前后，失去H+變成產(chǎn)物時(shí)，迫使體積大的溴原子擠在兩個(gè)鄰位叔丁基之間，位阻使k2變小，成為決定反應(yīng)速率的步驟：6與重氮鹽的偶聯(lián)無(wú)同位素效應(yīng)，8的偶聯(lián)反應(yīng)kH/kD

=

6.95由于空間位阻原因，9比7難以失去質(zhì)子，k2變小證明SE1歷程：(a)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為一級(jí)反應(yīng)

(b)苯環(huán)上吸電子取代基提高反應(yīng)速度給電子取代基降低反應(yīng)速度(三)典型的親電取代反應(yīng)1付瑞德-克拉夫茨(C.Friede-J.M.Crafts)反應(yīng)

(1)付-克烷基化反應(yīng)在路易斯酸作用下,芳烴與鹵代烴、醇、烯烴等反應(yīng)生成烷基苯,稱為烷基化反應(yīng)。鹵代烴、醇、烯烴等稱為烷基化試劑。特點(diǎn)：1°常用的催化劑是無(wú)水AlCl3，此外FeCl3、BF3、無(wú)水HF、SnCl4、ZnCl2、H3PO4、H2SO4等都有催化作用。2°當(dāng)引入的烷基為三個(gè)碳以上時(shí)，引入的烷基會(huì)發(fā)生碳鏈異構(gòu)現(xiàn)象。3°烷基化反應(yīng)不易停留在一元階段，通常在反應(yīng)中有多烷基苯生成。4°烷基化反應(yīng)是可逆的，在適當(dāng)條件下可分別得到速度控制或平衡控制產(chǎn)物。低溫下主要為速度控制產(chǎn)物高溫下(或過(guò)量催化劑下)主要為平衡控制產(chǎn)物5°苯環(huán)上有–NO2、-SO3H、-COOH、-COR等間位取代基時(shí)，烷基化反應(yīng)不再發(fā)生。例如，硝基苯就不能起付-克反應(yīng)，且可用硝基苯作溶劑來(lái)進(jìn)行烷基化反應(yīng)。6°凡苯環(huán)上含有OH，OR，-NH2等基團(tuán)通常不起反應(yīng)。原因之一可能是由于堿性的氨基和作為催化劑的路易斯酸結(jié)合，使之無(wú)法發(fā)揮催化劑的作用。而且所生成的基團(tuán)使苯環(huán)變得不活潑。7°烷基化反應(yīng)也可在分子內(nèi)進(jìn)行，生成環(huán)狀化合物。(2)付-克?；磻?yīng)芳烴在路易斯酸催化作用下與酰鹵、酸酐等反應(yīng),生成芳酮。催化劑的作用是形成酰基碳正離子。特點(diǎn)：

（1）酰基化反應(yīng)不發(fā)生?；悩?gòu)現(xiàn)象。

（2）?；磻?yīng)不能生成多元?；〈a(chǎn)物。

（3）?；a(chǎn)物含有羰基，能與路易斯酸絡(luò)合，消耗催化劑，催化劑用量一般至少是?；噭┑亩?。

（4）苯環(huán)上有強(qiáng)吸電子基，不發(fā)生酰基化反應(yīng)?；磻?yīng)也是可逆的，在適當(dāng)條件下可分別得到速度控制或平衡控制產(chǎn)物。酰化反應(yīng)也可在分子內(nèi)進(jìn)行。若反應(yīng)物為羧酸時(shí)，采用的催化劑為聚磷酸(PPA)。與酰化反應(yīng)有關(guān)的重要反應(yīng)：(1)加特曼-科赫反應(yīng)

芳環(huán)上有強(qiáng)吸電子基，不能發(fā)生反應(yīng)。1897年GattermannL和KochJC用AlCl3和Cu2Cl2作催化劑，將CO和HCl氣體通入反應(yīng)混合物中，得到了芳醛。CH3+CH3++COHClCH3少量

AlCl3CHOCHO(2)加特曼反應(yīng)

1907年Gattermann用HCN(甲酸的酰胺)作?；瘎贏lCl3和HCl催化下使芳烴?；?，也得到芳醛，但產(chǎn)率不高。HCN有劇毒，使用不便，后來(lái)改用Zn(CN)2和HCl代替，用于酚和酚醚的甲?；玫搅溯^高的產(chǎn)率。(3)霍施反應(yīng)

1915年HoeschK將Gattermann反應(yīng)推廣，用腈代替HCN來(lái)制備芳基酮。但一般用多元酚為原料：與HCN反應(yīng)生產(chǎn)醛與腈反應(yīng)生成酮(4)瑞默爾-蒂曼反應(yīng)

酚與氯仿在堿性溶液中加熱在芳環(huán)上引入醛基的反應(yīng)。含有羥基的喹啉、吡咯、茚等雜環(huán)化合物也能進(jìn)行此反應(yīng)

：主要為鄰位產(chǎn)物(4)維斯梅爾反應(yīng)

芳烴用二取代甲酰胺及三氯氧磷處理得到醛類(lèi)。這是目前在芳環(huán)上引入甲酰基的常用方法。N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-N-苯基甲酰胺是常用的甲?；噭?。用于酚、酚醚、芳胺等的甲酰化。2重氮鹽偶聯(lián)反應(yīng)

芳基重氮離子也是一種親電試劑，由于它的親電進(jìn)攻能力弱，只能進(jìn)攻高度活化的芳環(huán)，如酚和芳胺，反應(yīng)的歷程：重氮正離子進(jìn)攻分子中電子云密度最大的地方--對(duì)位，若對(duì)位被占據(jù)則進(jìn)攻鄰位。++:與酚的偶聯(lián)：在弱堿介質(zhì)中進(jìn)行有利。OH-

-

最佳條件是：pH=8~10。與芳胺的偶聯(lián)：在弱酸介質(zhì)中進(jìn)行有利，反應(yīng)介質(zhì)的pH=5~7為宜。偶聯(lián)反應(yīng)不能在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性介質(zhì)中進(jìn)行。在強(qiáng)酸介質(zhì)中，酚或芳胺都能被質(zhì)子化而使苯環(huán)鈍化，因而難以與弱的親電試劑反應(yīng)。重氮鹽的苯環(huán)上有吸電基，使重氮鹽正電性增加，其親電進(jìn)攻的能力也愈強(qiáng)。偶氮化合物的結(jié)構(gòu)可分為重氮部分和偶聯(lián)部分。重氮部分偶聯(lián)部分-X2

二、定位效應(yīng)和反應(yīng)活性

定位基的分類(lèi)

致活基團(tuán)和致鈍基團(tuán)（考慮對(duì)反應(yīng)活性的影響）

鄰對(duì)位定位基和間位定位基（考慮對(duì)反應(yīng)取向的影響）(一)鄰、對(duì)位定位基和間位定位基特點(diǎn)：與苯環(huán)相連的原子帶有孤對(duì)電子或負(fù)電荷1.鄰、對(duì)位定位基(1)具有+I效應(yīng)的基團(tuán)δ-δ-δ-CHHH烷基使苯環(huán)電子云密度升高，而活化苯環(huán)烷基對(duì)苯環(huán)的致活作用的大小順序?yàn)椋篊H3>CH3CH2>(CH3)2CH>(CH3)3C(2)具有+I和+C效應(yīng)的基團(tuán)烷氧負(fù)離子(3)具有-I和+C效應(yīng)的基團(tuán)+C>-I，活化苯環(huán)：OH,-OR,-NH2,-NR2

等δ-δ-δ-OR：:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+

OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+

OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+-I

>+C，鈍化苯環(huán)：X

2.間位定位基特點(diǎn)：帶有正電荷或與苯環(huán)直接相連的原子帶有雙鍵或三鍵(1)具有很強(qiáng)的-I效應(yīng)的基團(tuán)+NR3,CX3

降低苯環(huán)的電子云密度，鈍化苯環(huán)都有一個(gè)吸電子基團(tuán)與帶正電荷的碳原子直接相連,能量高,不穩(wěn)定(2)具有-I和-C效應(yīng)的基團(tuán)NO2,CN,SO3H,CHO等(二)分速度因數(shù)(f)

分速率因數(shù)(f):

取代苯進(jìn)行再取代時(shí)，在某一位置上進(jìn)行取代的速率與苯在一個(gè)位置上進(jìn)行取代的速率之比。即：以苯的六個(gè)位置之一為比較標(biāo)準(zhǔn)，衡量取代苯中某個(gè)取代位置的反應(yīng)活性的數(shù)值。分速度因數(shù)(f)=(6)(k取代)(z產(chǎn)物的百分比)y(k苯)

分速率因數(shù)有fo,fm,fp

當(dāng)f>1時(shí)，該位置的活潑性比苯大,否則比苯小。分速度因素可用競(jìng)爭(zhēng)法測(cè)定:將一取代苯和苯的等量混合物，在同一均相溶液中與不足量的親電試劑反應(yīng)，待競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)趨于完成后，得到產(chǎn)量的比值，因?yàn)樵噭┎蛔懔?，故產(chǎn)量的比例反應(yīng)了取代苯與苯的反應(yīng)速率常數(shù)比k取代苯

/k苯。再通過(guò)HPLC得到鄰、間、對(duì)位二取代產(chǎn)物的相對(duì)含量例如，將等mole的苯和甲苯與少量硝酸在乙酐溶液中,30oC下反應(yīng)，生成產(chǎn)物用色譜分析，所得硝基苯與硝基甲苯mole數(shù)之比為1:23，硝基甲苯中鄰、間、對(duì)異構(gòu)體分別占63、3和34%。分速率都大于1，說(shuō)明甲基活化了苯環(huán)的所有位置，尤其是鄰位和對(duì)位。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，說(shuō)明氯原子鈍化苯環(huán)上所有位置，尤其是間位。fp≈fo>1，fm<1

分速度因素揭示了：(1)底物選擇性：環(huán)上定位基對(duì)某親電試劑的致活程度的大小(2)位置選擇性：同一底物上鄰、間、對(duì)三種位置的相對(duì)取代速度。(三)影響鄰/對(duì)位取代產(chǎn)物比例的因素

(1)空間效應(yīng)越大，對(duì)位產(chǎn)物越多：Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12表一硝化（AcONO2,0℃)產(chǎn)物異構(gòu)體比例(2)電子效應(yīng)：XFClBrI鄰位硝化產(chǎn)物百分比12303841X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。(3)親電試劑的反應(yīng)活性

親電試劑的活潑性越高，親電取代反應(yīng)速度越快，反應(yīng)的選擇性越低。親電試劑的活潑性越低，親電取代反應(yīng)速度越低，反應(yīng)的選擇性越高。(4)螯合效應(yīng)：當(dāng)親電試劑與環(huán)上原有基團(tuán)發(fā)生相互作用如生成活性中間體或絡(luò)合物，則會(huì)使鄰位產(chǎn)物增多。能夠發(fā)生螯合效應(yīng)的條件：雜原子能與試劑結(jié)合；所形成環(huán)為五員環(huán)或六員環(huán)。(5)自位取代(Ipso取代):

在芳環(huán)上已有取代基的位置上，發(fā)生取代作用原有取代基離去的難易程度取決于其容納正電荷的能力，即生成正離子的能力。(6)溶劑效應(yīng)E+被硝基苯溶劑化，體積增大，較大的空間效應(yīng)使它進(jìn)入1位。三、芳香族親核取代反應(yīng)

芳環(huán)的電子云密度較高，很難被Nu-進(jìn)攻而直接引入OH、OR、NH2等基團(tuán)，只能通過(guò)親核置換來(lái)完成。首先在芳環(huán)上引入Cl、SO3H、N2+等吸電子取代基，使苯環(huán)上電子云密度降低，有利于親核置換的發(fā)生。在離去基團(tuán)的鄰對(duì)位有吸電子取代基存在時(shí)，對(duì)反應(yīng)有利。(一)加成－消除機(jī)理第一步進(jìn)攻試劑與底物成鍵形成中間體碳負(fù)離子，然后離去基團(tuán)離去；通常