第四章_芳环上的取代反应解析
高等有机化学-4芳香性与亲电取代
Part 1 芳香性
• 1．芳香性的定义：
• 早期的定义是考虑动力学稳定性，取代反应比 加成反应更容易发生；后来的定义则依靠热力 学的稳定性，以共轭能的大小来量度；最近的 定义提倡用光谱及磁的标准，磁有向性在平面 л电子体系中能受感应，并可用质子磁共振光 谱中位移到较低的场来鉴定或借反磁性的灵敏 度上升的测定。
• 正离子这种越过一个碳原子的同芳香性叫单 同芳香体系，越过二个或三个饱和碳原子的 则分别叫双同或三同芳香体系。
• 含有两个或十个电子的同芳香性化合物为已 知的。
•
H H
H
OTs
• 三同环丙基正离子是首先由顺-双环[3，1， 0]己-3-对甲苯磺酸酯的溶剂化性质的分 析提出的假说。
(I)
H
H
(II)
HC HC
C
H
H C
CH C
H
H C
HC C
H
H C
CH C
H
芳环上离域的π电子的作用，易于发生 亲电取代反应，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。
一. 亲电取代反应
（一） 加成－消除机理
HE
E
E+Nu-
σ－络合物 芳正离子
HNO3 H2SO4
NO2
2H2SO4 HNO3
NO2+
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)
43.5
fm
(6) (2)
×
(23) (1)
芳环上的取代反应解析PPT教案
H3CO OC2H5
OC2H5
O2N
NO2 KOC2H5 O2N
NO2 OCH3 O2N
NO2
NO2
NO2
NO2
2. SB1 反应
N+ N
+
N2
+
H2O 快
OH2+ OH
-H+
第25页/共35页
NH2
N2+Cl-
I
NaNO2
KI
HCl
3. 消除－加成反应机理 (苯炔机理)
Br OCH3
NaNH2 OCH3
-
+NH3
第28页/共35页
Z H
优先消去酸性强的质子
X H
Z H
X H
Z
Z
I优先 I优先
第29页/共35页
OCH3 NaNH2 Br
OCH3 NH3
OCH3
+
NH3
OCH3 NH2
第30页/共35页
底物不同，ρ不同； 反应条件不同， ρ不同。
ρ只与反应性质相关， 称为反应常数。
ρ 表示了取代基对反应
σx
速率的影响。
第20页/共35页
σ>0, 取代基为吸电子基团； σ< 0, 取代基为供电子基团。
当ρ > 0时， 吸电子基团加速反应； 当ρ <0时，供电子基团加速反应； 当ρ= 0时，取代基对反应影响不大。
苯甲醚：
fp ≈ fo >> fm
-OCH3 对邻、对位具有＋C, ＋I效应，＋C > ＋I 对间位，只有＋I, 而无＋C效应。
第19页/共35页
2〕Hammett 方程
芳环的取代反应
芳环上的取代反应：（1）亲电取代反应（2）亲核取代反应 一、芳环的亲电取代反应 A 、芳环上的亲电取代历程：芳香族与亲电试剂作用时，亲电试剂先与离域的π电子结合，生成π络合物，接着亲电试剂从苯环的π体系中得到两个π电子与苯环的一个碳原子形成σ键，生成σ络合物。
此时这个碳原子由sp2杂化变成sp3杂化，苯环中的六个碳原子形成的闭合共轭体系被破环，变成四个π电子离域在五个碳原子上。
根据共轭共振论的观点，σ络合物是三个碳正离子共振结构的共振杂化体，其能量比苯环高，不稳定。
它很容易从sp3杂化碳原子上失去一个质子，碳原子由sp3杂化变成sp2杂化，再形成六个π电子离域的闭合共轭体系——苯环，从而降低了苯环的能量，产物比较稳定，生成取代苯。
1、亲电试剂的产生HNO 3＋2H 2SO4NO 2+＋H 3O +＋2HSO 4-亲电试剂2、π－络合物的形成＋NO 2π－络合物23、σ－络合物的形成NO 2+HNO2σ－络合物硝基所在碳为sp 3杂化 4、消去－H ++NO 2H NO 2快B 、苯环上亲电取代反应的定位规律：从反应速度和取代基进入的位置进行考虑1、 第一类定位基(邻，对位定位基)：（除卤素外，卤素对芳环有致钝作用）具有+I 或是＋C 效应，其作用是增大芳环的电子云密度。
致活基NH 2NHR2OHORNHCROPhR致钝基F Cl BrI2、 第二类定位基（间位定位基）：具有－I 或－C 效应，使芳环上的电子云密度降低，均为致钝基NO 2NR 3COOHCOORSO 3HCNCHOCROCCl 3C 、影响亲电取代的因素：（1）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－间位定位基共振式越多， 正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。
（2） 动力学控制与热力学控制： α位取代－动力学控制产物； β位取代－热力学控制产物。
（3） 邻位和对位定向比：a 亲电试剂的活性越高，选择性越低。
《芳环上取代反应》课件
方法
一般使用过金属碱金属或碳酸氢盐等化合物做 反应剂
实例
左旋肉碱的制备、一些农药的制备、合成化学 品等
特殊芳环上的取代反应
1
定义
特殊的芳环上取代反应
2
应用
用于制备特殊的有机化学品
3
实例
丝光绿的制备、环境保护化学品、精细化学品等
反应机理介绍
介绍一下阐述反应机理的重要性以及这些反应的一般过程和反应条件，让听 众对这些反应的工作原理有一个更好的理解。
知识点小结
总结本次课程的重点内容和要点，帮助听众复习和总结。
参考文献
列出本次课程的参考文献和相关文献，以方便学习和进一步研究。
问答环节
为听众提供一个互动的环节，回答他们可能遇到的问题，更好地帮助他们掌 握本次课程的内容。
《芳环上取代反应》PPT 课件
本课程将介绍芳环上的取代反应。我们将深入剖析反应机理和参数影响因素， 同时还将分享实验设计和反应应用案例。让我们一起探索芳香化合物的神奇 世界吧！
芳环介绍
1
定义
芳香化合物是基质中一种含有代表性具有芳香性的环
2
基本结构
分子中包括一个带有独立 pi 电子对的环和 pi 电子对的挂接基团
反应参数影响因素
介绍反应条件对反应速率和产物选择性的影响，以及如何优化反应条件。
化学反应实验设计
介绍有机合成实验设计的基本要求和注意事项，以及常见的一些反应实验操 作和技巧，让听众对化学反应实验设计有一个更深入的了解。
反应应用案例
分享一些特殊的反应示例，以及如何将这些反应应用于药物、农药、染料、 香精香料等领域。
2
应用
用于合成药物中间体、染料等有机物
3
4取代反应历程
有机反应历程（四）4．芳环上的取代反应（1）亲电取代反应芳环为大π体系，电子云密度丰富，极易进行亲电取代反应。
反应历程是：①亲电试剂E+可取代有致钝基团的芳环；中等亲电试剂：R3C+，RCH2X—FeX3，RC≡O+，团的芳环；度致活的芳环。
②苯环上两类定位基邻对位定位基（第一类）发生反应；外，都能发生反应；弱活化：－CH3，－R，－Ar，－CH=CH2；弱钝化：－F、－Cl、－Br、－I。
结构特点：与苯环直接相连的原子上有负电荷或未共享电子对，能向苯环供电共轭或超共轭。
间位定位基（第二类）强致钝基团：－+NR3，－NO2，－CF3，－CCl3，－CN，一般只在间位取代，只有强亲电试剂能与之反应：结构特点：与苯环直接相连的原子上有正电荷，吸电子基或重键（有吸电子性的），能使苯环电子云密度减弱。
CH3、CH2Cl、CHCl2是邻对位定位基，CCl3是间位定位基。
有二个取代基的定位效应主要由较强的定位基决定。
【例1】芳香族化合物氯苯（Ⅰ）、硝基苯（Ⅱ）、N，N-二甲苯胺（Ⅲ）、苯甲醚（Ⅳ）等进行硝化时，其反应速度的快慢顺序如何？A．Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ＞ⅣB．Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞ⅡC．Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞ⅠD．Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ解：B。
【例2】某溴苯与Br2＋FeBr3反应只得到一种三溴苯产物，该溴苯应为：解：C。
因-Br是邻对位定位基，所以，A．和B．都有两种三溴苯产物，而D．有3种三溴苯产物。
（2）亲核取代反应在特殊结构或特殊条件下产生。
①加成—消除历程芳环上有吸电子基使之活化，以-NO2最强，如OH-、CN-、-OR、胺等。
生成碳负离子络合物中间体叫Meisenheimer络合物。
例如，已被核磁和X射线所证实。
【例3】2，4-二硝基氯苯和氨发生反应生成2，4-二硝基苯胺的反应历程是什么？A．亲电取代反应B．双分子消除—加成反应C．双分子加成—消除反应D．单分子亲核取代反应答：C．②苯炔历程（消除—加成历程）发生于试剂碱性很强时。
芳环的亲电取代亲核取代反应芳环取代基的反应
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
4. 定位效应与定位规律的分析与解释 从实验事实提出的问题：
—— 为什么致活基都是邻对位取代基？ —— 为什么大多数致钝基都是间位定位基？ —— 为什么卤素既是弱的致钝基，又是邻对位定位基？
以下从三个方面进行分析讨论： —— 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响 —— 苯环上电子云密度分布的理论计算结果 —— 反应中活泼中间体的结构与稳定性
CH3和烷基：弱致活基，邻对位定位基。
ortho-
CH 3 E H
CH 3 E H
CH 3 E H
parameta-
particularly stable CH 3
SO3
2 中等强度亲电试剂，能取代致活、不能取代致钝 的芳环：
—— R+ (obtained by R-Cl + AlCl3)
—— RC+=O (obtained by RCOCl + AlCl3)
———R2C=O+H(obtained by R2C=O + H+)
3 弱亲电试剂，只能取代高活化的芳环：
一、芳环的亲电取代反应及机制
(1) Halogenation
一、芳环的亲电取代反应及机制
(1) Halogenation
一、芳环的亲电取代反应及机制
(2) Nitration
一、芳环的亲电取代反应及机制
(3) Sulfonation —— reversible reaction
磺化反应是可逆的，存在动力学和热力学控制的竞争
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
1. Experimental Facts:
CH 3 HNO 3
CH 3 NO 2
有机化学课件(邢其毅)-第04章
4 芳烃
4.3.2 芳烃的光谱特征 4.3.2.1 红外光谱
4.3 芳烃的物理性质
芳烃主要有三个特征吸收区域。在1600和1500 cm-1出现2个共轭双键伸缩振动吸收；在 3100~3000cm-1 出现苯环上 C―H 键伸缩振动吸收； 950~650cm-1 出现苯环上的 C―H 键面 外弯曲振动吸收。，苯环上的C―H键面外弯曲振动吸收峰的位置和个数与苯环上的氢被 取代位置和个数有关，而与取代基的类型无关，能被利用有效地确定苯环的取代类型， 区别各种位置异构体。 芳香族化合物δ外=CH频率与取代基位置的关系 取代类型 苯 单取代 1,2-二取代 1,3-二取代 1,4-取代 1,2,3-三取代 δ外=CH频率(cm-1 )(强度) 670(s) 770~730(s) 770~735(s) 810~750(s) 900~860(m) 800~770(s) 860~800(s)
芳环的吸收带
化合物 E1吸收带 λmax/nm εmax 苯 萘 180 47000 220 100000 E2吸收带 λmax/nm ε max 204 7900 275 5700 B吸收带 λmax/nm εmax 230 312 200 250
菲
蒽 苯并[ a]蒽 *B吸收带被掩盖
252 50000
4 芳烃
4.3.2 芳烃的光谱特征
4.3 芳烃的物理性质
4.3.2.2 质子核磁共振谱
Ha Hb
[18]-轮烯是芳香性分子，在1HNMR上环内的4个氢Hb 的化学位移值均为 -0.6ppm ，而环外的 10 个氢 Ha 的化学 位移值为7.6ppm。
NH N
N HN
卟吩环是自然界存在的重要芳香环结构。在1HNMR上环内 的4个吡咯氢的化学位移值均为-2.8ppm ，而环外的12个氢 Ha的化学位移值在7.0-8.2ppm之间。
第四章_芳环上的取代反应解析
硝化反应历程
H2SO4 + HONO2 H2O+ NO2
H2O + H2SO4
2H2SO4 HNO3
H2O+ NO2 + HSO-4 SlowNO2+ + H2O
H3O+ + HSO4-
H3O+
2HSO4-
NO
+ 2
NO2+
NO2 H
NO2 + H+
芳正离子中间体
NO2+是有效的亲电试剂，硫酸 在反应中不是脱水剂。
O S OO
O S OO
O H
SO
O
SO3+ H+
SO3H
4、Friedel－Crafts反应
A）烷基化
＋ C2H5Br 无水AlCl3
C2H5 + HBr
•催化剂 Lewis酸： •FeCl3、SnCl4、 •ZnCl2 、 HF、H2SO4 •H3PO4、BF3
烷基化历程
CH3CH2Cl + AlCl3
5）螯合效应：当环上的取代基与亲电试剂发 生配位时，通常发生邻位取代。
H2 H2C C O CH3
HNO3 / H2SO4 N2O5
H2 H2C C O CH3
NO2 +
H2 H2C C O CH3
32%
NO 2 59%
H2 H2C C O CH3
NO2 +
69%
H2 H2C C O CH3
?
NO 2 28%
苯甲醚： fp ≈ fo >> fm
-OCH3 对邻、对位具有＋C, ＋I效应，＋C > ＋I 对间位，只有＋I, 而无＋C效应。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
O
CR
COR
H
+ H+
Clemmensen Reduction
AlCl3 + CH3CH2COCl 80 C
COCH2CH3
Zn-Hg/HCl Clemmensen还原
CH2CH2CH3
提供了一个制备正烷基苯的 好方法。
（二） 亲电取代反应的特性与相对活性
1、苯环的亲电取代定位规则
Z
E邻
Z + E+
硝化反应历程
H2SO4 + HONO2 H2O+ NO2
H2O + H2SO4
2H2SO4 HNO3
H2O+ NO2 + HSO-4 SlowNO2+ + H2O
H3O+ + HSO4-
H3O+
2HSO4-
NO
+ 2
NO2+
NO2 H
NO2 + H+
芳正离子中间体
NO2+是有效的亲电试剂，硫酸 在反应中不是脱水剂。
O S OO
O S OO
O H
SO
O
SO3+ H+
SO3H
4、Friedel－Crafts反应
A）烷基化
＋ C2H5Br 无水AlCl3
C2H5 + HBr
•催化剂 Lewis酸： •FeCl3、SnCl4、 •ZnCl2 、 HF、H2SO4 •H3PO4、BF3
烷基化历程
CH3CH2Cl + AlCl3
E H
Cl H E
Cl
EH Cl
E H
Cl H E
Cl
EH Cl
E H
Cl H E
Cl
EH
m
Cl
位
能
o
p
Cl
H NO2 Cl H NO2
Cl
反应进程
HE
图示：氯苯硝化形成邻、间、对中间体碳正离子 的相对能量关系
E
位
E1
能ห้องสมุดไป่ตู้
+ E+
H
E+
E + H+
反应进程
1、硝化反应
NO2
H2SO4 + HONO2 55－60 。C
+ H2O
NO2
硝基苯
发烟HNO3, 浓硫酸
NO2
95。C
间二硝基苯
CH3
+ HNO3
H2SO4 30。C
CH3
O2N
NO2
CH3
CH3
NO2
+
NO2
NO2 TNT
硫酸起何作 用？亲电试 剂是什么？
+
_
CH3CH2 AlCl4
+
_
+ CH3CH2 AlCl4
CH2CH3
+
H
-
CH2CH3 + H+
重排(如何制得正烷基苯？)
+ CH3CH2CH2Cl AlCl3 _18__80 C
CH(CH3)2 +
异丙苯 65－69％
CH2CH2CH3 正丙苯 3.5－31％
因为一级正丙基正离子重排为 更稳定的二级异丙基正离子：
O NO
2、卤代反应
催化剂：Fe粉或FeX3
X
Fe or + X2 FeX3
CH3 + X2
Fe or FeX3
+ HX
卤苯
CH3
CH3
X
+
X
卤代反应历程（以溴代为例）
Br2 + FeBr3
δ
δ
Br Br
FeBr3
溴分子在FeBr3的作用下发生极化
Br
R
Br Br FeBr R
H + Br + FeBr3
+
N(CH3)3
NO2 CN
SO3H CHO
+
COCH3
COOH COOR CONH2 NH3
❖第二类取代基具有-I， 或是-C效应，使芳环的电子 云密度降低。
大多数间位定位基在它与苯环直接相连的 原子上都是重键。
3、定位效应的理论解释 用电子效应－诱导效应和共轭效应
邻对位定位基与苯环相连时，主要存在供电 子共轭效应（＋C：p－p和－p ）；间位定 位基与苯环相连时，主要存在吸电子共轭效 应（－C： p－p共轭）。
CH3CHCH2 重排 CH3CHCH3
H
正丙基正离子
异丙基正离子
B). 酰基化
O + RCCl AlCl3
OO
(or RCOCR)
O CR
烷基苯基酮
+ HCl ( RCOOH)
酰基化反应不会发生重排
酰基化历程
O RCCl + AlCl3
O RC AlCl4
O + RC AlCl4
O CR H + AlCl4
定位基 类型
>1
致活基
邻对位定位基
<1
钝化基 间位定位基
Y
（1）邻对位定位基 —第一类取代基
a). 邻对位－致活定位基
❖引导亲电试剂进入定位基的邻位和对位；亲电取 代速度与苯相比加快。
❖第一类取代基 （除卤素外）具有+I， 或是＋C效应， 其作用是增大芳环的电子云密度。
O－、NH2(NHR、NR2)、OH、NHCOR、 OCOR、R
中间体的稳定性－共振论
共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。
练习
CH CH2
CH CH2 H
邻对位
E
CH CH2 H E
CH CH2 H E
CH CH2 H E
+E
间位
CH CH2 CH CH2
H
H
E
E
CH CH2
H E
Cl
进攻邻位
Cl H E
Cl
Cl
+ E+
进攻对位
进攻间位
EH Cl
第四章 芳环上的取代反应
亲电取代反应 亲核取代反应 自由基取代反应
HC HC
C
H
H C
CH C
H
芳环上离域的π电子的作用，易于发生亲电取代反 应，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。
一、芳环亲电取代反应
(一)芳环亲电取代反应历程
加成－消除机理
HE
E+Nu- fast
E+ slow
Z
对
E Z
间 E
定位基：苯环上原有取代基能指定新导入基团的位置， 则原有取代基成为定位基。这种效应叫定位基效应。
Z
2、定位基分类
Z= OH CH3 Cl NO2 CN
硝 o (%) 40 56 30 6
17
化
产 p(%) 60 40 70 <1
2
物 m (%) <1 4 <1 >93
81
速度 kC6H5Z/C6H6
生成芳正离子
Br
Br
R
HR
+H
脱去质子
3. 磺化反应
SO3H
H2SO4, SO3 , 30－50 。C
180 。C
苯磺酸
＋ H2O
CH3 + H2SO4
CH3 CH3
SO3H
+
0。C
43%
100 。C 13％
SO3H
53% 79％
特点：1）可逆反应； 2）磺酸基可被硝基、卤素取代
磺化反应历程
O S OO
HE
p-络合物
E
σ-络合物芳正离子
fast
芳正离子生成的一
+ H+ 步是决定反应速率
的一步
实验已经证实芳正离子的存在：
H3C
CH3 C2H5F/BF3
-80℃
CH3
H C2H5
H3C
CH3 BF4-
CH3 m. p: -15℃
苯环亲电取代反应进程－位能变化曲线图
过渡态2 过渡态3
过渡态1
E2
E3
大多数邻对位定位基在它与苯环直接相连的 原子上都是单键。
b). 邻对位－致钝定位基
➢ 这类基团是指卤素，如F，Cl、Br。
Y
➢ 存在-I效应和+C效应，但-I效应> +C效应，使苯环上电子云密度降低， 因此为致钝定位基。
2） 间位定位基—第二类取代基
引导亲电试剂进入定位基的间位；亲电取代 速度与苯相比减慢，都是致钝定位基。