10芳香族亲电取代反应
傅克反应资料讲解
傅克反应傅-克反应傅里德-克拉夫茨反应，简称傅-克反应，是一类芳香族亲电取代反应，1877年由法国化学家查尔斯·傅里德（Friedel C）和美国化学家詹姆斯·克拉夫茨（Crafts J）共同发现。
该反应主要分为两类：烷基化反应和酰基化反应。
傅-克反应:(1)傅-克烷基化反应;(2)傅-克酰基化反应傅-克烷基化反应傅-克烷基化反应在强路易斯酸的催化下使用卤代烃对一个芳环进行烷基化。
假设使用无水氯化铁作为催化剂，在氯化铁的作用下，卤代物产生碳正离子，碳正离子进攻苯环并取代环上的氢，最后产生烷基芳香族化合物和氯化氢。
总反应式如下：傅-克烷基化机理这类反应有个严重缺点：由于烷基侧链的供电性，反应产物比起原料具有更高的亲核性，于是产物苯环上的另一个氢继续被烷基所取代，导致了过烷基化现象而形成了众多副产物。
由于这类反应是可逆的，还可能出现烷基被其他基团所取代的副产物（例如被氢取代时，也称为傅-克脱烷基化反应）；另外长时间的反应也会导致基团的移位，通常是转移至空间位阻较小、热力学稳定的间位产物。
另外如果氯不是处于三级碳原子（叔碳原子）上，还有可能发生碳正离子重排反应，而这取决于碳正离子的稳定性：即三级碳>二级碳>一级碳。
空间位阻效应可以被利用于限制烷基化的数量，比如1，4-二甲氧基苯的叔丁基化反应。
1,4-二甲氧基苯的叔丁基化烷基化的底物并不局限于卤代烃类，傅-克烷基化可以使用任何的碳正离子中间体参与反应，如一些烯烃，质子酸，路易斯酸，烯酮，环氧化合物的衍生物。
如合成1-氯-2-甲基-2-苯基丙烷就可以从苯与3-氯-2-甲基丙烯进行反应:1-氯-2-甲基-2-苯基丙烷的合成曾有研究实例表明亲电试剂还能选用由烯烃和NBS生成的溴离子。
通过烯烃的傅-克烷基化在这个反应中三氟甲磺酸钐被认为在卤离子形成中活化了NBS的供卤素能力。
傅-克去烷基化反应傅-克烷基化是一个可逆反应。
在逆向傅-克反应或者称之为傅-克去烷基化反应当中烷基可以在质子或者路易斯酸的存在下去除。
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。
亲电取代反应
亲电取代反应亲电取代反应是亲电试剂进攻化合物负电部分，取代其它基团的化学反应。
一般发生于芳香族化合物，是一种向芳香环系引入官能团的重要方法，是芳香族化合物的特性之一。
被取代的基团通常是氢原子，但其他基团被取代的情形也是存在的。
一般来说，亲电取代特指芳香亲电取代。
另一种比较少见的亲电取代反应是脂肪族的亲电取代。
中文名亲电取代反应外文名Electrophilic Substitution属性亲电取代性质反应主要反应硝化反应，卤化反应磺化反应等。
目录.1原理.2主要反应.▪硝化反应.▪卤化反应.▪磺化反应.3定位规则原理亲电取代反应主要发生在芳香体系或富电子的不饱和碳上，就本质而言均是较强亲电基团对负电子体系进攻，取代较弱亲电基团。
但对于芳香体系和脂肪体系，由于具体环境不同，其反应历程亦有所不同，现分述如下。
亲电芳香取代反应（electrophilic aromatic substitution）是芳香体系最重要的有机反应之一，常用于向芳香环系引入官能团，因此研究时间较长，在机理方面已基本达成一致。
主要反应对于亲电取代反应，其最为主要的反应类型均在芳香体系中产生，所以这里仅仅对芳香亲电取代进行一定的举例介绍。
硝化反应硝化反应苯环体系一个重要的反应，其常用于向体系引入硝基或利用硝基引入氨基等其他各种官能团，有很强的泛用性，定位选择性较好，使用最多。
由于硝基有较强氧化性，而有机体系本身又具有一定的还原性，硝基含量较多的体系就很容易成为良好的炸药材料，其中著名的TNT、苦味酸等就是通过硝化反应制备的。
Friedel(傅瑞德尔)-Crafts（克拉夫茨）反应该反应由Charles Friedel和James Crafts发现于1877年，当时采用三氯化铝等路易斯酸为催化剂，原来特指苯上的烷基化或酰基化。
但经过发展，如今泛指芳香体系中由卤代烷或酰卤为反应物在路易斯酸催化下进行的亲电取代反应。
傅克反应就反应物的不同可分为傅克-烷基化反应和傅克-酰基化反应，两者均是向芳环引入碳链的方法。
第六章芳香环上的取代反应
第六章芳香环上的取代反应芳香环上的取代反应与饱和碳原子上的取代反应相似，有亲电取代、亲核取代和自由基取代反应。
在亲电反应中进攻试剂是正离子或偶极分子中正的一端，离去基团在离去时必须失去它的电子对，它们是弱的Liews酸，最常见的离去基团是氢（以H+形式离去）。
在亲核反应中进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的原子或基团。
离去基团在离去时以最大的可能携带其键合电子。
离去后以负离O等即为弱的碱、自由基取代反应是另子或分子的形式存在，如Br-、-OTS和H2一种情况将在以后讨论。
6-1 亲电取代反应最简单的芳环是苯环，从苯的结构可知，苯的离域π轨道使苯环六个碳原子组成的平面上下集中着带负电的电子云，对苯环碳原子起着屏蔽作用，从而不利于亲核试剂的进攻，相反却有利于亲电试剂的进攻，发生亲电取代反应。
6-1-1 反应历程1．π和σ-络合物在亲电取代反应中，无论是正离子还是极性试剂中正电荷的部分进攻芳环，首先遇到的是芳环上的π电子云，因此反应的第一步可能是进攻的亲电试剂与芳环上离域的π电子相互作用。
例如硝酰正离子进攻苯环，可能是其中氮原子的空轨道与苯环的π轨道交盖，通过π电子的离域发生微弱的结合生成π-络合物。
由于是通过电荷转移形成的，也称电荷转移络合物。
在π-络合物的形成中，芳烃作为电子的给予体，试剂作为电子的接受体，它们通过电荷转移而结合，是非常松弛的，这意味着给予体和接受体两者的分轨道都未发生明显的变化，在多数情况下，它们之间的结合是很弱的（4-20KT/mol），以至络合物的组分能够迅速地发生逆反应而复原。
例如：+II2甲苯与氯化氢生成的π络合物，即使在-78℃的低温情况下两组分之间也能很快建立平衡。
CH3+Cl H CH 3ClH若作同位素试验，用氯化氘（DCl ）代替氯化氢（HCl ）在很长的时间内也未发现D 与H 的交换。
说明亲电试剂并没有与环上任何一个碳原子发生键合作用而生成离子。
即没有C-D 键生成，故可证明没有发生D 与H 的交换。
芳香族化合物的取代反应
(D)H (D)H NO2 H(D) HNO3/H2SO4 H(D) H(D) kH/kD = 1.05 (D)H (D)H NO2 H(D) NO2 H(D)
容易观察到较小的同位素效应 (kH/kD = 1-3，而非正常的6-7)： 第一步具有可逆性及由此引起 的分配效应所产生的。
:
:
:
:OMe
+
H
E
H
E :
H
E : :OMe H E
H
E
:OMe
+
:
:OMe
+
H E
H E
+
化学
-I > +C ，钝化苯环：X
Cl
Cl E H H E
B间位定位基 的定位能力次序大致为（从强到弱） 2.
-NR3， -NO2， -CF3， -CCl3， -CN， -SO3H， -CHO， -COR，-COOH， -CONH2。
反 应 进 程
化学
2. 同位素效应 当一个反应进行时，在决定反应速率的步骤中发生 了反应物分子的同位素键的断裂，将显示初级动力 学同位素效应。最常见的是，反应物分子中的氢被 氘取代后，反应时有速率上的不同，这种变化称为 氘同位素效应，用kH/kD表示。 例如下列反应有 动力学同位素效 应，说明质子是 在决速步的失去 的：
CH2CH3 H
CH3CH2 + [AlCl3Br]
CH2CH3
H+
+
HBr AlCl3
化学
特点： 1°常用的催化剂是无水AlCl3，此外 FeCl3、BF3、 无水HF、SnCl4、ZnCl2、H3PO4、H2SO4等都有催 化作用。
亲电取代反应通式
R HCl
π-络合物
• π-络合物特点
（1）芳环的芳香性未被破坏； （2）没有与芳环形成新的化学键。
两类络合物的特点
σ-络合物
R
＋HCl AlCl3
R
[ ...+... ]
HH
σ-络合物
• σ-络合物特点
（1）生成了新的σ键；
（2）芳烃的π电子体系 被破坏，形成了不稳定 的非芳香性化合物。
两类络合物的关系
芳烃与亲电试剂接触，经过π络合物， 然后形成σ络合物，即：
R ＋HCl
R
R
...... [ ] AlCl3
HCl
+
AlCl4-
H H (溶液）
π-络合物
σ-络合物
2.芳香族亲电取代反应的历程
经过σ络合物中间产物的两步历程
k1
H
第一步：Ar-H + E+
Ar+
k-1
E
H k2
第二步：Ar+
Ar-E + H+
E
并且生成σ络合物中间产物为控制步骤。
小结
芳香族亲电取代反应历程是经过σ络 合物中间产物的两步历程。并且生成 σ络合物中间产物为控制步骤。
1 芳香族两类络合物 2 芳香族亲电取代反应的历程
亲电取代反应
亲电取代反应通式
反应通式： R-H ＋ Z+
R-H ＋ Z-Y
R-Z ＋ H+ R-Z ＋ H-Y
1.芳香族两类络合物
芳烃＋亲电试剂 [络合物] 取代产物 亲电取代反应 π-络合物 σ-络合物
两类络合物的特点
π-络合物
Rห้องสมุดไป่ตู้
＋HCl
10第十章 芳香族化合物
O
H3C
CH3 + 2 CHO
CHO
O
O
2 H3C
H+
O
CHO CHO
6
1865年 提出摆动双键学说
CH3
CH3
CH3
CH3
7
4、芳香性的解释
（1）杂化轨道理论的解释：
H
H
H
H
H
H
组成苯环的六个碳分别是SP2杂化，共平面，六个P轨道垂直于
六个碳组成的平面，形成π66，其离域能为152KJ/mol，体系稳
48
COOH
Na/NH3(l), C2H5OH
COOH
CH3
CH3
Na/NH3(l), C2H5OH
环上取代基对反应的影响
49
经伯奇还原，制备，不饱和酮
OCH3
Li, NH3(L), C2H5OH
OCH3
HCl, H2O
OH
O
50
5、苯环侧链烃基的反应
（1）卤代反应
活性：α-H > β-H β-H与普通烃基上的H相似
定，能量低，不易开环(即不易发生加成、氧化反应)
8
（2）分子轨道理论的解释 苯的芳香性是由于苯存在一个封闭的共
轭体系引起的。 P448-449
9
（3）共振论对苯分子结构的解释
共振论认为苯的结构是两个或多个经典结构 的共振杂化体：
贡贡贡贡
+ + -
-
10
（4）从氢化热数据解释
环己烯 环己二烯 环己三烯 苯
CH3
Br2/ Fe
C2H5
CH3
C2H5
+
CH3
CH3 Br
10 芳香族亲电取代反应
与芳环相连的原子上含有未共用电子对的基团
• 例如： O-, NR2, NHR, NH2,OH, OR, NHCOR,OCOR, SR, 卤素； • 除了O-均为具有吸电子场效应的基团； • 但一般共振效应更重要，NR2, NHR, NH2,OH，为强活化 基团，其余为中等活化基团；
• 卤素例外，由于具有强的吸电子场效应，使苯环电子云 密度小于苯，为弱钝化基团，但同时共振式C、D对邻对 位芳基正离子的贡献很大，使邻对位离子比间位更稳定， 氟苯活性与苯类似，其他三种卤素钝化能力大致相同。
利用芳烃亲核取代反应进行蛋白质中链端 氨基酸的测定
• 此方法由Sauger，F．提出，利用氨基很容易和2，4-二硝基氟苯 （DNP）发生芳香亲核取代反应; • 一个肽N-端游离氨基和2,4-二硝基氟苯反应，然后将肽链彻底水解， 在水解物中只有一个氨基酸的α -氨基的氢被DNP取代； • 各种氨基酸的DNP标记化合物都是黄色的，并且Rf值各不相同，因 此容易鉴别；通过这个方法，可以辨认出肽的N-端是什么氨基酸。
机理
• 对于底物而言，大多以同一种机理进行，即芳基正离子 机理：第一步：亲电试剂进攻，产生带正电的中间体芳基正离子，第二步：离去基团离去。类似于亲核取代 的四面体机理； • 离去基团首先离去，亲电试剂再进攻的反应很少见，称 为SE1机理（对应SN1机理）；
• 亲核试剂进攻和离去基团离去同时发生的机理未发现 （对应SN2机理）； • 加成-消除机理存在。
3.36A
苯的溴化 低温X-ray
甲苯的溴化
低温X-ray
3.29A
3.23A
3.24A
3.20A
单取代苯环定位效应与反应性
• 定位：邻对位定位基团、间位定位基团； • 反应性：活化基团、钝化基团；
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• 亲核试剂进攻和离去基团离去同时发生的机理未发现 （对应SN2机理）；
• 加成-消除机理存在。
芳基正离子机理 （ Arenium Ion Mechanism ）
• 1或2被称为Wheland中间体、s络合物或芳基正离子； • 在苯环体系中，它们就是环己二烯正离子，芳香六隅体已不存在，
定位基团分类
• 与芳环相连的原子上含有未共用电子对的基团；
• 与芳环相连的原子上没有未共用电子对且是邻对位定位 的基团；
• 与苯环相连的原子上没有未共用电子对且具有吸电子场 效应（-I）的基团；
与芳环相连的原子上含有未共用电子对的基团
• 例如： O-, NR2, NHR, NH2,OH, OR, NHCOR,OCOR, SR, 卤素；
的速率增加， k-1不变，同位素效应减小或消失。
• M = Si、Ge、Sn、Pb；
• 亲电试剂为质子，当发生芳基正离子机理时，D3O+会导 致同位素效应，决速步骤中有D-O键断裂。
芳基正离子机理证据之中间体分离
• 在-80oC得到中间体10，固体，熔点-15oC，加热可得到 正常取代产物11；
• 亲核取代反应：离去基团是最弱的碱，最容易携带未共 享电子对的基团， Br-, H2O, OTs-等；
• 亲电取代反应：离去基团是最弱的lewis酸，即不需要 电子对填充最外层电子就可以稳定存在的基团。
机理
• 对于底物而言，大多以同一种机理进行，即芳基正离子 机理：第一步：亲电试剂进攻，产生带正电的中间体芳基正离子，第二步：离去基团离去。类似于亲核取代 的四面体机理；
与苯环相连的原子上没有未共用电子对 且具有吸电子场效应（-I）的基团
• 例如：NR3+, NO2, CF3,CN, SO3H, CHO, COR, COOH, COOR,CONH2, CCl3, and NH3+；
• 间位定位基，钝化苯环；
• NH3+为特例，对位定位能力与间位定位能力差不多。
与芳环相连的原子上没有未共用电子对 且是邻对位定位的基团
• 原因： • 若k2>>k-1,无同位素效应； • 若k2<=k-1，由于氘代底物发生第二步反应较慢，更多中
间体被转化为底物，导致ArD的反应比ArH慢，就会观察 到同位素效应。
• 位阻显著影响k2/k-1比值； • 6与重氮盐的偶联无同位素效应，8的偶联反应kH/kD = 6.95； • 由于空间位阻原因，9比7难以失去质子（不易被碱靠近），K2变小； • 重氮盐的离去与碱无关，因此k-1不受位阻影响，无变化； • 碱催化也会影响同位素效应，随着碱浓度增大，中间体转变成产物
第十章 芳香族亲电取代反应
Aromatic Electrophilic Substitution
• 脂肪族化合物多发生亲核取代，芳香族化合物多发生亲 电取代反应；
• 反应底物：由于芳环的高电子云密度使其具有lewis碱 或Brönsted碱活性；
• 进攻试剂：正离子、偶极或诱导偶极带正电的一端； • 离去基团：离去时不带其电子对；
• 如果氢离子在亲电试剂到达前离开，或氢离子的离开和 亲电试剂的到达同时发生，就会有同位素效应（氘代底 物的取代反应比非氘代底物慢）；
• 在芳基正离子机理中，C-H键的断裂不在决速步骤发生， 无同位素效应；
• 在芳环硝化反应中证实无同位素效应。
• 当第一步具有可逆性时，容易观察到较小的同位素效应 （kH/kD = 1-3，而非正常的6-7）；
p络合物的形成证据
• 首先形成p络合物14，进而转变为s络合物15；
3.36A
苯的溴化 低温X-ray
甲苯的溴化 低温X-ray
3.29A 3.23A
3.24A 3.20A
单取代苯环定位效应与反应性
• 定位：邻对位定位基团、间位定位基团； • 反应性：活化基团、钝化基团；
• 间位定位基团全部为钝化基团； • 邻对位定位基团一般为活化基团，卤素为钝化基团；
• 具有吸电子场效应（-I）的取代基Z，增加环上正电荷，使环不稳
定，尤其影响邻对位稳定性；
共振效应
D
• 有些基团可以贡献一对电子与芳环共振，导致邻对位多 出一种共振极限式；
• 而且：1，此共振式所有原子具有完整的八隅体结构，2， 可将正电荷分散到更广阔的区域（Z基团上），故比其 他共振形式更稳定，对杂化体贡献更大，导致邻对位芳 基正例子稳定性增大；
• 定位基团的定义是占优势的，而非排他的。例如硝基苯 的硝化反应生成93%间位、6%邻位、1%对位产物；
通过中间体芳基正离子的稳定性判断 取代基的定位效应和反应性
• 原因：芳环的亲电取代反应通常受动力学控制，而非热 力学控制（有些反应不可逆，有些反应未达到平衡就终 止），所以，形成哪种中间体（邻、间、对），不取决 于产物的热力学稳定性，而取决于形成中间体所需的活 化能；
• 除了O-均为具有吸电子场效应的基团； • 但一般共振效应更重要，NR2, NHR, NH2,OH，为强活化
基团，其余为中等活化基团；
• 卤素例外，由于具有强的吸电子场效应，使苯环电子云 密度小于苯，为弱钝化基团，但同时共振式C、D对邻对 位芳基正离子的贡献很相同。
• 任何导致中间体稳定性增加的因素会令到达中间体所需 的活化能降低，而中间体将迅速转化为产物（非决速步 骤），故可用中间体稳定性预测主要产物形式；
• 影响中间体芳基正离子的稳定性的主要因素：取代基的 共振效应和场效应。
场效应
• 具有给电子场效应（+I）的取代基Z，可以稳定所有三种芳基正离
子，主要稳定邻对位； • 原因：场效应随距离增大而减小，与Z相连的碳受场效应影响最大；
芳香性被破坏，仅通过共振稳定，非常活泼的中间体； • 第二步失去质子可恢复芳香六隅体，一般比第一步快，第一步为
决速步骤；
• 需要碱（通常就是亲电试剂的平衡离子或溶剂）除去生成的H+。
• 如果进攻试剂是偶极子，产物必然带负电荷，然后偶极 子的一部分携带电子对断键离去；
芳基正离子机理证据之同位素效应