芳环上的亲电和亲核取代反应
高等有机第七章+芳环上的取代反应.
7.1.3 π-络合物
HE
E+Nu- fast
E+ slow
p-络合物
HE
E
fast
+ H+
决定反应 速度步骤
动力学同位素效应可以证明此步反应速度较快
7.1.4 动力学同位素效应
用氘或氚标记苯环进行亲电取代，kH/kD或kH/kT的数值
接近1，说明C——H键断裂的步骤不是决定反应速率的
步骤。 例如：
-CF3具有强烈的-I
使苯环钝化
进攻邻位
CNFO32
H E
CNFO32
H E
CNOF23
H E
CNFO32
+ E+
对位
NCOF23
NCOF23
不稳定
CNOF32
间位
HE
CNFO32
HE
NCOF23
HE 不稳定
CNOF23
H
H
H
E
E
E
进攻邻位
NH2 H E
NH2 + E+
对位 间位
NH2 HE
NH2
加成－消除机理(Ar-SE)进行的：
HE
E
E+Nu-
k1 k-1
k2
σ－络合物
芳正离子，Wheland络合物
一般地，k2>k1,k-1,所以， σ－络合物生成步骤是决定反应 速度步骤。
7.1.1 σ-络合物存在的证明
一、分离鉴定
Me
Me Et
EtF, BF 3
- 80 oC
H
BF4
Me
Me
Me
Me
NO2+ 本位进攻生成的σ-络合物可以发生几种反应：
有机化学中的芳香亲核取代与芳香亲电取代
有机化学中的芳香亲核取代与芳香亲电取代芳香亲核取代和芳香亲电取代是有机化学中的两个重要反应类型。
这两种反应是有机芳香化合物中的氢原子被置换为另一种原子或基团的过程。
本文将详细介绍芳香亲核取代和芳香亲电取代的原理、机理和应用。
一、芳香亲核取代芳香亲核取代反应是指芳香化合物中的氢原子被一个亲核试剂取代的过程。
亲核试剂可能是氢氧根离子、卤素离子、芳基负离子等。
这种反应一般需要在碱性条件下进行。
芳香亲核取代反应的机理是由共轭碳氢键的特殊性质决定的。
芳香环中的π电子可以共享给亲核试剂，而由于环上的π电子非常稳定，取代反应的活性较低，因此需要在碱性条件下进行。
常见的芳香亲核取代反应有苯酚的溴化反应、苯的硝化反应等。
苯酚的溴化反应以环境中的溴离子为亲核试剂，生成溴苯和溴化氢。
苯的硝化反应以硝酸为亲核试剂，生成硝基苯和水。
这些反应在有机合成中具有重要意义，可以用于合成药物、香料等化合物。
二、芳香亲电取代芳香亲电取代反应是指芳香化合物中的氢原子被一个亲电试剂取代的过程。
亲电试剂可能是正离子、电子不足的分子等。
这种反应一般需要在酸性条件下进行。
芳香亲电取代反应的原理是由共轭芳香体系的特殊稳定性决定的。
共轭芳香体系能够吸引亲电试剂的正电荷，使其参与反应。
芳香环上的π电子提供了稳定性和活性中心，使得亲电试剂能够与芳香化合物反应。
常见的芳香亲电取代反应有苯的硝化反应、苯的磺化反应等。
苯的硝化反应以浓硝酸为亲电试剂，在酸性条件下发生取代反应，生成硝基苯和水。
苯的磺化反应以浓硫酸为亲电试剂，生成苯磺酸和水。
这些反应在有机合成中也具有重要意义，可以用于合成各种化合物。
三、芳香亲核取代与芳香亲电取代的比较芳香亲核取代和芳香亲电取代在机理和反应条件上有明显的区别。
芳香亲核取代需要在碱性条件下进行，而芳香亲电取代需要在酸性条件下进行。
此外，芳香亲核取代的亲核试剂通常是负离子，而芳香亲电取代的亲电试剂通常是正离子或电子不足的分子。
两种反应类型在有机合成中有着不同的应用。
第九章 芳环上的取代反应
以Cl+形式存在，故不易离去。
CH 3 HNO3 / H2 SO4 O2N + I NO 2 CH 3 CH 3
I
CH 3 H 3 O+ CH3 SO3H
CH 3 + CH 3 H H2SO4
实验结果表明，在原位取代中，离去基团的离去能 力由大到小的次序为： H+ >> I+ > Br+ > NO2+ > Cl+
中间体的稳定性－共振论
CH
CH
CH2 + E
邻对位
CH2 H E
CH
CH2 H E
CH
CH2 H E
CH
CH2 H E
间位
CH
CH2 CH H E
CH2 H E
CH
CH2 H E
共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。
Cl
Cl
Cl H E H E
Cl H E
Cl H E
进攻邻位
Cl + E+
Z E
邻
Z + E+
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。
2、定位基分类
Z= 硝 化 产 物
o (%) p(%) m (%)
OH 40 60 <1
CH3 56 40 4
>1
Cl 30 70 <1
NO2 6 <1 >93
<1
H
SO3 H
H
SO3 H
a-位取代－动力学控制产物； b-位取代－热力学控制产物。
大二有机化学课件芳环上的取代反应
CH3 + CO + HCl CH2Cl2-AlCl3
CH3
CHO
24
芳基重氮盐的偶联反应
芳基重氮离子也是一种亲电试剂，由于它的亲电进 攻能力弱，只能进攻高度活化的芳环，如酚和N,N-二 取代芳胺。
偶合发生在活泼基团的对位
25
3 芳环上的亲核取代
芳环上的亲核取代也是一类重要反应，有许多实际应用。芳环 上亲核取代反应的机理比较多样，有些反应机理还不十分清楚。
Br
CH3
+
56% NH2
CH3 NH2
+
22%
CH3 NH2 22%
35
如卤素的两个邻位都被甲基取代，则不起反应
Br
Br
Br
CH3
CH3 CH3
CH3 CH3O
CH3
CH3
36
1953年J.D.Roberts 用14C同位素标记的 底物做氨化反应揭示 了这类反应可能是先 消除卤化氢成苯炔、 再由氨负离子对苯炔 进行加成：
磺化是可逆反应，不上的某些位置不被取 代；或提纯某些有机化合物。
占座
下课
19
Friedel—Crafts烃化
Friedel-Crafts烃化反应的催化剂是Lewis酸，常用的有 AlCl3(活性最强)，FeCl3，ZnCl2，BF3， H2SO4， H3PO4等，卤 代烃、烯烃、醇都可以用作烃化剂。
NH2
CH3
CH3
NO2
NO2
同理，下列两个化合物的活性很小，与氯苯相似：
NO2
CH3
CH3
NO2
CH3
CH3
Cl
CH3
CH3
Cl
芳环上的取代反应
+ N2
,
CuBr HBr
N CuCl
+ N2
①历程
N2
＋ N
+ CuCl
Cl-
+ CuCl2 +N2
Cl
+ CuCl2
N2Cl-
+ CuCl
②举例
CuCN KCN
CN
+ N2
2. Gattermann(加特曼反应)
N2ClCl
N2Br-
Br
Cu HCl
Cu HBr
注：Cu代替CuCl或CuBr
N2ClNO2
+E+ +H+
中间体碳正离子 σ-络 合 物
2.典型亲电取代反应历程举例： 硝化反应：
HNO3+2H2SO4
H
每摩尔 HNO3在浓 H2SO4中 形成四个质点 （冰点降低实验证实）
H3O+2HSO4+NO2
NO2
H NO2
拉曼光谱中 NO2在 1400cm-1 处有吸收带
NO2
+ NO2
慢
+HSO4 -
COOH C H C C
N2+ COOH
Cu -N2
H COOH
-H
△ 菲
三.苯炔历程（消除-加成历程） Cl 1. 反应历程： NH
2
Cl
-Cl-
NH2
H NH2
NH2
NH3
+ NH2
苯炔历程证明： ①红外光谱证明
（8 K时可观察到它的光谱）
②碘苯与NaNH2反应时，加入1,3-环己二烯或呋喃可生成D-A产物。
N2Cl
芳香族化合物亲电取代反应
亲电试剂是正离子或偶极分子中正的一端
一、 反应机理
H E E Nu
+ -
E
加成－ 加成－消除机理
决定反应速度的一步是E 决定反应速度的一步是 +进攻苯 环， 果得到的是取代产物， 反应结 果得到的是取代产物， 故称为苯环上的亲电取代反应。 故称为苯环上的亲电取代反应。 缩写为SE）。 （electrophilic substitution 缩写为 ）。
+ I2
I2
棕红色
它在500nm 有吸收，而苯在 有吸收， 它在 297nm处的吸收峰不复存在 处的吸收峰不复存在
σ 络合物 存在下，三甲苯和氟乙烷在－ ℃ 在BF3存在下，三甲苯和氟乙烷在－80℃ 反 应，可分离出熔点为-15℃ 的中间体 可分离出熔点为 ℃
熔点为－ ℃ 熔点为－15℃
二、定位效应和反应活性
三、影响邻对位比例定位效应的因素 ①空间效应 亲电试剂和苯环上原有的取代基 的体积越大，对位产物越多： 的体积越大，对位产物越多： a. 芳环上原有基团的空间效应
R
HNO3+H2SO4
R NO2 +
R
NO2ห้องสมุดไป่ตู้
R=
CH3 CH2CH3 CH(CH3)2 C(CH3)3
位 阻 依 次 增 大
含 量 依 次 减 少
N
=
O C O
=
O C N CH3
（二）定位规律的理论解释
取代基的定位效应与取代基的诱导效应、共轭效应、 取代基的定位效应与取代基的诱导效应、共轭效应、超共轭 效应等电子效应有关。 效应等电子效应有关。 诱导效应 给电子诱导效应（ ），取代基上的电子通过σ键向苯环移动 ），取代基上的电子通过 苯环移动; 给电子诱导效应（+I），取代基上的电子通过σ键向苯环移动 吸电子诱导效应（ ），苯环上的电子通过σ键向取代基移动。 ），苯环上的电子通过 吸电子诱导效应（-I），苯环上的电子通过σ键向取代基移动。
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。
离去后以负离子或分子的形式存在，如Br-、-OTS和H2O等即为弱的碱、自由基取代反应是另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：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。
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。
在亲电试剂（NO2+，Br2等）与苯环形成的π-络合物中，亲电试剂位于苯环中心，并垂直于苯环平面的直线上。
第九章 芳环上的取代反应
I＞ C
NO2 H E
+
+NO2
HE
NO2
+
H E
NO2 +H
E
NO2
+
HE
带正电核的碳原子 与强吸电子基相连
NO2
H +E
21
三、动力学控制与热力学控制
H
80℃
+ H2SO4
H
165℃
SO3H
165℃
SO3H
α位取代－动力学控制产物； β位取代－热力学控制产物。
22
四、邻位和对位定向比
1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：
H
E
E
CH CH2 H E
+E
间位
CH CH2 CH CH2
H
E
E
CH CH2
H E
18
如：苯酚
HO
进攻邻位：
OH
H E
+
进攻对位：
OH
+
HE
进攻间位：
OH
+
H E
OH H E
+
OH
+
HE
OH
+
H E
+C＞ I
OH +H
E
OH
+
HE
OH
H +E
+OH H E
+OH
HE
每个原子都有完整 的外电子层结构。
19
X
进攻邻位：
Cl
H E
+
进攻对位：
Cl
+
HE
进攻间位：
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第七章 芳环上的亲电和亲核取代反应
7.1芳环的亲电取代反应 7.1.1芳环上的亲电取代历程 1、 亲电试剂的产生
HNO 3＋2H 2SO
4
NO 2+＋H 3O +＋2HSO 4-
亲电试剂
2、 π－络合物的形成 芳环上电子云密度
R
＋NO 2
π
－络合物NO 2
3、 σ－络合物的形成
NO 2+
H
NO
2
σ－络合物
硝基所在碳为sp 3
杂化 4、 消去－H +
+
NO 2
H NO 2
快
σ－络合物的证据 已分离出C +
CH
3
＋CH 3CH 2F ＋BF 3
CH 3
CH 2CH 3
H
BF 4-
通过红外和核磁等可鉴定中间体的结构。
CH 3
CH 3
CH 3EtF
3CH 3
H Et CH
CH 3
BF 4-
3
mp - 15 C
7.1.2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)
致活基
NH 2
NR 2
OH
OR
NHCR
O
Ph
R
致钝基
F Cl Br
I
2、 第二类定位基（间位定位基） 均为致钝基
NO 2
NR 3
COOH
COOR
SO 3H
CN
CHO
CR
O
CCl 3
7.1.3定位规律在有机合成中的应用 7.1.4典型的芳香亲电取代反应 1．硝化反应
硝化试剂有HNO 3-H 2SO 4
HNO 3＋2H 2SO 4
NO 2+＋H 3O +＋2HSO 4-
真正的硝化试剂为硝酰正离子。
混酸体系有强氧化性
OH
20%HNO 3
OH
NO 2
＋
OH
2
如用混酸将得氧化产物
NH 2
浓HNO 浓H 2SO 4
NH 3HSO 4-
NO
2
同时还有部分氧化产物
HNO 3/CCl 4低温时的硝化速度较快
(HNO 3)xH 2NO 3+
NO 2+＋H 2O ＋(HNO 3)x
0℃
温和的硝化试剂HNO 2/C(NO 2)4
NH 2NO 2
NH 2
HNO 2
NH 2
N
O 224
可避免间位硝化与氧化
OCH 3
＋HNO 3
CH COOH
CH 3O NO 2
2．磺化反应
亲电试剂为SO3或SO 3H （共轭酸）
3
-
SO 3-
- H +
3H
慢
3H
SO 3H
+
快
特点：（1）可逆反应，可用于芳环的定向取代（占位）。
（2）置换反应，合成一些难于合成的物质。
CH 32
4（热力学）
SO 3H
CH 3
3
HNO 24
NO 2CH 3
SO 3H
SO 3H
CH 3
N 2-Br
CH 3
SO 3H
2HCl, 0-5℃
2H 2SO 4
CH 3
Br
PhOH
SO3
24OH
SO3H
HO3S
SO3H HNO
OH
NO2NO2
NO
2
发生间接硝化
3．卤化反应
（1）卤素作卤化剂
X2＋ FeX3X FeX3
δ+-
X
FeX3
+-
慢
FeX4-
快
H+
X
X
(2)N-卤代酰胺或N-卤代磺酰胺作卤化剂
NBS
C
C
N
O
Br CH3CNHBr
O
CH3CNHCl
O
CH3SO2NCl2
等其卤化性能较差，只与活泼芳烃反应，可避免氧化反应发生（芳胺和酚）。
PhCH3＋NBS
FeCl3
60℃
Br CH
3
CH3SO2NCl2＋NHCCH3
O
CHCl.HCl
极性溶剂
和极性催化剂Cl3
O
＋NHCCH3
Cl
O
＋CH3SO2NH2
主次
FeCl3
N-
O
O
＋Br+
（亲电试剂）
N
O
Br
而在非极性CCl4等溶剂中是自由基引发剂
N O O
Br
(PhCOO)24
N O
O
＋Br CH 2CH 3
CHBrCH 3
+
自由基取代反应。
1. Fridel-Crafts 反应 (1) 烃基化 亲电试剂产生
R Cl ＋AlCl 3
R Cl AlCl 3
δ+δ
-R +＋AlCl 4-
ROH ＋H
X
X -
ROH 2
R +
R CH CH 2＋H 2SO 4
RCHCH 3＋ HSO 4
-
催化剂活性 AlCl 3>FeCl 3>SbCl 5>SnCl 4>BF 3>TiCl 4>ZnCl 2
特点
A. 易发生重排反应
＋CH 3CH 2CH 2Cl
AlCl PhCHMe 2＋PhCH 2CH 2CH 3
70% 30%
亲电试剂发生重排
＋CH 3CH 2CH 2Cl AlCl
3
4
CH 3CH 2CH 2
CH 3CHCH 3
H
+
（分子内反应）
B. 易发生多烷基化
C. 可逆反应
动力学条件下，遵守定位规律，热力学控制条件下得稳定的间位产物。
D. 钝化的芳烃不发生烷基化
E ．-OH ，-NH 2和-OR 等与路易斯酸配位，使催化剂难于发生烷基化，可改用烯作烷基化剂，以酚铝或苯胺铝作催化剂 （2）酰基化反应
① 用酰氯时，ACl 3的量要大于1mol,用酸酐时ACl 3要大于2mol 。
R C O O
AlCl 3
C
O R AlCl 3
R C O Ar
AlCl 3R C O Cl
AlCl 3
② 酚的酰化是Fries 重排
PhOH ＋CH 3COOH
PhOCCH 3
O
32
OH
C CH 3
O
③ 不会发生重排
+CH 3CH 2CH 2COCl
AlCl 3
CH 3CH 2CH 2CH 2
Zn-Hg HCl
CH 3CH 2CH 2C
O
5.重氮盐的偶联反应
ArN 2+X -极弱的亲电试剂，只能与高活性的酚和芳胺反应，通常为对位缩合或同环缩合。
PhN 2Cl ＋PhNMe 2
Ph N=N
NMe 2
90%
PhN 2HSO 4-＋
HO
NaOH
N N
HO
当重氮盐的邻对位有强吸电基时，其亲核性提高，可与芳醚或均三甲基反应。
6.氯甲基化反应
＋HCH ＋HCl
O
ZnCl 2
PhCH 2Cl ＋H 2O
70 C
活泼芳烃才能发生反应
MeO
＋CH 3CHO ＋HCl
2
MeO
CHCH 3Cl
-
MeO
CH=CH 2
7.2芳香族亲核取代反应
由于芳环上的电子云密度较高，因此亲核取代比亲电取代困难得多，只有当芳环上存在较紧张的吸电子基团（-NO 2,-SO 3H 等）时较易发生亲核取代反应。
加成－消除历程
消去－加成：苯炔历程单分子亲核取代反应S N
Ar1
7.2.1加成－消除历程
吸电基有利于降低芳环的电子云密度，特别是邻、对位电子云密度降低得更为显著，从而有利于亲核试剂对这些位置发生亲核加成，生成离域的碳负离子中间体(即Meisenheimer 络合物).
-22
L -Nu
NO 2
又称为S N Ar2历程
meisenheimer 已被分离出
CH 3O OCH 3
NO 2
NO 2
NO 2
K +
OCH 3H 7-n
NO 2
NO 2
＋180℃
NHPh
NO 2
NO 2
PhNH 2
80％
7.2.2消去－加成（苯炔历程） 现象
*
Cl ＋NaNH 2
液氨*
NH 2*
NH 2
＋
50％ 50％
Br
CH NaNH .液氮NH 2CH 3＋
NH 2
CH 3
57％ 43％
Br
CH 3O
CH
3
KNH 2.液氮－35℃
因为没有邻位氢，推断不能发生消除反应。
历程
Br
*
NH 2**NH 2
＋2
NH 3＋
苯炔
*Br
-
中间体证据（捕获，Diels-Alder 反应）
I
2
7.2.3芳基重氮离子的单分子亲核取代（S N Ar1）
N
H O OH
2
S N Ar1
证据
①v=k[PhN 2+] 一级反应
②芳环上的供电基有利于反应，吸电基不利于反应，说明有正离子形成
R
③ 同位素标记
*N N
＋N
**N
*N = 15N。