第七章芳环上的亲电和亲核取代反应[1]
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。
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：
芳环亲核取代反应
③、按SN1机理进行的亲核取代反应
当环上有吸电子基团内时， 重氮盐的分解速率减慢；
当环上有供电基团时： 若取代基处于间位，提高反应速率； 若取代基处于对位，降低反应速率。
2、 离去基团对活性的影响
离去基团离去能力的大致次序是
F > N O 2 > O T s > S O C 6 H 5 > C l,B r,I, > N 3 > N R 3 > O R ,O A r,S R ,S O 2 R ,N H 2
Note： 在芳香亲核取代反应中离去能力是 F > Cl , Br , I , 这不同于脂肪族亲核取代反应SN1和SN2 的取代顺序。
原因：芳香取代反应机理常常是第一步是决定速率的， 在该步中，强的 -I 基团有利于反应的进行， 这也解释了F和NO2是那样容易离去的原因。
离去基团离去的难易，不仅和基团离去后生成的 负离子的稳定性有关，还与亲核试剂的性质有关
NO2 H+
OH NO2
O2N
NO2
NO2
NO2
Cl
ONa
OH
NO2Na2 CO3O2N 35℃
NO2 H+O2N
NO2
NO2
N O2
N O2
B.芳基重氮离子的单分子亲核取代（SNAr1）
在芳环上按照SN1机理进行的反应很少，重氮盐的重氮基 被取代的反应认为是按SN1机理进行的。
NN slow fast
＋
NH2
50％
50％
B r
N aN H 2.液 液氮 氨
C H 3 － 35℃ N H 2
C H 3＋
N H 2
CH3O
57％
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。
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
芳环的亲电取代、亲核取代反应及芳环取代基的反应
两个钝化基存在时，则弱钝化基决定定位） —— 活性作用大小接近时，获得混合物 —— 空阻大的位置难进入
多取代苯的定位效应：
多取代苯的定位效应：
位阻较大
多取代苯的定位效应：
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
总反应机理如下：
E
+E
H
Step 1: 亲电试剂进攻苯环的
键，形成碳正离子
Nu
E 取代产物具有芳香性
E
Nu
加成产物失去芳香性
Nu
Step 2: 脱去一个质子， 回复芳香稳定结构
一、芳环的亲电取代反应及机制
2. Reaction coordinate diagrams:
一、芳环的亲电取代反应及机制
HCl
Cu HBr
N2+ Cl - 1) Cu, Na2SO3 2) H+
Cu
Cl Br
SO3H
四、芳环取代基的反应
5、 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）
——芳香重氮盐作为亲电试剂与非常活泼的芳香化合酚类或胺 类发生反应，生成偶氮化合物。
HO HO
+
CH3 +
N2+ Cl-
Br N2+ Cl-
particu larly s ta bl e
CH3
pa ra -
EH
m e ta-
CH3
E H
particu larly s ta bl e CH3
EH CH3 E H
CH3
EH CH3 E H
OH, OR；NH2, NHR, NR2：强致活基，邻对位定位基。
亲电取代和亲核取代例子
亲电取代和亲核取代例子以亲电取代和亲核取代是有机化学中的两个重要概念，它们描述了在化学反应中发生的两种取代反应。
亲电取代是指一个亲电子试图取代一个离子或亲核物质中的一个原子或基团的反应。
亲核取代是指一个亲核试图取代一个分子中的一个原子或基团的反应。
下面将分别列举亲电取代和亲核取代的例子。
亲电取代的例子：1. 酸催化的醇酯化反应：酸催化下，醇和酸发生酯化反应，醇中的亲电子攻击酸中的羰基碳，形成酯。
2. 酮和醛的氧化还原反应：还原剂（如金属氢化物）提供亲电子，被酮或醛中的亲电子接受，形成醇。
3. 烯烃的电子亲加反应：亲电试剂（如卤素）攻击烯烃的π电子，形成加成产物。
4. 亲电芳香取代反应：亲电试剂（如卤素）攻击芳香化合物的芳环，取代芳环上的氢原子。
5. 酰氯酯化反应：酰氯作为亲电试剂，攻击醇中的亲电子，形成酯。
6. 羟基磺酸酯化反应：羟基磺酸作为亲电试剂，攻击醇中的亲电子，形成磺酸酯。
7. 酰基氯醇酯化反应：酰基氯作为亲电试剂，攻击醇中的亲电子，形成酯。
8. 亲电取代的氯化反应：亲电试剂（如氯化氢）攻击有机物中的亲电子，取代有机物中的原子或基团。
9. 亲电取代的溴化反应：亲电试剂（如溴化氢）攻击有机物中的亲电子，取代有机物中的原子或基团。
10. 亲电取代的碘化反应：亲电试剂（如碘化氢）攻击有机物中的亲电子，取代有机物中的原子或基团。
亲核取代的例子：1. 醇的亲核取代反应：亲核试剂（如卤代烃）攻击醇中的醇氧原子，形成醚。
2. 醛和酮的亲核取代反应：亲核试剂（如胺）攻击醛或酮中的羰基碳，形成亲核加合物。
3. 烯烃的亲核加成反应：亲核试剂（如水或醇）攻击烯烃的π电子，形成加成产物。
4. 亲核取代的碱性水解反应：碱催化下，亲核试剂（如水或醇）攻击酯或酰氯中的羰基碳，形成醇或酸。
5. 亲核取代的酸性水解反应：酸催化下，亲核试剂（如水或醇）攻击酯或酰氯中的羰基碳，形成醇或酸。
6. 亲核取代的酸性醇酯化反应：酸催化下，亲核试剂（如醇）攻击酯中的羰基碳，形成醚和酸。
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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
亲电试剂
2、π－络合物的形成
芳环上电子云密度R
3、σ－络合物的形成
硝基所在碳为sp3杂化
4、消去－H+
σ－络合物的证据
已分离出C+
通过红外和核磁等可鉴定中间体的结构。
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)
2、第二类定位基（间位定位基）
均为致钝基
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HNO3-H2SO4
真正的硝化试剂为硝酰正离子。
混酸体系有强氧化性
如用混酸将得氧化产物
同时还有部分氧化产物HNO3/CCl4低温时的硝化速度较快
温和的硝化试剂HNO2/C(NO2)4
可避免间位硝化与氧化
2．磺化反应
亲电试剂为SO3或（共轭酸）
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。
发生间接硝化
3．卤化反应
（1）卤素作卤化剂
(2)N-卤代酰胺或N-卤代磺酰胺作卤化剂
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）。
而在非极性CCl4等溶剂中是自由基引发剂
自由基取代反应。
1. Fridel-Crafts反应
(1) 烃基化
亲电试剂产生
催化剂活性 AlCl3>FeCl3>SbCl5>SnCl4>BF3>TiCl4>ZnCl2
特点
A. 易发生重排反应
亲电试剂发生重排
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，-NH2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，ACl3的量要大于1mol,用酸酐时ACl3要大于2mol。
2 酚的酰化是Fries重排
3 不会发生重排
5.重氮盐的偶联反应
ArN2+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。
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
活泼芳烃才能发生反应
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（-NO2,-SO3H等）时较易发生亲核取代反应。
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).
又称为SNAr2历程
meisenheimer已被分离出
80％
7.2.2消去－加成（苯炔历程）
现象
50％ 50％
57％ 43％
因为没有邻位氢，推断不能发生消除反应。
历程
中间体证据（捕获，Diels-Alder反应）
7.2.3芳基重氮离子的单分子亲核取代（SNAr1）
SNAr1
证据
①v=k[PhN2+] 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
③ 同位素标记。