第八章芳環(huán)上的取代反應(yīng)

第八章芳環(huán)上的取代反應(yīng)

§8-1親電取代反應(yīng)

一．親電取代反應(yīng)歷程

芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)歷程為：反應(yīng)物與親電試劑首先形成π絡(luò)合物，然后轉(zhuǎn)變成σ絡(luò)合物，后者失去質(zhì)子（通常是H+）生成產(chǎn)物。即反應(yīng)歷程是加成-消除歷程。慢快快二．親電取代反應(yīng)的特性和相對(duì)活性1.反應(yīng)活性和定位效應(yīng)

一取代苯再進(jìn)行親電取代反應(yīng)時(shí)，基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)的位置，取決于苯環(huán)上原有取代基的性質(zhì)。苯環(huán)上原有取代基對(duì)新進(jìn)入的基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)上的位置的影響，稱為定位效應(yīng)。鄰對(duì)位定位基使新進(jìn)入的基團(tuán)主要進(jìn)入苯環(huán)的鄰位和對(duì)位，同時(shí)使苯環(huán)活化，即反應(yīng)速度一般比苯大；間位定位基主要使新進(jìn)入的基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)的間位，同時(shí)使苯環(huán)鈍化，即反應(yīng)速度比苯小。常見的鄰對(duì)位定位基有：-O-，-NR2，-NHR，-NH2，-OH，-OR，-NHCOR，-OCOR，-SR，-R，-Ar，-COO-。間位定對(duì)基有：-N+R3，-NO2，-CN，-SO3H，-CHO，-COR，-COOH，-COOR，-CONH2，-CCl3，-N+H3。鄰對(duì)位定位基無論是誘導(dǎo)效應(yīng)還是共軛效應(yīng)的作用方向是否一致（如甲基相同，OH-相反，+C>-I），總的結(jié)果是供電子基；間位定位基為吸電子基（如硝基）。鹵素是一類特殊的取代基，它們是使苯環(huán)發(fā)生鈍化，但是鄰對(duì)位定位基，這是因?yàn)辂u苯在發(fā)生親電取代反應(yīng)時(shí)，動(dòng)態(tài)的共軛效應(yīng)起主導(dǎo)作用。2.鄰位和對(duì)位的定向比一取代苯的親電取代反應(yīng)，從反應(yīng)的幾率來看，鄰位和對(duì)位的取代產(chǎn)物之比應(yīng)為2：1，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此，這是因?yàn)橛绊懸蛩氐牟煌?。?）親電試劑活性的影響

一般來說，親電試劑的活性越大，對(duì)于鄰位和對(duì)位的選擇性越小。如在甲苯中的硝化，當(dāng)親電試劑不同時(shí)對(duì)位和鄰位的產(chǎn)率為：

%o-（鄰）%p-（對(duì)）相對(duì)速度HNO3/68%H2SO4

603717HNO3/CH3NO2

593721NO2+BF4-/CH3CN

69292.3（2）空間效應(yīng)的影響親電試劑和苯環(huán)上原有取代基的體積越大，對(duì)位異構(gòu)體的量越多。如叔丁苯和溴苯的磺化，幾乎都生成100%的對(duì)位異構(gòu)體。（3）極化效應(yīng)的影響鹵苯的硝化反應(yīng)鄰對(duì)位產(chǎn)物的比為：從空間效應(yīng)來看，I>Br>Cl>F，應(yīng)鄰位取代越來越少，但以上結(jié)果相反，這是因?yàn)?，F(xiàn)的電負(fù)性大，對(duì)鄰位產(chǎn)生的吸電子效應(yīng)大，使鄰位的電子云密度下降最多，從而不利于鄰位取代。

%o-%p-F

1288Cl

3069Br3762I

3860（4）溶劑效應(yīng)的影響親電取代反應(yīng)通常在極性或非極性溶劑中完成，溶劑效應(yīng)對(duì)取代苯的鄰對(duì)位比例有一定的影響。如取代苯在硝基烷中的氯代反應(yīng)，得到大量的對(duì)位異構(gòu)體，因?yàn)槁然噭┡c溶劑結(jié)合后阻礙了在鄰位上的進(jìn)攻。（5）螯合作用當(dāng)環(huán)上的取代基與親電試劑發(fā)生絡(luò)合時(shí)，通常發(fā)生鄰位取代。如1-苯基-2-甲氧基乙烷在CH3CN中用N2O5硝化比用混酸硝化有較高的鄰對(duì)位比。鄰位產(chǎn)物較多的原因是因?yàn)橥ㄟ^螯合作用實(shí)現(xiàn)的。用N2O5硝化：鄰位產(chǎn)物69%對(duì)位產(chǎn)物28%用HNO3硝化：鄰位產(chǎn)物32%對(duì)位產(chǎn)物59%（6）原位取代在親電取代反應(yīng)中，親電試劑取代苯環(huán)上原有取代基稱為原位（ipos）取代。如：苯環(huán)上原有取代基被取代的難易，取決于離去基團(tuán)帶有正電荷離去的能力。離去基團(tuán)的離去能力：H+>>I+>Br+>NO2+>Cl+3.取代基效應(yīng)的定量關(guān)系

（1）分速度因數(shù)和選擇性

苯環(huán)上原有取代基對(duì)于其它基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)上的位置所產(chǎn)生的影響，稱為取代基效應(yīng)。取代基效應(yīng)包括：電子效應(yīng)和空間效應(yīng)等。分速度因數(shù)是一取代苯進(jìn)行再取代時(shí)，在其一個(gè)位置上進(jìn)行取代的速度與苯的一個(gè)位置上進(jìn)行取代的速度之比。分速度因數(shù)可定量表示基團(tuán)的定位效應(yīng)。取代苯每個(gè)位置上分速度因數(shù)的確定：是以苯的六個(gè)位置之一為比較標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其值為1，若分速度因數(shù)值大于1的，說明該位置的反應(yīng)活性大于苯，小于1者則反應(yīng)活性小于苯。計(jì)算方法為：

fo=[(k取代苯/2)/(k苯/6)]×o-異構(gòu)體(%)/100fm=[(k取代苯/2)/(k苯/6)]×m-異構(gòu)體(%)/100fp=[(k取代苯/1)/(k苯/6)]×p-異構(gòu)體(%)/100

fo、fm、fp分別為鄰、間、對(duì)位上的分速度因數(shù)，k取代苯為取代苯的反應(yīng)總速率，k苯為苯的總反應(yīng)速度（為1），鄰位有兩個(gè)，間位有兩個(gè)，對(duì)位有一個(gè)，苯上有六個(gè)，因此分別有除2，2，1和6。如甲苯和苯在乙酸中45℃時(shí)用硝酸硝化，甲苯比苯快24.5倍，而得到的異構(gòu)體比為：o為57%，m為3.2%，p為40%，據(jù)此可計(jì)算出：

foCH3=24.5/2×6×0.57=42

fmCH3=24.5/2×6×0.032=2.4

fpCH3=24.5/2×6×0.4=59以上數(shù)據(jù)說明：甲苯的硝化反應(yīng)，其分速度因數(shù)都大于1，且鄰位和對(duì)位的數(shù)值更大，說明甲基活化苯環(huán)上所有位置，尤其是鄰位和對(duì)位。如氯苯的硝化和甲氧基苯的硝化的分速度因數(shù)為：OCH30.030.00090.14Cl2.3X1040.255.5X104對(duì)于不同的反應(yīng)物進(jìn)行相同的反應(yīng)（即親核試劑相同），分速度因數(shù)的值不同，說明不同的反應(yīng)物對(duì)同一試劑的選擇性不同，這種選擇性叫反應(yīng)物選擇性，它表明環(huán)上原有的取代基對(duì)某一種親電試劑使苯環(huán)活化或鈍化的程度。反應(yīng)物的選擇性高時(shí)，通常間位和對(duì)位的產(chǎn)率相差比較大，反之，反應(yīng)物的選擇性差時(shí)，其差值比較小。如甲苯進(jìn)行硝化、氯代、溴代時(shí)的分速度因數(shù)為：CH3CH3CH338.91.345.761358206095.52420硝化氯代溴代同一反應(yīng)物對(duì)不同試劑三個(gè)位置的相對(duì)速度不同，即選擇性不同，這種選擇性叫位置選擇性。通常位置選擇性和反應(yīng)物選擇性是不可分割的?？傊x擇性既決定于環(huán)上原有取代基，也決定于親電試劑。當(dāng)知道一取代苯的分速度因數(shù)之后，可以預(yù)測(cè)多取代苯進(jìn)行反應(yīng)時(shí)所得異構(gòu)體的比例。如知道甲苯相對(duì)于苯的乙?；磻?yīng)的分速度因數(shù)后，可計(jì)算出間二甲苯相對(duì)于苯的乙?；磻?yīng)的分速度因數(shù)為：在計(jì)算每一個(gè)位置的分速度因數(shù)時(shí)，兩個(gè)甲基對(duì)該位置的作用一般等于兩個(gè)甲基相對(duì)位置的分速度因數(shù)的乘積。但在許多情況下多元取代苯并不符合此規(guī)則。

CH3CH34.54.87494.5x4.5=20CH34.8x4.8=234.5x749=3375（2）Hammett方程

Hammett方程是表示分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)活性之間的定量關(guān)系式之一。Hammett研究了苯甲酸的酸性和鄰位、對(duì)位取代苯甲酸的酸性，發(fā)現(xiàn)苯甲酸的電離常數(shù)和鄰位或?qū)ξ蝗〈郊姿岬碾婋x常數(shù)之比的對(duì)數(shù)值是一個(gè)常數(shù)。即：σ=lg(Ka/K0a)式中K0a代表苯甲酸于25℃下在水中的電離常數(shù)，Ka代表取代苯甲酸在同樣條件下的電離常數(shù)。σ是一個(gè)常數(shù)，它只與取代基的性質(zhì)及其在苯環(huán)上的位置有關(guān)，稱為取代基常數(shù)（或取代基特性參數(shù)）。如苯甲酸和對(duì)氯苯甲酸的電離常數(shù)分別是6.25×10-5和10×10-6,則

σ=lg(10×10-6/6.25×10-5）=0.204如將氯變?yōu)橄趸?，?duì)硝基苯甲酸：

σ=0.78當(dāng)Ka>K0a時(shí)，lg(Ka/K0a)>0，σ為正值；當(dāng)Ka<K0a時(shí)，lg(Ka/K0a)<0，σ為負(fù)值。當(dāng)取代基是H時(shí)，即苯甲酸，σ為0。當(dāng)Ka>K0a時(shí)，說明取代基的存在有利于酸的離解，該取代基是一個(gè)吸電基。當(dāng)Ka>K0a時(shí)，說明取代基是吸電基時(shí)，σ為正值；反之，取代基是供電基時(shí)，σ為負(fù)值。無論σ值是正還是負(fù)，其絕對(duì)值越大，說明取代基效應(yīng)越強(qiáng)。若知道某一取代基的σ值后，可以判斷該取代基的性質(zhì)及其影響程度。由于取代基的σ值與苯環(huán)上第二個(gè)官能團(tuán)無關(guān)，因此，σ值不隨反應(yīng)而變，它是取代基靜電效應(yīng)的反映。Hammett發(fā)現(xiàn)，鄰位和對(duì)位取代苯甲酸酯和苯甲酸酯水解常數(shù)之比的對(duì)數(shù)與σ值有很好的直線關(guān)系，即Hammett方程：

lg(Kh/K0h)=ρlg(Ka/K0a)=ρσ或：lg(K/K0)=ρσ式中K0h為苯甲酸乙酯的水解常數(shù)，Kh為取代苯甲酸乙酯的水解常數(shù)。ρ為反應(yīng)常數(shù)。選用苯甲酸的電離作為參考反應(yīng)，規(guī)定它的ρ=1ρ值的大小，主要決定于環(huán)上取代基對(duì)于起反應(yīng)的基團(tuán)所產(chǎn)生電子效應(yīng)影響的大小，故它是衡量某一反應(yīng)能感受取代基影響的尺度。在方程式lg(K/K0)=ρσ中，如果反應(yīng)物的性質(zhì)不變，σ是定值，lg(K/K0)與ρ的關(guān)系反映了反應(yīng)的性質(zhì)。它們的關(guān)系有三種情況：ρ>0，反應(yīng)為吸電子基所加速；ρ<0，反應(yīng)為供電子基所促進(jìn)；ρ等于或接近于0，取代基對(duì)反應(yīng)影響不大。ρ值無論正、負(fù)，其值越大，說明取代基對(duì)反應(yīng)速度影響越大；反之，其值越小，影響越小。ρ值在闡明反應(yīng)歷程方面很有用，因?yàn)樗軌蛎枋鲞^渡態(tài)相對(duì)于反應(yīng)物對(duì)電子的要求。如芳基磺酰氯的水解反應(yīng)，在15℃丙酮溶液中進(jìn)行時(shí)，ρ=+0.84，在15℃水溶液中進(jìn)行時(shí)，ρ=-0.30。在丙酮中進(jìn)行的水解反應(yīng)，由于ρ為正值，故反應(yīng)為吸電基所加速，由于正值較大，吸電基的影響也較大，反應(yīng)將按雙分子親核取代SN2歷程進(jìn)行。從取代基的電子效應(yīng)來看，吸電基降低了硫原子上的電子云密度，而有利于水分子的進(jìn)攻，即有利于中間體的生成，故反應(yīng)按SN2歷程進(jìn)行。

在水溶液中進(jìn)行的水解反應(yīng)，由于ρ值是較小的負(fù)值，故供電基對(duì)反應(yīng)有利，但影響較小，反應(yīng)按單分子親核取代SN1歷程進(jìn)行。如：反應(yīng)速度取決于硫氯鍵的異裂，當(dāng)取代基是供電基時(shí)，它能中和硫原子上的正電荷，而使中間體得到穩(wěn)定，所以供電基有利于反應(yīng)的進(jìn)行利用Hammett方程，如果知道一個(gè)反應(yīng)的ρ值，可以計(jì)算某種取代基的取代基常數(shù)σ；或者利用σ和ρ值，求得反應(yīng)的相對(duì)K值。如下列反應(yīng)：

ρ=+4.92，當(dāng)取代基Z分別為OCH3和CF3時(shí)，σ分別是σp-OCH3=-0.27,σp-OCF3=+0.54。根據(jù)Hammett方程可以寫成：注意：Hammett方程的應(yīng)用有一定的局限性。Hammett方程中主要是取代基的電子效應(yīng)對(duì)反應(yīng)的影響，但不適用于空間效應(yīng)的情況，當(dāng)鄰位取代基的空間效應(yīng)太大時(shí)，Hammett方程就不適用了，因此，Hammett方程通常不適用于鄰位取代物?！?-2親核取代反應(yīng)

一.親核取代反應(yīng)的歷程1．SNAr2－加成-消除歷程

如下列反應(yīng)：2．SN1歷程

某些重氮鹽發(fā)生親核取代反應(yīng)時(shí)，按SN1機(jī)理進(jìn)行。如：慢快重氮鹽之所以能夠分解成很不穩(wěn)定的芳基正離子，其推動(dòng)力是由于-N2+是一個(gè)很容易離去的基團(tuán)，且其離去后形成了穩(wěn)定的氮分子。3.苯炔機(jī)理－消除-加成歷程N(yùn)aNH3+38%62%如下列反應(yīng)：二．反應(yīng)活性

1.反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)對(duì)活性的影響

芳環(huán)上的親核取代反應(yīng)進(jìn)行的難易程度以及按何種歷程進(jìn)行，與反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。（1）按加成-消除歷程(SNAr2)進(jìn)行的親核取代反應(yīng)

當(dāng)環(huán)上有吸電子基時(shí)，尤其是在離去基團(tuán)的鄰位和對(duì)位，使親核取代反應(yīng)加速，有供電子基時(shí)則反應(yīng)受阻。下列化合物進(jìn)行親核取代由易到難的次序是：當(dāng)離去基團(tuán)的鄰位和對(duì)位有供電子基時(shí)，不僅按加成-消除歷程進(jìn)行的親核取代反應(yīng)較難進(jìn)行，且有相當(dāng)部分將按消除-加成（苯炔機(jī)理）歷程進(jìn)行，但隨著離去基團(tuán)不同，兩種歷程的比例不同。越是容易離去的基團(tuán)，按加成-消除歷程進(jìn)行的量也越多，如：

（2）按SN1歷程進(jìn)行的親核取代反應(yīng)

重氮鹽的水解反應(yīng)是SN1反應(yīng)，當(dāng)環(huán)上有供電子基時(shí)，有利于重氮基被親核試劑取代。當(dāng)環(huán)上有吸電子基時(shí)，不利于重氮基的離去和芳正離子的穩(wěn)定，不利于親核取代反應(yīng)。如：（3）按消除-加成歷程（苯炔機(jī)理）進(jìn)行的親核取代反應(yīng)

對(duì)于一元取代苯，取代基是離去基團(tuán)時(shí)，親核試劑