高等有機第七章+芳環(huán)上的取代反應課件

第七章芳環(huán)上的取代反應第七章芳環(huán)上的取代反應1芳環(huán)上π電子離域，易于發(fā)生親電取代反應。只有當芳環(huán)上引入了強吸電子基團時，才能發(fā)生親核取代反應。芳環(huán)上π電子離域，易于發(fā)生親電取代反應。27.1.芳環(huán)上的親電取代σ－絡(luò)合物芳正離子，Wheland絡(luò)合物芳香族化合物可以起多種親電取代反應，在合成中有廣泛的應用，對其機理研究得也比較全面。大多數(shù)芳香族化合物的親電反應都是按著加成－消除機理(Ar-SE)進行的：一般地，k2>k1,k-1,所以，σ－絡(luò)合物生成步驟是決定反應速度步驟。7.1.芳環(huán)上的親電取代σ－絡(luò)合物芳正離子，Wheland37.1.1σ-絡(luò)合物存在的證明一、分離鑒定二、在超酸中用NMR檢測δ值的大小也充分說明了正電荷主要分布在鄰對位7.1.1σ-絡(luò)合物存在的證明一、分離鑒定二、在超酸中用4三、推測例如，下列反應中有螺環(huán)產(chǎn)物（Ⅰ）出現(xiàn)，可能是由σ-絡(luò)合物起分子內(nèi)反應生成的：（Ⅰ）三、推測例如，下列反應中有螺環(huán)產(chǎn)物（Ⅰ）出現(xiàn)，可能是由σ-絡(luò)57.1.2本位進攻（ispoattack)在芳環(huán)上已有取代基的位置上，發(fā)生的取代作用——Ipso效應.硝化反應中本位進攻研究得較多。NO2+本位進攻生成的σ-絡(luò)合物可以發(fā)生幾種反應：本位取代σ-絡(luò)合物與溶劑中的親核試劑Y-結(jié)合硝基進攻鄰位，生成鄰位取代產(chǎn)物7.1.2本位進攻（ispoattack)在芳環(huán)上已6

取代基消除的難易程度取決于其容納正電荷的能力。＋CH(CH3)2比較穩(wěn)定，異丙基容易作為正離子消除。例如，1-甲基-4-異丙基苯在乙酐中硝化生成四種產(chǎn)物：上述事實說明：苯環(huán)上除了H可以被取代之外，其他取代基也可以被取代。取代基消除的難易程度取決于其容納正電荷的能力。＋CH77.1.3π-絡(luò)合物EfastHE+

H+HEE+Nu-slowfastE+p-絡(luò)合物決定反應速度步驟動力學同位素效應可以證明此步反應速度較快7.1.3π-絡(luò)合物EfastHE+H+HEE+Nu-87.1.4動力學同位素效應用氘或氚標記苯環(huán)進行親電取代，kH/kD或kH/kT的數(shù)值接近1，說明C——H鍵斷裂的步驟不是決定反應速率的步驟。例如：kH/kD=1kH/kD=1.05有一些反應的kH/kD〉1，例如：7.1.4動力學同位素效應用氘或氚標記苯環(huán)進行親電取代，9kH/kD=3.6原因：σ-絡(luò)合物中H與Br分別處于苯環(huán)平面的上下，與鄰位的叔丁基距離較遠，相互作用較小。生成產(chǎn)物后，Br原子不得不與鄰位的兩個叔丁基共平面，它們之間的距離變近，相互排斥力增大，生成就較困難。使得k2變小，成為影響反應速度的步驟。kH/kD=3.6原因：σ-絡(luò)合物中H與Br分別處于苯環(huán)平面107.1.5定位規(guī)律定位規(guī)律有兩個方面：1、取代基使芳環(huán)活化還是鈍化2、取代基是鄰對位定位還是間位定位-CF3具有強烈的-I使苯環(huán)鈍化7.1.5定位規(guī)律定位規(guī)律有兩個方面：1、取代基使芳環(huán)活11-NH2具有-I和+C，+C>-I,總結(jié)果給電子，使苯環(huán)活化-NH2具有-I和+C，+C>-I,總結(jié)果給電子，使苯環(huán)12-Cl具有-I和+C，+C<-I,總結(jié)果吸電子，使苯環(huán)鈍化-Cl具有-I和+C，+C<-I,總結(jié)果吸電子，使苯環(huán)13（1）鄰對位定位基（Ⅰ類定位基）鄰對位定位基(除鹵素外)是致活的。-X致鈍。親電取代速度比苯快(除鹵素外)

。定位基分類（p595）（2）間位定位基（Ⅱ類定位基）間位定位基都是致鈍基。大多數(shù)鄰對位定位基都是飽和原子與苯環(huán)直接相連。大多數(shù)間位定位基與苯環(huán)直接相連的原子都是不飽和的。親電取代速度比苯慢P595示意圖（1）鄰對位定位基（Ⅰ類定位基）鄰對位定位基(除鹵素外)147.1.6分速率系數(shù)（partialratefactor）一取代苯（C6H5R）分子中苯環(huán)上某一特定位置的H發(fā)生親電取代反應的速率與苯分子中某一個H的親電取代反應速率之比，就是該位置的分速率系數(shù)，分別用fo、fm、fp表示7.1.6分速率系數(shù)（partialratefac15苯發(fā)生親電取代反應速率常數(shù)kC6H6苯環(huán)上每一個H原子被取代的速率常數(shù)kH則有：kC6H6=6kH即：kH=1/6kC6H6如果，取代苯發(fā)生親電取代反應時，鄰、間、對位H被取代的速率常數(shù)分別為ko、km、kp的話，那么總速率常數(shù)：kC6H5R=2ko+2km+kp分速率系數(shù)：我們可以測得的數(shù)據(jù)：kC6H6、kC6H5R以及產(chǎn)物的量苯發(fā)生親電取代反應速率常數(shù)kC6H6苯環(huán)上每一個H原子被取代16例如：30℃下，在硝酸與乙酸酐的體系中，甲苯的硝化速度是苯硝化反應的27倍取代產(chǎn)物的百分比為：鄰對間58.1％38.2％3.7％那么：則：得出：例如：30℃下，在硝酸與乙酸酐的體系中，甲苯的硝化速度是苯硝17用同樣的方法可以計算出fm=3、fp=62當f>1時，該位置的活潑性比苯大,否則比苯小。計算出甲苯的分速率系數(shù)：每一個位置的分速率系數(shù)f值都大于1，說明每個位置的活性都大于苯。說明甲基是給電子基，使苯活化。鄰對位分速率系數(shù)遠大于間位，說明甲基對鄰對位活化作用大于間位。用同樣的方法可以計算出fm=3、fp=62當f>118不同取代基的分速率系數(shù)不同，硝化反應：相同取代基，不同反應。分速率系數(shù)也不同：硝化氯化溴化P597例子不同取代基的分速率系數(shù)不同，硝化反應：相同取代基，不同反應。197.2親電取代在有機合成中的應用7.2.1硝化反應硝化反應在有機合成中應用廣泛。不同的硝化試劑的硝化能力不同。一、稀硝酸稀硝酸的硝化能力很弱，只能硝化高度活化的芳環(huán)二、濃硝酸濃硝酸可以自催化產(chǎn)生硝基正離子，是硝化能力中等的硝化試劑7.2親電取代在有機合成中的應用7.2.1硝化反應硝20三、混酸濃硝酸和濃硫酸的混合物形成的混酸能產(chǎn)生高濃度的硝基正離子，硝化能力很強四、發(fā)煙混酸發(fā)煙硝酸和濃硫酸的混合物硝化能力更強三、混酸濃硝酸和濃硫酸的混合物形成的混酸能產(chǎn)生高濃度的硝基正21工業(yè)上用混酸作硝化試劑，會產(chǎn)生大量廢酸液，造成環(huán)境污染，使用固體酸催化可以減少廢酸液的產(chǎn)生。例如：酸性白土、超強酸Nafion、鑭系元素的鹽都可以作硝化反應的催化劑，此時只用化學劑量的硝酸就可以氮的氧化物如NO2-O2、NO2-O3等也可以作硝化試劑五、硝酸溶于乙酐中作硝化試劑硝酸溶于乙酐中生成乙酸與硝酸形成的混酐：這類硝化試劑可以避免苯酚類或苯胺類發(fā)生氧化。六、硝酰鹽硝酰鹽是一類親電能力很強的硝化試劑，可以使反應在低溫進行，如工業(yè)上用混酸作硝化試劑，會產(chǎn)生大量廢酸液，造成環(huán)境污染，使用227.2.2鹵化活性苯環(huán)溴化或氯化時可以不用催化劑。例如：酚或芳胺鹵化容易得到多取代產(chǎn)物,用NBS或NCS試劑鹵化可以得到單取代產(chǎn)物：一、氯化和溴化7.2.2鹵化活性苯環(huán)溴化或氯化時可以不用催化劑。例如：23苯環(huán)或鈍化的苯環(huán)溴化或氯化必須在Lewis酸催化下進行。苯乙酮在催化量的AlCl3催化下與溴作用生成甲基溴代的產(chǎn)物，如果用過量的AlCl3催化，得到環(huán)上溴化的產(chǎn)物：苯環(huán)或鈍化的苯環(huán)溴化或氯化必須在Lewis酸催化下進行。苯乙24二、碘化碘的進攻能力很弱，只能與強活化苯環(huán)如苯酚和苯胺碘代，其它芳環(huán)的碘化要在氧化劑如HNO3或HIO3存在下才能進行。氧化劑的作用可能是使碘生成I+。三、氟化一般用芳香重氮鹽制備氟代物（Schiemann反應）：C6H5N2+BF4-C6H5FHBF4二、碘化碘的進攻能力很弱，只能與強活化苯環(huán)如苯酚和苯胺碘代，257.2.3磺化磺化試劑：基本試劑SO3H2SO4、ClSO3H、FSO3H磺化能力不同的磺化試劑緩和的磺化試劑7.2.4Friedel-Crafts烴化催化劑——Lewis酸：AlCl3（活性最強）、FeCl3ZnCl2、BF3、H2SO4、H3PO4等。烴化劑——碳正離子鹵代烴、烯烴、醇等提供。經(jīng)常出現(xiàn)的問題：1、多烴化2、重排7.2.3磺化磺化試劑：基本試劑SO3緩和的磺化試劑7.26不同的反應條件下，可以得到不同的產(chǎn)物，例如：AgClO4,5min94.4%5.6%AgBF4,15min38.2%61.8%容易分子內(nèi)烴化生成單一的成環(huán)產(chǎn)物：不同的反應條件下，可以得到不同的產(chǎn)物，例如：AgClO4,27催化轉(zhuǎn)移烴化：催化轉(zhuǎn)移烴化：287.2.5Friedel-Crafts?；铣煞枷阃淖钪匾姆椒ā４呋瘎狝lCl3或HF、H2SO4、CH3SO3H、PPA等?；瘎；x子，由酰氯、酸酐或羧酸提供酰基正離子的鹽，如MeCO+SbF6-已經(jīng)合成出來了。用它進行酰化，不用再加催化劑。但是?；芰^弱。因此，用AlCl3催化的?；磻羞M攻試劑可能是?；x子的絡(luò)合物：用酸酐作?；噭?，催化劑AlCl3的用量要增加2mol以上用羧酸作?；噭?，催化劑AlCl3的用量要增加3mol以上7.2.5Friedel-Crafts?；铣煞枷阃淖?9活性高的芳環(huán)進行?；?，可以只用少量催化劑或不加催化劑或使用緩和催化劑如FeCl3、ZnCl2、I2等。芳環(huán)上有強吸電子基，如硝基、磺酸基時，不發(fā)生?；磻?，除非有強給電子基存在。所以硝基苯可以作?；磻娜軇?。該羰基必須還原掉，才能進行下一步的?；磻駝t反應不發(fā)生如果環(huán)上有強給電子基，可以連續(xù)酰化：活性高的芳環(huán)進行?；?，可以只用少量催化劑或不加催化劑或使用緩30新發(fā)展的?；磻拇呋瘎谆撬峒捌潲}例如：三氟甲磺酸鉍，Bi(OTf)3

酰氯或酸酐與三氟甲磺酸生成的混酐這些催化劑直接催化?；磻?，不需要其它催化劑例如：工業(yè)上開發(fā)了一系列固體催化劑，例如各類分子篩新發(fā)展的?；磻拇呋瘎谆撬峒捌潲}這些催化劑直接催317.2.6甲酰化反應一、Gattermann-Koch反應：苯在此條件下不反應，可作溶劑二、Vilsmeier甲?；磻钚员江h(huán)用N,N-二取代甲酰胺HCON(CH3)2?；?，POCl3催化進行甲酰化7.2.6甲?；磻?、Gattermann-Koch反327.2.7芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應重氮鹽正離子作為弱親電試劑，與帶有強給電子基的芳香族化合物(如酚、芳胺等)發(fā)生親電取代反應，生成偶氮化合物。7.2.8鄰位取代金屬化定向基DMG：如酰胺基、酰氧基等含有一個氧原子或氮原子的基團，能與烷基鋰中的鋰原子絡(luò)合，引導烷基奪取芳環(huán)鄰位上的H，生成鄰位金屬化合物，該化合物繼續(xù)與各種親電試劑反應，生成鄰位取代產(chǎn)物。7.2.7芳香重氮鹽的偶聯(lián)反應重氮鹽正離子作為弱親電試劑33例如：例如：347.3.芳環(huán)上親核取代反應7.3.1.加成－消除機理（SNAr）——相當于芳環(huán)上的SN2機理7.3.芳環(huán)上親核取代反應7.3.1.加成－消除機理（S35氯苯與濃的氫氧化鈉溶液在常壓下回流幾天也不反應，加壓下加熱到300多度可以反應：鄰硝基氯苯與對硝基氯苯與氫氧化鈉溶液一起加熱就可以反應P606。鄰對位上硝基數(shù)目增多，使水解更容易反應：和酰氯一樣容易氯苯與濃的氫氧化鈉溶液在常壓下回流幾天也不反應，加壓下加熱到36硝基氯苯與其它親核試劑也可以發(fā)生親核取代P606氟代烷不發(fā)生SN2反應，但是硝基氟苯卻容易與親核試劑反應：離去基團也不限于鹵原子:硝基氯苯與其它親核試劑也可以發(fā)生親核取代P606氟代烷不發(fā)生37早在1902年，Meisenheimer就分離出此類反應的中間產(chǎn)物：深紫色的鹽Meisenheimer絡(luò)合物此類結(jié)構(gòu)已經(jīng)由NMR得到證實。例如：1HNMR只有兩個單峰。早在1902年，Meisenheimer就分離出此類反應的中38五氟硝基苯與氨反應，只有鄰對位上的氟原子被取代5-氯-2-硝基-1,3-二甲基苯的反應活性與氯苯相似。原因：鄰位的兩個甲基使硝基不能與苯環(huán)共平面，失去了吸電子共軛的作用同理：2,5-二硝基-1,3-二甲苯與氨的反應中，5位的硝基是親核取代的活化基團，而偏離苯環(huán)平面的2位硝基則被氨基取代：五氟硝基苯與氨反應，只有鄰對位上的氟原子被取代5-氯-2-硝39一般地：決定反應速度步驟是加成一步，離去基團的離去性對反應速度影響不大。XClBrI相對反應速率10.740.38一般地：決定反應速度步驟是加成一步，離去基團的離去性對反應速407.3.2與SNAr有關(guān)的反應一、Smiles重排反應——分子內(nèi)的親核取代反應通式：其中：Z——吸電子基X——S、SO、SO2O、COOY——OH、SH、NH2、NHR例如：P609通式？7.3.2與SNAr有關(guān)的反應一、Smiles重排反應—41二、vonRichter重排反應芳香族硝基化合物與氰離子反應，生成鄰位羧酸的反應。羧基只在硝基的鄰位生成。機理：二、vonRichter重排反應芳香族硝基化合物與氰離子反427.3.3消除-加成機理(苯炔機理)1953年，RobertsJD發(fā)現(xiàn)反應：推測機理：苯炔(活性中間體)親核加成7.3.3消除-加成機理(苯炔機理)1953年，Robe43苯炔結(jié)構(gòu):苯炔生成：1、脫HX脫HX難易：HF>HCl>HBr>HI原因：X電負性大，H的酸性強，易脫HX。苯炔結(jié)構(gòu):苯炔生成：1、脫HX脫HX難易：HF>HCl>HB442、鄰二鹵芳烴脫鹵3、光解和熱解2、鄰二鹵芳烴脫鹵3、光解和熱解45苯炔具有烯烴的性質(zhì)，可以發(fā)生狄－阿反應苯炔具有烯烴的性質(zhì)，可以發(fā)生狄－阿反應46對于存在其他基團的鹵苯生成怎樣的苯炔？對于存在其他基團的鹵苯生成怎樣的苯炔？47CN吸電子共軛，使對位電子云密度降低的程度更大。CH3O-使鄰對位活化，電子云密度增大；使間位鈍化，電子云密度降低，親核反應發(fā)生在間位。生成的碳負離子較穩(wěn)定.苯炔生成后,親核試劑-NH2與苯炔的那個碳結(jié)合，取決于兩方面：1、炔基碳上的正電性。-NH2首先進攻電子云密度小的碳.CN吸電子共軛，使對位電子云密度降低的程度更大。CH3O-使482、生成的碳負離子的穩(wěn)定性。盡量生成穩(wěn)定的碳負離子.碳負離子的穩(wěn)定性與Z的誘導效應有關(guān)。負電荷所在的SP2雜化軌道處于π電子云的節(jié)面上，與取代基同π電子的共軛關(guān)系不大，主要是Z的誘導作用起作用。Z吸電子使負離子穩(wěn)定性增加給電子使負離子穩(wěn)定性降低NH2－NH2－