芳环的亲电取代亲核取代反应芳环取代基的反应.ppt

,Electrophilic and Ncleophilic Substitutions at Aromatic Rings,Reactions of Substituents of Aromatic Rings,第七讲芳环的亲电取代亲核取代反应芳环取代基的反应,本章主要内容,一、苯的亲电取代反应及机制二、取代基对苯环亲电取代反应的影响三、稠环芳烃的亲电取代反应四、芳香杂环的亲电取代反应五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应六、芳环取代基的反应芳香重氮盐的形成及其在合成中的应用,一、芳环的亲电取代反应及机制,1.Mechanism:Step 1:类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的pi-键，形成碳正离子,Step 2:这一步与烯烃不同，不是发生亲核试剂对苯环进行加成，而是脱去一个质子，回复到稳定的芳香性苯环结构，结果发生取代反应。,一、芳环的亲电取代反应及机制,Activated Electrophiles(活化的亲电试剂)Cation formation by reaction of an elcerophile with an aromatic ring is accompanied by the loss of aromatic stabilization.正离子的形成伴随着芳香性的丧失 Therefore,the electrophile that can effect aromatic subsitution of benzene must be more reactive than those addition to alkenes.因此，与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性,亲电试剂的分类,1.强亲电试剂，能取代致活和致钝的芳环：,Cl-Cl+-AlCl3 Br-Br+-FeBr3 I+(obtained by I2+HNO3)+NO2(obtained by HNO3+H2SO4)+SO3H(from H2SO4)or SO3,2 中等强度亲电试剂，能取代致活、不能取代致钝的芳环：,R+(obtained by R-Cl+AlCl3)RC+=O(obtained by RCOCl+AlCl3)R2C=O+H(obtained by R2C=O+H+),3 弱亲电试剂，只能取代高活化的芳环：,苯环上的电子为芳香取代反应供给了电子，很多亲电试剂能与之反应其范围远比烯、炔加戊反应为广泛。可以用一个统一的反应机理来解释这些取代反应，虽然反应酌动力学、自由能反应曲线对每一种亲电试剂来说可以是不一样的，但若干中间步骤基本上是相似的.,取代反应中发生 络合物的证据有好几个方面,用标记同位素方法研究取代速度是其中之一。如果质子的离去关系到亲电取代速度，则环上速度显示第一级的同位素效应。对硝化和一些快速取代反应看不出这种同位素效应。例如苯上有五个氘的硝基苯在硝化时与普通硝基苯的硝化没有什么差别。缺乏同位素效应说明退减质子是一步快步骤。但并非都是如此某些芳香取代反应显示kH/kD比值在12之间，说明存在着同位素效应,这是与。络合物机理一致酌，因为这种络合物退减质子较慢，成为决定速度的步骤.从而证明了 络合物中间体。,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,3.The five most common electrophilic aromatic substitution reactions are the following:,一、芳环的亲电取代反应及机制,以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同：Cl-Cl+-AlCl3 Br-Br+-FeBr3 I+(obtained by I2+HNO3)+NO2(obtained by HNO3+H2SO4)+SO3H(from H2SO4)or SO3 R+(obtained by R-Cl+AlCl3)RC+=O(obtained by RCOCl+AlCl3),一、芳环的亲电取代反应及机制,(1)Halogenation,一、芳环的亲电取代反应及机制,(1)Halogenation,一、芳环的亲电取代反应及机制,(2)Nitration,一、芳环的亲电取代反应及机制,(3)Sulfonation reversible reaction,磺化反应是可逆的，存在动力学和热力学控制的竞争,一、芳环的亲电取代反应及机制,(4)Friedel-Crafts Alkylation(傅氏烷基化),Note:Rearrangement may occur in alkylation,一、芳环的亲电取代反应及机制,(4)Friedel-Crafts Alkylation(傅氏烷基化),10,10,(5)Friedel-Crafts Acylation(傅氏酰基化),一、芳环的亲电取代反应及机制,注意使用不同的酰化试剂时，催化剂的用量是不同的,1.0eq.,2.0eq.,没有重排问题,一、芳环的亲电取代反应及机制,思考题：如何从苯合成正丁基苯？,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,A study of the chemistry of aromatic compounds leads to deeper understanding of the effects of electronic and steric factors on reactivity,which will be of benefit in the further study of chemistry and biochemistry.,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,1.Experimental Facts:,2.The effect of substituents on reactivity Activating substituents(致活基)Electron-donating substituents(给电子基)increase the reactivity of the benzene ring toward electrophilic aromatic substitution.Deactivating substituents(致钝基)Electron-withdrawing substituents(吸电子基)decrease the reactivity of the benzene ring toward electrophilic aromatic substitution.,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,2.The effect of substituents on reactivity,Relative reactivity:,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,致活基,致钝基,取决于取代基电子效应对苯环电子云密度影响的大小,Strongly activating substituentsModerately activating substituentsWeakly activating substituents,Weakly Activating Substituents Moderately activating Substituents Strongly activating substituents,-CF3,邻、对位定位,*,只具有吸电子诱导作用,间位定位,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,3.The effect of substituents on orientation ortho/para directors(邻对位定位基)all activating substituents are ortho/para directors.the weakly deactivating halogens are ortho/para directors.meta directors(间位定位基)all deactivating substituents(except the halogens)are meta directors.,4.定位效应与定位规律的分析与解释从实验事实提出的问题：为什么致活基都是邻对位取代基？为什么大多数致钝基都是间位定位基？为什么卤素既是弱的致钝基，又是邻对位定位基？以下从三个方面进行分析讨论：电子效应对苯环上电子云密度分布的影响 苯环上电子云密度分布的理论计算结果 反应中活泼中间体的结构与稳定性,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,电子效应对苯环上电子云密度分布的影响,-NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR等基团均具有相似的给电子共轭和吸电子诱导作用，并且其总结果以共轭给电子作用为主，从而使得苯环上的电子云密度增加，亲电反应速率增大。从上述共振结构可以看出给电子作用使得邻对位电子云密度增加得更多，因此反应发生在邻对位。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,电子效应对苯环上电子云密度分布的影响,-CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等基团均具有吸电子共轭和吸电子诱导作用，从而使得苯环上的电子云密度降低，亲电反应速率降低。从上述共振结构可以看出吸电子共轭作用使得邻对位电子云密度降低得更多，因此反应发生在间位。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,电子效应对苯环上电子云密度分布的影响,-X原子均具有吸电子诱导作用和给电子共轭，并且其总结果以吸电子作用为主，从而使得苯环上的电子云密度降低，亲电反应速率降低。从上述共振结构可以看出给电子作用使得邻对位电子云密度降低得较少，因此反应发生在邻对位。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,由以上分析可见：当一个基团既有诱导效应又有共轭效应时，则整个基团表现出来的电子效应是两种效应的总和。取代基产生的共轭电子效应对苯环的邻对位产生的影响较大，而对间位产生的影响较小。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,苯环上电子云密度分布的计算结果,以上结果与前述分析结果是一致的。,以下再从反应的活泼中间体结构和稳定性进行分析,CH3和烷基：弱致活基，邻对位定位基。,OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基。,OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基。,OCOR，NHCOR：中等致活基，邻对位定位基。,当氧或氮与羰基相连时，氧或氮上的孤对电子也与羰基共轭，因此与苯环的共轭作用减弱了,强致钝基和中等致钝基，间位定位基：,-CONH2,-COOR,-COR,-CHO,-SO3H,-+NR3,-NO2,-CF3,-CN,-CF3和-+NR3只具有吸电子诱导效应其它基团则兼具有吸电子诱导和共轭效应,NH3+：强致钝基，间位定位基,NO2：强致钝基，间位定位基,强致钝基和中等致钝基，间位定位基：,难以发生F-C烷基化反应和F-C酰基化反应,Halogens：弱致钝基，既具有吸电子的诱导效应，又具有给电子的共轭效应，从反应速率比苯低可以得知吸电子作用更强；但正因为具有给电子的共轭作用，使得它成为邻、对位定位基。,5.The ortho/para ratio,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,取代基的空间位阻将影响邻对位比例,5.The ortho/para ratio,取代基的体积越大，空间位阻大，邻位比例减少,6.取代基对反应条件的影响,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,类似地，硝化试剂有稀硝酸、浓硝酸、混酸等,6.取代基活性与反应条件,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,白色沉淀，用于苯酚鉴别。,活化作用影响 钝化作用影响（多数情况）强作用的影响 弱作用的影响*（两个活化基存在时，则强活化基决定定位 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,7.多取代苯的定位效应：,When more than one group is attached to a benzene ring,the effect of the stronger activator(or weaker deactivator)prevails.,7.多取代苯的定位效应：,7.多取代苯的定位效应：,位阻较大,7.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,8.Synthesis of substituted benzenes,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis substituted benzenes,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis substituted benzenes,间位定位基难以发生F-C反应是务必要记住的。,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis substituted benzenes,直接烷基化可能重排,磺酸基应后引入,o、p-定位基,m-定位基,直链烷基苯,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis substituted benzenes,利用磺化的可逆性可以起到保护苯环上的某些位置的作用这是常用的合成的策略,A、苯环上引入羟基、氟和氰基,6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物,6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物,三、多环芳环的亲电取代反应,实验事实：（1）萘的活性高于苯，且-位活性高于-位；（2）蒽、菲则主要生成9-或10-位取代产物,分析解释：,三、多环芳环的亲电取代反应,分析解释：,三、多环芳环的亲电取代反应,关于磺化反应：,作业1：请同学们分析回答：（1）蒽、菲为什么主要生成9-或10-位取代产物（2）蒽、菲的磺化反应为什么以1-取代为主,三、多环芳环的亲电取代反应,萘环上的取代基对新的取代反应定位影响：,作业2：请同学们分析解释上述定位规律,四、芳香杂环的亲电取代反应,五元芳香杂环的反应活性：,五元芳香杂环的反应定位规律：吡咯、呋喃和噻吩均以2-取代产物为主,四、芳香杂环的亲电取代反应,六元芳香杂环的反应活性：,吡啶不能进行FriedelCrafts烷基化和酰基化反应，但其酰基吡啶盐却是很好的酰基化试剂,四、芳香杂环的亲电取代反应,六元芳香杂环的反应定位规律：吡啶的亲电取代反应发生在3-位,五、芳环亲核取代反应,通常苯是不会发生亲核反应的因为当亲核负离子接近时，pi-电子云会对它产生排斥，此外，氢负离子是一个碱性非常强的碱，难以离去。,五、芳环亲核取代反应,1.SNAr Reaction（芳环亲核取代反应）然而，当苯环上具有一个或多个强的吸电子基团时，并且具有一个较好的离去基团（如卤素）时，亲核取代反应就可以在不太激烈的条件下发生。,五、芳环亲核取代反应,五、芳环亲核取代反应,2、芳香杂环的亲核取代反应 吡啶比苯容易发生亲核取代反应,吡啶的2-位或4-位上连有好的离去基团时，容易发生亲核取代反应,吡啶的3-位的反应性与卤代苯类似，反应要求条件较强烈且需要在铜盐催化下发生反应：,六、芳环取代基的反应,1、光照或加热条件下 卤代反应2、芳环侧链的氧化反应,六、芳环取代基的反应,脂肪族胺也能发生重氮化（Diazotization)反应，但是所生成的重氮盐不稳定，很快分解，因此难以用于合成，但可用于氮含量分析 凯氏定氮法芳香重氮盐在合成上用途广泛,3、Formation of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐的形成,六、芳环取代基的反应,4、Nucleophilic Subsitution of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐的亲核取代反应 Synthesis of Substituted Benzenes,六、芳环取代基的反应,5、Coupling reaction of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols The Arenediazonium Ion as an electronphile 偶氮化合物的合成,区域选择性偶联反应通常发生在羟基或氨基的对位，如果对位有基团占据，则发生在邻位。,六、芳环取代基的反应,5、Coupling reaction of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols The Arenediazonium Ion as an electronphile 偶氮化合物的合成苯衍生物,反应条件重氮盐与酚的偶联常在pH810的弱碱性条件进行；重氮盐与芳胺的反应在弱酸性条件下进行。Why？,1)被卤素或氰基取代（Sandmeyer反应）,六、芳环取代基的反应,6、重氮盐在合成上的应用,讨论,2 碘代物、氟代物的制备,4)被硝基取代,2)被氢原子取代,次磷酸水溶液或乙醇。,3)被羟基取代（重氮盐的水解）,注意：用硫酸重氮盐,讨论,六、芳环取代基的反应,6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物,六、芳环取代基的反应,6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物,六、芳环取代基的反应,6、重氮盐在合成上的应用C、合成偶氮化合物,作业3、请尝试设计上述偶氮化合物的合成路线,分速度因数f 用于表示定位效应,取代苯某一位置的取代速度与苯的取代速度的比值。,fo=43.5 fm=2.1 fp=46.9分速度因数使我们可以看到两种情况，即底物选择性和位置选择性。,分速度因数使我们可以看到两种情况:1“底物选择性”:1.1首先它揭示不同底物对亲电试剂的选择性，反映出取代苯和苯的取代反应相对速度的大小。意思是同一硝化取代反应在甲苯的间位上进行时，其速度比苯环上要快2.1倍，在对位上进行时要快46.9倍。或者笼统地比较甲苯的硝化反应总产率在单位时间内比苯多 23倍，也就是说甲苯的硝化反应速度比苯快23倍。1.2 反映出定向基团对某亲电试剂致活程度的高低,底物选择性小:)亲电试剂特强:亲电试剂特强的情况使其取代反 应受定向效应的约束力小，)底物易被取代:底物易被取代则不要求亲电试剂克服多大反应能障对各类底物似乎 有着相似的反应速度。,2“位置选择性”:分速度因数还告诉我们在同一底物芳环上三种不同位置的相对取代速度，它是指同一个取代苯分子内起作用的因素，不同取代反应这种选择性是不同的，它着重告诉我们取代反应的历程，定向基因在起定位效应中有利于某一位置的过渡态或中 间体的形成的因素。,3“位置选择性”和“底物选择性”的关系:高的“底物选择性 的亲电取代反应一般显示小的O/P比例和微不足道的间位取代。本来如果没有定位效应起作用的话，邻位和间位的取代速度应 为对位取代速度的2倍，而o:p比例小,正好说明了定位效应在起作用。另外一方面，亲电试剂如果很活泼，它对位置选择性较差,受定向效应作用小,进攻三位置的不速度表现很大差异,即对苯的和取代苯的进攻速度也无明显差异,即“底物选择性”底。,4 活性和选择性与亲电试剂在取代反应中形成过渡态的难易程度有关,这两者作用的结果就是各种位置异构物的比例.活性强的亲电试剂和苯环形成。络合物的反应自由活化能较小。络合物在能量上和芳香体系相似，结构也接近它没有等到体系的各个异构体达到热力学平衡，就通过过渡态ii而释放出质子变成更稳定的产物,这种反应较多地受动力学因素控制。,汉默特方程取代基效应和自由能的线性关系式 各种取代的芳香体系的反应速度和反应平衡与取代基的性质有很大关系，这一关系很早就 被人们所认识。从这些关系中找到的定量表达方式中，比较早的一个就是汉默特(Hamett)方程。首先从芳香酸的酸性，芳香酸酯的水解速度之间找到了关系。图103显示lgkk。(这里k为取代苯甲酸乙酯的水解速度，k。为苯甲酸乙酯的水解速度)与lgKlgK。发生了线性关系，这里 K为取代苯甲酸的酸性解离常数，K。为苯甲酸的酸性解离常数。,它只取决于取代基的结构和取代基的位置，与反应类型和反应条件无关，它定量的表示取代基的极性效应；,它决定于反应特性和条件，是反应对取代基极性效应的敏感性的度量尺度。,利用汉默特方程，如果知道一个反应的，就能计算某种取代基的取代特性常数,反之亦行。,已知苯甲酸甲酯的碱性水解反应特性常数 238。苯甲酸甲酯的反应速度常数在该条件下,求间硝基苯甲酸甲酯的反应速度常数.,计算对溴苄基氯与对硝基苄基氯在水中水解的相对速度.,当某一芳环上的反应满足汉默特方程,有三种情况:1 吸电基使反应加速,2推电基是反应减速,3取代基对反应无明显影响,归纳起来，反应近程能量曲线图可以分为四类：第一类，反应速度取决于亲电试剂的生成速度：第二类，反应速度取决于没有选择性的亲电试剂所生成的络合物；第三类，反应速度取决于强选择性亲电试剂所生成的络合物；第四类，反应速度取决于络合物的质子的离去速度。这四种情况中第一种与芳香化合物的浓度无关。第二和第三种情况，速度取决于亲电试剂和好香化合物两者的浓度。差别仅在于络合物的能量和出现时间稍有不同，前者的绝对值小，后者的绝对值大。第四种情况比较少，只是在络合物非常稳定，芳构化变成决定反应速度的少数例子中出 现，例如有较大的初级同位素效应的反应。,反应速度取决于亲电试剂的生成,与芳香化合物的浓度无关,反应速度取决于没有选择性的亲电试剂所生成的 络合物,速度取决于亲电试剂和芳香化合物两者的浓度,反应速度取决于强选择性亲电试剂所生成的 络合物,速度取决于亲电试剂和芳香化合物两者的浓度,反应速度取决于络合物的质子的离去速度,络合物非常稳定，芳构化变成决定反应速度,本章主要内容,一、芳环的亲电取代反应及机制二、取代基对芳环亲电取代反应的影响三、多环芳烃的亲电取代反应四、芳香杂环的亲电取代反应五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应六、芳环取代基的反应,影响邻对位取代产物比例的因素,空间效应 空间效应大使邻对比例下降,2 电子效应,亲电试剂活性的影响 活性高-位选低 活性低-位选高,有利对位产物4 试剂与苯环上原有基团的相互作用生成络合物,邻对比提高,5 自位取代 已有基团的位子上发生的取代作用,1硝化反应芳香硝化反应的反应机理是很清楚的，其过程有三：(1)亲电试剂的产生,(2)进攻芳环,(3)去质子,一般地说:第一、二步是决定反应速度的步骤，第三步是很快的，不作为动力学的一项出现。在有机溶剂中用硝酸进行硝化，例如，在硝基甲烷中硝化苯和甲苯，或在四氯化碳中硝化二甲苯、均三甲苯，它们的侵步骤是硝基正离子的产生，而与芳香烃的浓度无关。如与活性较差的底物反应，速度式中也要包括芳香烃一顶。因为第二步被芳香烃的活性所延迟，所以芳烃的浓度也参加到速度式中去。在强酸中进行硝化，一般是二级动力学式。第一步产生硝基正离子，而决定速度的是第二步，酸的浓度与产生硝基正离子有关。在90%重量浓度的硫酸中，硝酸离解为正离子是彻底的。,1 求甲苯在250C的醋酸溶液中进行硝化和氯化反应的分速率因数fP和fm以及生成物中对位异构体和间位异构体的百分含量。,对位取代基S在芳环上对下列反应速率的影响表现在取代反应速率：,从上述数据和其相应的苯甲酸的酸性离解常数作出Hammett关系图。能否从上述数据中求出反应大致的 值.能否说明反应是亲电的还是亲核的。,下列化合物的重氮化偶合反应表明的进攻位置取决于介质的酸性,试解释这种现象.,