高等有机化学芳环上的亲电和亲核取代反应课件.ppt

1、高等有机化学芳环上的亲电和亲核取代反应CCCCCCHHHHHH 芳环上离域的芳环上离域的电子的作用，易于发生电子的作用，易于发生亲电取代反应，只有当芳环上引入了强吸电亲电取代反应，只有当芳环上引入了强吸电子基团，才能发生亲核取代反应。子基团，才能发生亲核取代反应。8.1 芳环的亲电取代反应芳环的亲电取代反应8.1.1 芳环上的亲电取代历程芳环上的亲电取代历程1. 亲电试剂的产生亲电试剂的产生HNO32H2SO4NO2+H3O+2HSO4-亲电试剂亲电试剂2 络合物的形成络合物的形成芳环上电子云密度大芳环上电子云密度大NO2NO2 -配合物配合物络合物的形成络合物的形成NO2+HNO2 络合物慢

2、sp3杂化杂化4. 消去消去H+，恢复芳环的，恢复芳环的Kekul结构结构HNO2-H+NO2快CH3CH3CH2F BF3CH3CH2CH3HBF4-通过红外和核磁等通过红外和核磁等可鉴定其结构可鉴定其结构芳香稳定性芳香稳定性CH3EtCH3CH3mp - 15 C 黄色黄色CH3CH3CH3EtFBF3,-80CH3HEtCH3CH3BF4-加成-消除历程-络合物生成是决定反应速率的步骤络合物生成是决定反应速率的步骤 这种机理称这种机理称: :Ar-SAr-SE E+ E+E+HE+- H+Es p2s p3s p2+ E+E+HE+-H+Esp2sp3sp28.1.2 苯环上亲电取代反应

3、的定位规律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. 第一类定位基第一类定位基(邻、对位定位基邻、对位定位基)致活基NH2NHRNR2OHORNHCROPhRFClBrI致钝基-I +C 2. 第二类定位基（间位定位基）第二类定位基（间位定位基）NO2NR3COOHCOORSO3HCNCHOCROCCl3定位规律在有机合成中的应用定位规律在有机合成中的应用典型的芳香亲电取代反应典型的芳香亲电取代反应1. 硝化反应硝化反应HNO3-H2SO4为常见的硝化试剂为常见的硝化试剂HNO32H2SO4NO2+H3O+2HSO4-真正的硝化试

4、剂真正的硝化试剂混酸体系有强氧化性混酸体系有强氧化性 OH20%HNO3OHNO2OHNO2如用混酸将得氧化产物如用混酸将得氧化产物NH2浓HNO3浓H2SO4NH3HSO4-NO2HNO3/CCl4低温时的硝化速度较快低温时的硝化速度较快OCH3HNO3CH3COOHCH3ONO22磺化反应磺化反应亲电试剂为亲电试剂为SO3或或SO3H（共轭酸）（共轭酸）SO3HHSO3H慢SO3H- H+快+SOOO SO3- H+特点：特点：(1)可逆反应，可用于芳环的定向取代（可逆反应，可用于芳环的定向取代（；(2)置换反应，合成一些难于合成的物质。置换反应，合成一些难于合成的物质。CH3H2SO4S

5、O3HCH3NO2CH3SO3HHNO3H2SO4BrCH3SO3HCuBrH2OH2SO4CH3BrSO3HCH3N2Cl-NaNO2,HCl0-5Fe/HClNH2CH3SO3HX2 FeX3XXFeX3+-XXFeX3+-+慢FeX4-HX快H+X (2) N-卤代酰胺或卤代酰胺或N-卤代卤代磺酰胺作卤化剂磺酰胺作卤化剂NBSCCNOOBrCH3CNHBrOCH3CNHClOCH3SO2NCl23卤化反应卤化反应（1）卤素作卤化剂）卤素作卤化剂Br2 + FeBr3BrBrFeBr3卤化性能较差，只与活泼芳烃反应，可避免氧化反应卤化性能较差，只与活泼芳烃反应，可避免氧化反应发生（对芳胺和

6、酚特别有用）发生（对芳胺和酚特别有用）FeCl3HClN-OOBr+NOOBr亲电试剂亲电试剂PhCH3NBSFeCl360BrCH3CH3SO2NCl2NHCCH3OCHCl3.HCl20ClNHCCH3ONHCCH3ClOCH3SO2NH2主次需要在极性溶剂和极性催化剂存在下发生需要在极性溶剂和极性催化剂存在下发生NOOBr(PhCOO)2CCl4NOOBrBrCH2CH3CHBrCH3+自由基取代反应 邻位和对位定向比：邻位和对位定向比：CH3HNO3H2SO4NO2+BF4-/CH3CNm%o%p172.36033769229相对速率1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：亲电试剂的活性越

7、高，选择性越低：2) 空间效应越大，对位产物越多：空间效应越大，对位产物越多：C(CH3)3H2SO4C(CH3)3SO3H100%XX o% p% m%F 12 88 0Cl 30 69 1 I 32 60 8 X 具有具有I效应，使邻位的电子云密度降低。效应，使邻位的电子云密度降低。FClBr I电负性电负性依次依次降低降低I效应效应依次依次减小减小电子云密度电子云密度降低的位置降低的位置是不利于是不利于E+进攻的。进攻的。溶剂效应：溶剂效应：CH3C ClOAlCl3CS2CCH3PhNO2CCH3OOE+被硝基苯溶剂化，体积增大。被硝基苯溶剂化，体积增大。较大的空间效应使它进入较大的空

8、间效应使它进入1位。位。螯合作用NO2NO2OCH2CH2OCH3-NO3-(邻）69%（对）28%CH2NO2CH2OCH3CH2CH2OCH3NO2HNO2CH2CH2OCH3-H+产物能够发生螯合能够发生螯合效应的条件：效应的条件：1杂原子能与杂原子能与试剂结合；试剂结合；2）所形成环为）所形成环为五员环或六员环。五员环或六员环。原位取代原位取代原位取代 (Ipso取代取代):在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用Ipso效应：效应：CH3CH(CH3)2NO2OAcAc2OCH3CH(CH3)2NO2+CH3CH(CH3)2NO2+CH3NO2

9、82%8%10% 取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷的能力。的能力。CH(CH3)2比较稳定，异丙基容易作为比较稳定，异丙基容易作为正离子消除。正离子消除。4. Fridel-Crafts反应反应(1) 烃基化烃基化R+AlCl4-亲电试剂产生亲电试剂产生RClAlCl3RClAlCl3+-ROHHXX-ROH2H2OR+RCHCH2H2SO4RCHCH3 HSO4-催化剂活性催化剂活性 AlCl3FeCl3SbCl5SnCl4BF3TiCl4ZnCl2 易发生重排反应易发生重排反应 CH3CH2CH2ClAlCl3PhCHMe2PhCH2CH2CH3

10、70% 30%CH3CH2CH2ClAlCl3- AlCl 4CH3CH2CH2CH3CHCH3重排重排HOH2SO4H+B. 易发生多烷基化易发生多烷基化 烷基为活化基烷基为活化基 C. 可逆反应可逆反应动力学条件下，遵守定位规律；热力学控制条件下动力学条件下，遵守定位规律；热力学控制条件下得稳定的间位产物。得稳定的间位产物。D. 钝化的芳烃不发生烷基化钝化的芳烃不发生烷基化烷基化试剂为较弱的亲电试剂烷基化试剂为较弱的亲电试剂E-OH，-NH2和和-OR等易与路易斯酸配位，使催等易与路易斯酸配位，使催化剂难于发生烷基化，可改用烯作烷基化剂，以化剂难于发生烷基化，可改用烯作烷基化剂，以酚铝或苯

11、胺铝作催化剂酚铝或苯胺铝作催化剂（2）酰基化反应）酰基化反应A. 用酰氯时用酰氯时,AlCl3的量要大于的量要大于1mol,用酸酐时用酸酐时AlCl3要大于要大于2mol。PhOHCH3COOHPhOCCH3OACl3PhNO2OHCCH3OB. 酚的酰化是酚的酰化是Fries重排重排RCOOAlCl3CORAlCl3RCOArAlCl3RCOClAlCl3+CH3CH2CH2COClAlCl3CH3CH2CH2COCH3CH2CH2CH2Zn-HgHClC. 不会发生重排不会发生重排AlCl3+H2CH2CCOCOOCCH2CH2COOHOCH2CH2CClOAlCl3O5.重氮盐的偶联反应

12、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。应，通常为对位缩合或同环缩合。PhN2Cl PhNMe2AcONaPhN=NNMe290%PhN2HSO4-HONaOHNNHO当重氮盐的邻对位有强吸电基时，其亲电性提高，可当重氮盐的邻对位有强吸电基时，其亲电性提高，可与芳醚或均三甲基反应。与芳醚或均三甲基反应。6.氯甲基化反应氯甲基化反应HCHHClOZnCl2PhCH2ClH2O70 C活泼芳烃才能发生反应活泼芳烃才能发生反应MeOCH3CHOHClZnCl2MeOCHCH3ClOH-MeOCH=CH

13、28.5 芳香族亲核取代反应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电取代困难得多.只有当芳环上存在较强的吸电子基团只有当芳环上存在较强的吸电子基团（-NO2,-SO3H等）时才能发生亲核取代反应。等）时才能发生亲核取代反应。历程包括：历程包括：加成加成-消除历程消除历程，消除消除-加成历程加成历程（苯炔历（苯炔历程）和程）和单分子亲核历程单分子亲核历程（SNAr1）8.5.1 加成加成-消除历程消除历程 芳香族亲核取代反应芳香族亲核取代反应吸电基有利于降低芳环的电子云密度，特别是邻、对吸电基有利于降低芳环的电子

14、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对这些位置发生亲核加成，生成离域的碳负离子中间体体(即即Meisenheimer络合物络合物).又称为又称为SNAr2历程历程Meisenheimer络合物已被分离出络合物已被分离出CH3OOCH3NO2NO2NO2K+NO2NO2O2NOCH3OC2H5O2NNO2NO2KOC2H5NO2O2NOC2H5NO2H3COOCH3又称为又称为SNAr2历程历程Meisenheimer络合物已被分离出络合物已被分离出CH3OOCH3NO2NO

15、2NO2K+ Nu-LNuNO2LNO2+慢L-快NuNO2OC3H7-nNO2NO2180NHPhNO2NO2PhNH280%影响亲核取代反应的因素影响亲核取代反应的因素8.5.2 消去加成（苯炔历程）消去加成（苯炔历程）当当苯环上没有较强的吸电子基存在时苯环上没有较强的吸电子基存在时, 现象现象*ClNaNH2液氨33*NH2*NH250%50%BrCH3NaNH2.液氮35NH2CH3NH2CH357%43%BrCH3OCH3KNH2.液氮35因为没有邻位氢，推断不能发生消除反应。因为没有邻位氢，推断不能发生消除反应。*Br-苯炔50%50%中间体证据（捕获，中间体证据（捕获，Diels

16、-Alder反应）反应）INaNH2液氨*NH2*NH2NH3加成*BrH NH2-NH3*Br消除底物结构对活性的影响底物结构对活性的影响XZZZNH3+-ZNH3+-I，NH3I，CH3ZXZZNH3+-NH3+Z-I，NH3I，CH38.5.3 芳基重氮离子的单分子亲核取代（芳基重氮离子的单分子亲核取代（SNAr1）H2O快OH证据证据v=kPhN2+ 芳环上的供电基有利于反应，吸电基不利于反应，芳环上的供电基有利于反应，吸电基不利于反应，说明有正离子形成说明有正离子形成一级反应一级反应 同位素标记同位素标记RNN慢-N2*NN NN*NN*N = 15N. SN1 机理机理N N+N2

17、+OH2+OH+H2O-H+快KIIN2+Cl-NH2NaNO2HCl合成？ClBrCH2CH3KMnO4 , H2SO4COOHCH2CH2CH2CH3KMnO4 , H2SO4COOHCH2CH2CH2CH3C(CH3)3COOHC(CH3)3KMnO4 , H2SO4CH3KMnO4 , H2SO4COOH氧化反应苯环有特殊的稳定性，烷基苯在高锰酸钾、硝酸、铬酸等强氧化剂作用下，烷基氧化成羧基。Birch还原（伯齐还原）苯在液氨中用碱金属（Li，Na）和乙醇还原，通过1,4-加成生成1,4-环己二烯的反应 C2H5OHNa , NH3(l)CH3CH3C2H5OHNa , NH3(l)CH3CH3给电子基和双键相连COOHCOOHC2H5OHNa , NH3(l)吸电子基连在饱和碳原子上 与金属反应 反应活性：IBrClFClClMgMgEt2O不反应THFMgCl+干MgBrMgClBrCl+MgTHF习题