第7章 芳香族化合物取代反应(2013)

sp
2
sp2
根据苯炔机理，一些以前无法解释的实验结果就可以得到 解释。例如，邻溴甲苯在氨解时生成约1:1的邻甲苯胺和间 甲苯胺，这是完全可以理解的：
CH3 CH3 Br KNH2/NH3 -33oC 51%
2015年8月17日
CH3 + NH2 49%
NH2 (64% total)
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邻氯三氟甲苯氨化只生成间(三氟甲基)苯胺，因为生成这个 产物的中间体中负电荷距强吸电子基更近而相对更稳定：
NO2 + Cl SH NaOH 30 C
o
S
NO2
对硝基二苯基硫醚
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这种机理的证明，最好的证据莫过于中间体被分离得到。确 实，在1902年一个叫Meisenheimer的化学家就分离得到了下 列化合物：
OC2H5 O2N NO2 CH3O OC2H5 NO2 N C2H5OK O2N NO2 OCH3 NO2
NO2 O NO2
-NO3-
CH3 CH2 O CH2 NO2
用N2O5硝化比用HNO3/H2SO4硝化有较高的邻对位比，后 者是邻位32%，对位59%。 能够发生螯合效应的条件：1〕杂原子能与试剂结合； 2） 所形成环为五员环或六员环。
⑤ 原位取代 (Ipso取代):
在芳环上已有取代基的位置上发生取代作用效应：
17
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●亚硝基活性较小，只有硝基的10-14，只有活性较大的 芳烃才能发生亚硝化反应。
OH NaNO2/H2SO4 OH NO + NO OH
●使用氯磺酸与苯反应，很容易得到苯磺酰氯。
ClSO3H SO2Cl
SO3H
SOCl2
SO2Cl
●重氮基是一个弱的亲电试剂，只有活性较大如酚、芳
第7章 芳香族化合物的取代反应
第一节 芳环上的亲电取代反应
苯环的 离域π 轨道
芳环上离域的π电子的屏蔽作用，易于亲电试剂的进攻， 发生亲电取代反应;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。
亲电试剂是正离子或偶极分子中正的一端
一、 反应机理
H E E+Nu-H+
E
加成－消除机理
决定反应速度的一步是E+进攻苯环，反应结果 得到的是取代产物，故称为苯环上的亲电取代 反应。（electrophilic substitution 缩写为 SE）。
CF3 CF3 Cl NaNH2/NH3 -33oC CF3 NH2 CF3 NH2 NH3 CF3 NH2
间氯(三氟甲基)苯的氨解看似可以在两个方向消除，但由于 三氟甲基邻位的氢的酸性大而更易消除，因此产物一边倒地 生成间(三氟甲基)苯胺：
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CF3 CF3 NaNH2/NH3 Cl -33oC
代
O
NHR NH2 OH OR
NR3
基 电子 +C 效应 +I
+C＞-I
+I
+C＜ -C -I
-I
-I
+I:供电诱导;-I:吸电诱导; +C:供电共轭;-C:吸电共轭
②空间效应的影响
空间效应 亲电试剂和苯环上原有的取代基的体积越 大，对位产物越多：
C H3 R X Al C l 3 C H3 C H3 + R
③ 溶剂效应
O CS2 CCH3 O CCH3
9
1
O CH3C Cl
AlCl3
PhNO2
CH3COCl-AlCl3被硝基苯溶剂化，体积增大。较大的空间
效应使它进入1位。
④ 螯合效应：
CH2 O CH3 CH2 CH2 OCH3 CH2 69% (邻） NO2 28%（对）
CH2 O CH3 CH2 H -H+ 产物 NO2
1.写出下列反应机理
1) CH2CH2OCH3 N2O5 CH2CH2OCH3 NO2
H2SO4 O
2)
+
S 3) H2N Br
CF3 NH2
CF3
对氯(三氟甲基)苯在消除步骤只能生成4–(三氟甲基)苯炔， 由于三氟甲基距离较远，对加成步骤的影响很小，因此生成 两种可能的加成产物的混合物，其分量接近相等 CF3 CF3 CF3 CF3 NaNH2/NH3 + o -33 C NH2 Cl NH2
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【思考题】
第2步：
Nu X Nu fast
-
+
X
●氯苯与浓的氢氧化钠溶液在常压下回流几天也不起反应，要在 压力下加热到300º C以上才能转变成酚钠。邻和对硝基氯苯与氢氧 化钠溶液一起加热就可以水解成硝基苯酚：
Cl NaOH 350℃ 450MPa OH
Cl
NO2
(1).NaOH, 130° C
OH
NO2
CH3
NO2OAc Ac2O
CH3 NO2 +
CH3
CH3
CH(CH3)2
CH(CH3)2 82%
+ NO2 CH(CH3)2 NO2 8% 10%
原位取代的难易，取决于离去基团容纳正电荷的能力和生成 产物的难易程度。容纳正电荷的能力:(CH3)3C-> (CH3)2CH> CH3-。
三、亲电试剂及亲电取代
有的反应中氨基移到了原来卤原子的邻位：
OCH3 Cl OCH3 KNH2/NH3 -33oC 58% NH2
而在另一些反应中，得到以上两种类型的产物的混合物
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OCH3 KNH2/NH3 -33oC, 31% Br
OCH3
OCH3
+
50% CH3 NH2 NH2 50%
CH3 Br
2. 第二类定位基（即间位定位基） ―N+(CH3)3 ＞ ―NO2 ＞ ―CN ＞ ―SO3H ＞ ―CHO
＞ ―COOH ＞ ―COOR ＞ ―CONH2 ＞―+NH3 等. 其特点是：使苯环钝化，具有带正电荷的正离子或 与苯环直接相连的原子以重键与其它原子相连,且 重键末端通常为电负性较强的原子
胺类可以发生偶联反应。
CN Br N NO2
+
N Cl
+
pH=0 OMe
CN Br N NO2 N OMe
●羟胺磺酸酯与苯反应，可以得到苯胺，但产率较低。
+
H2N-O-SO3H
AlCl3
NH2
●在多聚磷酸存在下，过量的羟肟酸与苯反应，可以得到 较好收率的酰化苯胺。
+
R
C NHOH O
PPA
NHCOR
NO2 CH3OK O2N
O O K 深紫色的盐
因此这种化合物就叫做Meisenheimer络合物。
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2. 消除-加成机理
卤代芳烃在液氨中与氨基钠或氨基锂反应，卤原子被氨基取代， 生成芳胺，在有的反应中氨基在卤原子原来的位置上。例如：
OCH3 KNH2/NH3 Br -33oC OCH3 59% NH2
二、亲电取代反应定位基的定位效应
（一）苯环上取代反应的定位规则—两类定位基 1.第一类定位基(即邻对位定位基)
―O-、 ―N(CH3)2 ＞ ―NH2 ＞ ―OH ＞ ―OCH3 ＞ ―NHCOCH3 ＞―OCOCH3 ＞ ―CH3 ＞ ―Cl ＞ ―Br ＞―I 、 ― C6H5 ┄ 等。
其特点为：使苯环活化，具有带负电荷的离子或与苯环直接 相连的原子带有未共用电子对，且以单键与其它原子相连或 与苯环的大π键发生σ,π–超共轭效应或具有碳碳重键
NH2 NH2
NH2 H NH2 NH2
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生成苯炔后NH2-负离子对它的加成中两个位置几乎是等同的， 所以得了约1:1的产物：
* Cl -HCl
*
* NH2 +
* NH2
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苯炔是非常活泼的中间体，实验测定 苯炔的生成热为491.20kJ.mol-1, 说 明它非常不稳定。它的第三个键实际 上是两个sp2杂化轨道在侧面重迭而 成的，因此重迭程度很小，与一般的 炔烃很不相同。
R
R=
C H3 C H2C H3 C H(C H 3 )2 C (C H 3)3
位 阻 依 次 增 大
依 次 减 少
依 次 增 多
如果芳环上原有基团与新引入基团的空间位阻都很大
时，对位产物几乎为100%。
(C H3)3C (Cl、Br) 浓 H2SO4 (C H3)3C (Cl、Br) SO3H ~100%
KNH2/NH3 -33oC, 64% 51%
CH3 KNH2/NH3 -33oC, 64%
CH3
+
NH2
CH3
NH2
49%
CH3 NH2
CH3
+
56% NH2
+
NH2 22%
Br
22%
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上述反应中最好的解释是首先发生了HX的消除，生成了苯 炔，然后是苯炔的加成反应。
Cl NH2 H + NH3 + Cl
+
Br Br ●苯乙酮与溴反应，如果只加如催化量的AlCl3，得到甲基 溴化产物；如用过量的AlCl3，则得到环上溴化产物，这时 起反应的是苯乙酮与AlCl3生成的络合物
COCH2Br
Br2 AlCl3(cat.)
COCH3
Br2/AlCl3
COCH3 Br
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●在不同催化剂作用下可以得到不同的产物
(2).H3O+