高等有机第七章+芳环上的取代反应.

NO2+ 本位进攻生成的σ-络合物可以发生几种反应：
NO 2
-X
本位取代
X
X
NO2+
NO 2ຫໍສະໝຸດ Baidu
Y
X NO2 σ-络合物与溶剂中的亲
核试剂 Y- 结合
YH
H X
NO 2 - H
X
硝基进攻邻位， NO2 生成邻位取代
产物
例如，1-甲基-4-异丙基苯在乙酐中硝化生成四种产物：
CH3
CH3
CH3
CH3
Me NO 2
-CF3具有强烈的-I
使苯环钝化
进攻邻位
CNFO32
H E
CNFO32
H E
CNOF23
H E
CNFO32
+ E+
对位
NCOF23
NCOF23
不稳定
CNOF32
间位
HE
CNFO32
HE
NCOF23
HE 不稳定
CNOF23
H
H
H
E
E
E
进攻邻位
NH2 H E
NH2 + E+
对位 间位
NH2 HE
NH2
+ H2O
NO2
硝基苯
发烟HNO3, 浓硫酸
NO2
95。C
四、发烟间混二 酸 硝基苯
发烟硝CH酸3 和+浓H硫N酸COHO的3 混发H合3烟20SH物。NOOC硝34 化能C力HCO更H3强NO2 +
H2SO4
CH3
NO 2
CH3 NO2
工业上用混酸作硝化试剂，会产生大量废酸液，造成环境污染， 使用固体酸催化可以减少废酸液的产生。
OCH3
83%
Br
酚或芳胺卤化容易得到多取代产物,用NBS或NCS 试剂卤化可以得到单取代产物：
NH 2
Br
Br
Br 2
NH 2
NBS
NH 2
+
NH 2 Br
Br
Br
苯环或钝化的苯环溴化或氯化必须在Lewis酸催化下 进行。
苯乙酮在催化量的AlCl3催化下与溴作用生成甲基溴 代的产物，如果用过量的AlCl3催化，得到环上溴化 的产物：
例如： 30℃下，在硝酸与乙酸酐的体系中，甲苯的硝 化速度是苯硝化反应的27倍
取代产物的百分比为： 邻 对 间 58.1％ 38.2％ 3.7％
那么：
邻位产物百分量
邻位产物量 总量
100 %
邻位速率 总速率
100 %
2ko kC6H 5R
100 %
则： ko 得出：
kC6H 5R
邻位产物百分量 2
则有：kC6H6 = 6kH 即：kH = 1/6 kC6H6
如果，取代苯发生亲电取代反应时，邻、间、对位H被取
代的速率常数分别为ko、km、kp的话，那么总速率常数：
kC6H5R = 2 ko + 2 km + kp
分速率 系数：
fo
ko kH
fm
km kH
fp
kp kH
我们可以测得的数据： kC6H6 、kC6H5R以及产物的量
这些催化剂直接催化酰化反应，不需要其它催化剂
5.6% 61.8%
容易分子内烃化生成单一的成环产物：
OH
MeO
H2SO4
MeO
+ ClCH 2CH2CH2CH2Cl
AlCl 3
2 h, 5 oC
OH H2SO4
PPA
COOH
催化转移烃化： Me
cat.
PPA
O COOH
Me
+
Me
7.2.5 Friedel-Crafts酰化
合成芳香酮的最重要的方法。
kH/kD=3.6
原因：σ-络合物中H与Br分别处于苯环平面的上下，与邻 位的叔丁基距离较远，相互作用较小。
生成产物后，Br原子不得不与邻位的两个叔丁基共平面， 它们之间的距离变近，相互排斥力增大，生成就较困难。
使得k2变小，成为影响反应速度的步骤。
7.1.5 定位规律
1、取代基使芳环活化还是钝化 定位规律有两个方面：2、取代基是邻对位定位还是间位定位
例如：酸性白土、超强酸Nafion、镧系元素的盐都可以作 硝化反应的催化剂，此时只用化学剂量的硝酸就可以
氮的氧化物如NO2-O2、NO2-O3等也可以作硝化试剂
五、硝酸溶于乙酐中作硝化试剂
硝酸溶于乙酐中生成乙酸与硝酸形成的混酐：
HO-NO2 + Ac2O
AcONO2 + AcOH
这类硝化试剂可以避免苯酚类或苯胺类发生氧化。
fo
ko kH
kC6H 5R 邻位产物百分量/ 2 kC6H 5R / 2 邻位产物百分量
k C6H 6/ 6
k C6H 6/ 6
kC6H 5R 3 邻位产物百分量 27 3 58.1% 47 k C6H 6
用同样的方法可以计算出fm=3、fp=62
当 f > 1 时，该位置的活泼性比苯大, 否则比苯小。
NO2OAc Ac2O
NO2 +
+ NO2
+
CH(CH3)2
CH(CH3)2 CH(CH3)2 NO2 Me 2HC OAc
取代基消除8的2%难易程度取8% 决于其容10纳%正电荷的
能力。＋CH(CH3)2比较稳定，异丙基容易作为 正离子消除。
上述事实说明：苯环上除了H可以被取代之外， 其他取代基也可以被取代。
ZnCl2、BF3、H2SO4、H3PO4等。 烃化剂——碳正离子
卤代烃、烯烃、醇等提供。 经常出现的问题：1、多烃化
2、重排
不同的反应条件下，可以得到不同的产物，例如：
Me
Me
Me
25 oC
+ t-BuBr
+
Bu-t
AgClO4 , 5min 94.4% AgBF4 , 15min 38.2%
Bu-t
HE Cl
+
HE
特别稳定
HE
Cl
M- H E+
+
H
E
+
H E
-Cl具有-I和+C，+C < -I, 总结果吸电子，使苯 环钝化
定位基分类（p595）
（1）邻对位定位基 （Ⅰ类定位基）
-NR2 _NHR _NH2 _OH; _NHCOR _OCOR; _R _Ar; _X
邻对位定位基(除卤素外) 是致活的。 -X致钝。
CH 3
计算出甲苯的分速率系数：
47
3
62
每一个位置的分速率系数f值都大于1，说明每个位置的活性 都大于苯。说明甲基是给电子基，使苯活化。邻对位分速率 系数远大于间位，说明甲基对邻对位活化作用大于间位。
不同取代基的分速率系数不同，
硝化反应： CH 3
C(CH 3)3
P597例子
47
5. 5
3 62
六、硝酰盐
OMe
硝酰盐是一类亲电能力很强的硝 化试剂，可以使反应在低温进行， 如
OMe NO2 BF4
- 50 oC
O2N
OMe
NO 2 BF 4, NO 2 PF6 , NO 2 CF3COO
OMe OMe
OMe
81%
7.2.2 卤化 一、氯化和溴化
活性苯环溴化或氯化时可以不用催化剂。例如：
OCH3 Br 2
该羰基必须还原掉，才能进行下一 步的酰化反应，否则反应不发生
O
+
AlCl 3 O
O
[H]
PPA
O
HOOC
HOOC
如果环上有强给电子基，可以连续酰化：
OH O
OH O
+
O
H2SO4
O OH O
OH
O
HOOC OH
OH O
新发展的酰化反应的催化剂——三氟甲磺酸及其盐
例如：三氟甲磺酸铋，Bi(OTf)3 酰氯或酸酐与三氟甲磺酸生成的混酐
7.1.3 π-络合物
HE
E+Nu- fast
E+ slow
p-络合物
HE
E
fast
+ H+
决定反应 速度步骤
动力学同位素效应可以证明此步反应速度较快
7.1.4 动力学同位素效应
用氘或氚标记苯环进行亲电取代，kH/kD或kH/kT的数值
接近1，说明C——H键断裂的步骤不是决定反应速率的
步骤。 例如：
催化剂——AlCl3或HF、H2SO4、CH3SO3H、PPA等 酰化剂——酰基正离子，由酰氯、酸酐或羧酸提供
酰基正离子的盐，如MeCO+ SbF6- 已经合成出来了。用 它进行酰化，不用再加催化剂。但是酰化能力较弱。因
此，用AlCl3催化的酰化反应中进攻试剂可能是酰基正离
子的络合物： O:AlCl 3
Me
Me
Br 2
Br
O C COO
Me
O C COO
Br
Me
O
Me
Me
Me
Me
Me
OO
（Ⅰ）
Me
Me
Me
Br
OC(Me) 2COO Br
OC(Me) 2COO
Br
OC(Me) 2COO
7.1.2 本位进攻（ispo attack)
在芳环上已有取代基的位置上，发生的取代作用——Ipso效应. 硝化反应中本位进攻研究得较多。
mp. -15 oC
二、在超酸中用NMR检测
H
H
H
H
HF-SbF 5-SO2ClF-SO 2F2
Me Et
+ HBF4
Me
Me
H H
H H
186.6ppm 136.9ppm
52.2ppm
HH
186.6ppm
136.9ppm
δ值的大小也充分说明了 正电荷主要分布在邻对位
178.1ppm
三、推测
例如，下列反应中有螺环产物（Ⅰ）出现，可能是由σ-络 合物起分子内反应生成的：
亲电取代速度比苯慢
P595示意图
7.1.6 分速率系数（partial rate factor）
一取代苯（C6H5R）分子中苯环上某一特定 位置的H发生亲电取代反应的速率与苯分子 中某一个H的亲电取代反应速率之比，就是
该位置的分速率系数，分别用fo、fm、fp表示
苯发生亲电取代反应速率常数kC6H6 苯环上每一个H原子被取代的速率常数kH
NH2 NaNO2 H2SO4
N N HSO4
4
HBF
C6H5N2+BF
4
C6H5F
7.2.3 磺化 磺化试剂：基本试剂SO3 H2SO4、ClSO3H、 FSO3H 磺化能力不同的磺化试剂
CH 3NO 2 SO3
N SO3 O
O SO3 缓和的磺化试剂
7.2.4 Friedel-Crafts烃化 催化剂——Lewis酸：AlCl3（活性最强）、FeCl3
OH
OH
OH
20% HNO 3
NO 2
+
二、浓硝酸
NO 2
浓硝酸可以自催化产生硝基正离子，是硝化能力中等的硝
化试剂
2 HO-NO 2
H2O-NO 2 + NO 3
H2O-NO 2
NO 2 + H 2O
三、混酸
浓硝酸和浓硫酸的混合物形成的混酸能产生高浓度的硝基
正离子，硝化能力很强
NO2
H2SO4 + HONO2 55－60 。C
RC
AlCl4
用酸酐作酰化试剂，催化剂AlCl3的用量要增加2mol以上 用羧酸作酰化试剂，催化剂AlCl3的用量要增加3mol以上
活性高的芳环进行酰化，可以只用少量催化剂或不加催化剂 或使用缓和催化剂如FeCl3、ZnCl2、I2等。
芳环上有强吸电子基，如硝基、磺酸基时，不发生酰化反应， 除非有强给电子基存在。所以硝基苯可以作酰化反应的溶剂。
亲电取代速度比苯快(除卤素外) 。
大多数邻对位定位基都是饱和原子与苯环直接相连。
（2）间位定位基（ Ⅱ类定位基）
__+NR3 __NO2 __CR __COOH
O
__CF3 __CCl3 __CN __SO3H __CHO
__COOR 间位定位基都是致钝基。
大多数间位定位基与苯环直接相连的原子都是不饱和的。
第七章 芳环上的取代反应
H C
HC C
H
H C
CH C
H
芳环上π电子离域，易于发生亲电取代反应。 只有当芳环上引入了强吸电子基团时， 才能发生亲核取代反应。
7.1. 芳环上的亲电取代
芳香族化合物可以起多种亲电取代反应，在合成中有广泛
的应用，对其机理研究得也比较全面。
大多数芳香族化合物的亲电反应都是按着
NH2 H E
NH2
NH2 H E
不稳定 NH2
HE NH2
HE 不稳定
NH2
H
H
H
E
E
E
-NH2具有-I和+C，+C > -I,总结果给电子，使 苯环活化
NH2 H E
较稳定 NH2
HE 较稳定
Cl
H O-
E +
Cl H
+
E
Cl
H +
E
+Cl H
E
特别稳定
Cl
Cl
Cl
Cl
+Cl
P-
+
HE Cl
+
OMe
OMe
OMe
D
D Br2
D
Br
D
+
D
kH/kD=1
D
D
D
D
D
D
D
D
Br
NO 2
NO 2
D
D
D
D
HNO 3/H2SO4
kH/kD=1.05
D
D
D
NO 2
D
D
有一些反应的kH/kD〉1，例如：
Me 3C
CMe 3
Br 2
H Br
Me 3C
CMe 3
Me 3C
Br CMe 3
CMe 3
CMe 3
CMe 3
4 75
相同取代基，不同反应。 分速率系数也不同：
CH 3
CH 3
CH 3
47
3 62
硝化
617
4.95 820
氯化
6.0
5.5 2420
溴化
7.2 亲电取代在有机合成中的应用
7.2.1 硝化反应
硝化反应在有机合成中应用广泛。不同的硝化试剂的硝化能 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环
COCH 2Br
COCH 3
Br 2
Br 2
AlCl3 (催化量）
AlCl3 (过量）
COCH 3 Br
二、碘化
碘的进攻能力很弱，只能与强活化苯环如苯酚和苯胺 碘代，其它芳环的碘化要在氧化剂如HNO3或HIO3存 在下才能进行。氧化剂的作用可能是使碘生成I+。
三、氟化 一般用芳香重氮盐制备氟代物（Schiemann反应）：
加成－消除机理(Ar-SE)进行的：
HE
E
E+Nu-
k1 k-1
k2
σ－络合物
芳正离子，Wheland络合物
一般地，k2>k1,k-1,所以， σ－络合物生成步骤是决定反应 速度步骤。
7.1.1 σ-络合物存在的证明
一、分离鉴定
Me
Me Et
EtF, BF 3
- 80 oC
H
BF4
Me
Me
Me
Me