第章芳香亲电和亲核取代反应
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二．亲电取代反应历程 三．亲电取代反应活性和定位效应
8.1 芳香亲电取代反应
卤代
+X2或 FeF Xe 3
X+ HX
卤苯
硝化 磺化
反应活性 CI2＞Br2＞I2
+HNO3浓 50 H ~6 2S 0 O 。 4 C NO2+H2O
硝基苯
+HO-SO3H或 发 烟 70 H- 28 S0 O。 4C25。 C
高等有机化学
第8章 芳香亲电和亲核取代反应
第8章 芳香亲电和亲核取代反应
8.1 亲电取代反应 8.2 结构与反应活性 8.3 同位素效应 8.4 离去基团效应 8.5 芳香亲核取代反应
8.1 芳香亲电取代反应
一．亲电取代反应类型 1．卤代反应 2．硝化反应 3．磺化反应 4．付-克烷基化反应及其相关的反应 5．付-克酰基化及其相关的反应 6．与重氮化合物的偶联反应
• Nu：RO-、CN-、RS-、-NH2等
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．SNAr2历程
例：
Cl
Cl Nu
Nu
Nu-
-Cl-
NO2
NO2
NO2
Cl
+NaOH
360℃ 高压
OH
C l
O H
N O 2+N aH C O 3 130℃
N O 2
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．SNAr2历程
Cl
OH
NO2+NaHCO3 100℃
应
反 致活效应：活化基团使芳环的反应活性提高； 应 活 致钝效应：钝化基团使芳环的反应活性降低。 性
常见取代基定位效应
类别 邻 对 位 取 代 基
间位取代基
性质 致 活
致钝 致 钝
取 最强 强 中 弱 弱
强
最强
代
NR2
O NHC R
CH3
F
NO2 CN
NHR
O CR3 C l S O 3H
基 O N H 2 OCR
OH
Br CHO
NR3
I COCH3
OR
COON
COOCH3
CONH2
电子 +I 效应 +C
+C＞-I
+C＜ -C
+I -I
-I
-I
+I:供电诱导;-I:吸电诱导; +C:供电共轭;-C:吸电共轭
8.3 同位素效应
反应物分子中的氢被重氢置换后引起反应速率发
生变化，称为重氢同位素效应。
当C-H、O-H、N-H键的断裂发生在决定速率步 骤时，就会出现同位素效应，kH/kD >1 一般C-H:C-D快7倍 C-H:C-T快20倍
来自百度文库
8.5 芳环上的亲核取代反应
二．SNAr1历程
芳
C uC l
香
重
C uB r
氮
盐
N 2+C l-
KI
的
亲 核
H 2O
取
代
H 3P O 2
反
应
C uC N
Cl
Br 桑德迈尔反应
I OH
CN H2O H+
COOH
8.5 芳环上的亲核取代反应
二．SNAr1历程 例如：重氮盐水解生成酚的反应
N N - N 2
NH2-
N H 2 +
NH3
N H 2
CH3 NH2-
NO2
NO2
C l O 2N N O 2+N aH C O 3 35℃
NO2 O H
O 2N N O 2
N O 2
N O 2
8.5 芳环上的亲核取代反应
二．SNAr1历程
• 芳香族重氮盐是合成芳香族化合物的一个重要中 间体，重氮基(N2+)可被其他原子或原子团取代并 放出氮气。重氮基(N2+)离去倾向特别强，故取代 反应较易进行。
8.4 离去基团效应
•(1) 无需协助即离去(即对于离去基团是SN1反应) 的基团:
•(2)需要从外界亲核试剂剂来的帮助才离去(SN2机理) 的基团:
这种顺序可以帮助人们估计形成什么样的芳烃正离 子，从而得到可能发生哪一个亲电取代的概念。
8.5 芳环上的亲核取代反应
• 芳环上电子云密度大，富电子的亲核试剂不易接近， 芳基正离子(如C6H5+)不稳定、不易生成。因此， 芳环上的亲核取代反应对反应物、试剂及反应条件 等都有一定限制，大多数的芳香族化合物在芳环上 不起亲核取代反应。
SO3H +H2O
苯磺酸
8.1 芳香亲电取代反应
烷基化 酰基化
+R-XAlX3
R+HX
烷基苯
= =
O +R-C-X(1)(A2l )CHl23 O
O -C-R+HX
芳香酮
8.1 芳香亲电取代反应
苯环亲电取代反应历程小结
+ E+
亲电试剂
X+ NO2+ SO3 R+ R-C+=O
H E+慢 + E 快
• 芳环上的亲核取代反应在理论上和实际合成中也是 很重要的。
• 芳环上的亲核取代反应很少是一步反应，而大多数 涉及不同的活性中间体。从合成的观点，芳香重氮 化合物，其中氮作为离去基团的反应最重要。
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．通过SNAr2历程(加成-消除历程)的取代反应 二．通过SNAr1历程(重氮离子)的亲核取代反应 三．通过苯炔机理(消除-加成)的取代反应
+ H 2 O O H + H +
反应速度与重氮盐的浓度成正比，而与亲核试剂 的浓度无关，
苯环间位上有供电子基时，如-OH、-OCH3、 -CH3等可使反应速度加快；
有吸电子时，如-COOH、-SO3H、-CI、-NO2等 使反应速度减慢。
8.5 芳环上的亲核取代反应
三．苯炔机理
C l N H 2 -
+ E + k 1 k -1
H
+
k 2 E
E + H +
k2 > k1， k-1时，无同位素效应
k2 < k1， k-1时，有同位素效应 芳环上多数亲电取代反应观察不到同位素效应， 但在有些反应中也观察到了同位素效应的存在。
8.4 离去基团效应
•在大量的芳香族亲电取代反应中，离去基团是质子， 质子确是最好的离去基团之一。其他离去基团的离去 能力次序如下：
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．SNAr2历程 • 亲核试剂首先与芳环加成，生成一种叫迈森海默
(Meisen heimer)络合物的活性中间体，
• 然后从中间体中消去一个取代基而完成反应。 • 反应是一个双分子反应，通常第一步是定速步骤。
L+Nu- 慢
L L N N u u
快
Nu+L-
• L可为卤素或烷氧基等，L的邻位或对位必须有强 吸电子基，如-NO2、-CN、-COR、-CF3等，使中 间体的稳定性增加，有助于反应的进行。
σ-配合物 卤素正离子 硝酰正离子 三氧化硫 烷基正离子 酰基正离子
E+ H+
8.1 芳香亲电取代反应
π络合物
络合物
一般来说， π络合物的形成是可逆的； 络合物的形成基本上是不可逆的， 且通常是速度的控制步骤。
8.2 结构与反应活性
定 第一类定位基－邻对位定位基
位 效
第二类定位基－间位定位基
8.1 芳香亲电取代反应
卤代
+X2或 FeF Xe 3
X+ HX
卤苯
硝化 磺化
反应活性 CI2＞Br2＞I2
+HNO3浓 50 H ~6 2S 0 O 。 4 C NO2+H2O
硝基苯
+HO-SO3H或 发 烟 70 H- 28 S0 O。 4C25。 C
高等有机化学
第8章 芳香亲电和亲核取代反应
第8章 芳香亲电和亲核取代反应
8.1 亲电取代反应 8.2 结构与反应活性 8.3 同位素效应 8.4 离去基团效应 8.5 芳香亲核取代反应
8.1 芳香亲电取代反应
一．亲电取代反应类型 1．卤代反应 2．硝化反应 3．磺化反应 4．付-克烷基化反应及其相关的反应 5．付-克酰基化及其相关的反应 6．与重氮化合物的偶联反应
• Nu：RO-、CN-、RS-、-NH2等
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．SNAr2历程
例：
Cl
Cl Nu
Nu
Nu-
-Cl-
NO2
NO2
NO2
Cl
+NaOH
360℃ 高压
OH
C l
O H
N O 2+N aH C O 3 130℃
N O 2
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．SNAr2历程
Cl
OH
NO2+NaHCO3 100℃
应
反 致活效应：活化基团使芳环的反应活性提高； 应 活 致钝效应：钝化基团使芳环的反应活性降低。 性
常见取代基定位效应
类别 邻 对 位 取 代 基
间位取代基
性质 致 活
致钝 致 钝
取 最强 强 中 弱 弱
强
最强
代
NR2
O NHC R
CH3
F
NO2 CN
NHR
O CR3 C l S O 3H
基 O N H 2 OCR
OH
Br CHO
NR3
I COCH3
OR
COON
COOCH3
CONH2
电子 +I 效应 +C
+C＞-I
+C＜ -C
+I -I
-I
-I
+I:供电诱导;-I:吸电诱导; +C:供电共轭;-C:吸电共轭
8.3 同位素效应
反应物分子中的氢被重氢置换后引起反应速率发
生变化，称为重氢同位素效应。
当C-H、O-H、N-H键的断裂发生在决定速率步 骤时，就会出现同位素效应，kH/kD >1 一般C-H:C-D快7倍 C-H:C-T快20倍
来自百度文库
8.5 芳环上的亲核取代反应
二．SNAr1历程
芳
C uC l
香
重
C uB r
氮
盐
N 2+C l-
KI
的
亲 核
H 2O
取
代
H 3P O 2
反
应
C uC N
Cl
Br 桑德迈尔反应
I OH
CN H2O H+
COOH
8.5 芳环上的亲核取代反应
二．SNAr1历程 例如：重氮盐水解生成酚的反应
N N - N 2
NH2-
N H 2 +
NH3
N H 2
CH3 NH2-
NO2
NO2
C l O 2N N O 2+N aH C O 3 35℃
NO2 O H
O 2N N O 2
N O 2
N O 2
8.5 芳环上的亲核取代反应
二．SNAr1历程
• 芳香族重氮盐是合成芳香族化合物的一个重要中 间体，重氮基(N2+)可被其他原子或原子团取代并 放出氮气。重氮基(N2+)离去倾向特别强，故取代 反应较易进行。
8.4 离去基团效应
•(1) 无需协助即离去(即对于离去基团是SN1反应) 的基团:
•(2)需要从外界亲核试剂剂来的帮助才离去(SN2机理) 的基团:
这种顺序可以帮助人们估计形成什么样的芳烃正离 子，从而得到可能发生哪一个亲电取代的概念。
8.5 芳环上的亲核取代反应
• 芳环上电子云密度大，富电子的亲核试剂不易接近， 芳基正离子(如C6H5+)不稳定、不易生成。因此， 芳环上的亲核取代反应对反应物、试剂及反应条件 等都有一定限制，大多数的芳香族化合物在芳环上 不起亲核取代反应。
SO3H +H2O
苯磺酸
8.1 芳香亲电取代反应
烷基化 酰基化
+R-XAlX3
R+HX
烷基苯
= =
O +R-C-X(1)(A2l )CHl23 O
O -C-R+HX
芳香酮
8.1 芳香亲电取代反应
苯环亲电取代反应历程小结
+ E+
亲电试剂
X+ NO2+ SO3 R+ R-C+=O
H E+慢 + E 快
• 芳环上的亲核取代反应在理论上和实际合成中也是 很重要的。
• 芳环上的亲核取代反应很少是一步反应，而大多数 涉及不同的活性中间体。从合成的观点，芳香重氮 化合物，其中氮作为离去基团的反应最重要。
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．通过SNAr2历程(加成-消除历程)的取代反应 二．通过SNAr1历程(重氮离子)的亲核取代反应 三．通过苯炔机理(消除-加成)的取代反应
+ H 2 O O H + H +
反应速度与重氮盐的浓度成正比，而与亲核试剂 的浓度无关，
苯环间位上有供电子基时，如-OH、-OCH3、 -CH3等可使反应速度加快；
有吸电子时，如-COOH、-SO3H、-CI、-NO2等 使反应速度减慢。
8.5 芳环上的亲核取代反应
三．苯炔机理
C l N H 2 -
+ E + k 1 k -1
H
+
k 2 E
E + H +
k2 > k1， k-1时，无同位素效应
k2 < k1， k-1时，有同位素效应 芳环上多数亲电取代反应观察不到同位素效应， 但在有些反应中也观察到了同位素效应的存在。
8.4 离去基团效应
•在大量的芳香族亲电取代反应中，离去基团是质子， 质子确是最好的离去基团之一。其他离去基团的离去 能力次序如下：
8.5 芳环上的亲核取代反应
一．SNAr2历程 • 亲核试剂首先与芳环加成，生成一种叫迈森海默
(Meisen heimer)络合物的活性中间体，
• 然后从中间体中消去一个取代基而完成反应。 • 反应是一个双分子反应，通常第一步是定速步骤。
L+Nu- 慢
L L N N u u
快
Nu+L-
• L可为卤素或烷氧基等，L的邻位或对位必须有强 吸电子基，如-NO2、-CN、-COR、-CF3等，使中 间体的稳定性增加，有助于反应的进行。
σ-配合物 卤素正离子 硝酰正离子 三氧化硫 烷基正离子 酰基正离子
E+ H+
8.1 芳香亲电取代反应
π络合物
络合物
一般来说， π络合物的形成是可逆的； 络合物的形成基本上是不可逆的， 且通常是速度的控制步骤。
8.2 结构与反应活性
定 第一类定位基－邻对位定位基
位 效
第二类定位基－间位定位基