苯环上氢的亲电取代反应

大量混酸对环境造成污染，在生产技术上对 负载型硝化剂[如硝酸铜担载到蒙脱土上，称粘土 铜（claycop）试剂]的开发研究已取得一定成果。
3．磺化与氯磺化反应
磺化反应：苯与浓 H2SO4 或发烟 H2SO4 作用， 生成苯磺酸的反应称为磺化反应。
SO3H + H2SO4
磺化反应是由 SO3（也有人认为是 +SO3H ）进 攻苯环而引起的，通过硫原子进攻苯环。
AICI4
-
H CH2CH2CH3 CH2CH2CH3
AICI4
+CH3CH2CH2
-
+ HCI + AICI3
特点： ①烷基化反应亲电试剂为碳正离子，有重排现象， 故烷基化产物有异构化现象。 ②烷基化反应为可逆反应，故烷基苯可进行歧化反 应，即一分子烷基苯脱烷基变成苯，另一分子烷基 苯增加烷基变成二烷基苯。如:
+ CH3CH2CH2CI
AICI3
CH(CH3)2
65%
+
CH2CH2CH3 + HCI
35%
反应机理：
CH3CH2CH2CI + AICI3
+ + -
CH3CH2CH2AICI4
(CH3)2CHAICI4 CH(CH3)2 + HCI + AICI3
+ (CH3)2CH
+
+
H CH(CH3)2
反应可能机理：
2 H2SO4
δ-
SO3 + H3O + HSO4
-
+
-
O H SO3 +S O δ - 慢 +δ + O δSO3 H SO3 - 快 + H2SO4 + + HSO4
SO3
SO3H
+ 快
+ H3O
+ H2O
应用：磺化反应是可逆反应，在有机合成中 很重要，可利用这个反应把芳环上一个位置保护 （占位）起来，再进行其他反应，待反应后再把 稀 H2SO4 加到产物中加热水解脱去磺基。 氯磺化反应：如果使用过量的 ClSO3H 做磺 化剂时，得到的产物为苯磺酰氯，把这个反应称 作氯磺化反应。
当亲电试剂 E+ 进攻一取代 成三种二取代σ络合物：
z 时，生
z
z +E
+
H
z
+
z H+ + H E E
+ E+
Z 不同，生成的三种σ络合物碳正离子的稳 定性不同，出现了两种定位作用。
(1)第一类定位基对苯环的影响及其定位效应 以甲基、氨基和卤素原子为例说明。 在甲苯中，甲基表现出供电子的诱导效应（A）。 甲基 C—H σ 键的轨道与苯环的 π 轨道形成 σ—π 超共轭体系（B）。供电诱导效应和超共轭 效应的结果，苯环上电子密度增加，尤其邻、对位 增加得更多。因此，甲苯进行亲电取代反应比苯容 易，而且主要发生在邻、对位上。
O
COCH3 + AI(OH) + 3HCI
3
特点： ①酰基化反应不发生酰基异构现象。 ②酰基化反应不能生成多元酰基取代产物。 ③酰基化产物含有羰基，能与路易斯酸络合， 消耗催化剂，催化剂用量一般至少是酰化试剂的 二倍。 苯环上有强吸电子基时，不发生酰基化反应。 应用：可以用于制备芳酮及长链正构烷基苯。
卤原子 在氯苯中氯原子是强吸电子基，使苯环 电子密度降低，比苯难进行亲电取代反应。但氯原 子与苯环又有弱的供电的 p-π 共轭效应，使氯原子 邻、对位上电子密度减少得不多，因此表现出邻对 位定位基的性质。
(2) 第二类定位基对苯环的影响及其定位效应 硝基 在硝基苯中，硝基存在着吸电子的诱导效 应（E）, 吸电子的π-π共轭效应（F）：
CH3
2
AICI3
CH3
+
CH3(o-,m-,p-)
③生成的烷基苯更容易进行烷基化反应，故烷基化 反应能生成多元取代产物。 ④苯环上有强吸电子基如硝基、磺基时，不易发生 烷基化反应。 应用：合成烷基苯的重要方法，工业上广泛使用， 如合成异丙苯、乙苯和十二烷基苯等。
(2) 酰基化反应：
+CH3COCI O AICI3 O +(CH3C)2
CHO
[O] H2O H2
CH3
CH2COOH HCN
H2O
CH2CI H2O
HCN
CH2OH
HN(CH3)2
CH2N(CH3)2
CH2CN
三、苯环上亲电取代反应的定位规律
1. 两类定位基
定位基：在进行亲电取代反应时，苯环上原有取代 基，不仅影响着苯环的取代反应活性，同时决定着 第二个取代基进入苯环的位置，即决定取代反应的 位置。原有取代基称做定位基。 在一元取代苯的亲电取代反应中，新进入的取 代基可以取代定位基的邻、间、对位上的氢原子， 生成三种异构体。如果定位基没有影响，生成的产 物是三种异构体的混合物，其中邻位取代物 40% （2/5）、间位取代物 40%（2/5）和对位取代物 20% （1/5）。实际上只有一种或二种主要产物。
H E
Ⅱ
+
CH3
+
CH3 H E
Ⅱc
H E
+
H E
Ⅱb
CH3
CH3
+
CH3
+
CH3 H + E
进攻间位： + H 或
E
Ⅲ
H
E
Ⅲa
H E
Ⅲb
Ⅲc
亲电试剂进攻苯生成的 σ- 络合物的碳正离子也 可以用共振杂化体表示：
H + E 或
Ⅳ Ⅳa
+
H E
+
Ⅳb
H E
+H
E
Ⅳc
因为Ⅰc和Ⅱb的正电荷在有供电基的叔碳上， 较分散,共振杂化体Ⅰ和Ⅱ比Ⅲ稳定 。所以甲基是 邻对位定位基; 甲基有供电性，使Ⅲ的正电荷可以 分散在环和甲基上，因此，共振杂化体Ⅲ比Ⅳ稳定， 甲基活化了苯环。
O N O
δ+
O N O
(E)
δ+
(F)
这两种电子效应都使苯环上电子密度降低，亲 电取代反应比苯难；共轭效应的结果，使硝基的间 位上电子密度降低得少些，表现出间位定位基的作 用。
一、亲电取代反应机理
1. 亲电取代反应
苯环上氢的亲电取代反应：苯环上电子云密 度高，易被亲电试剂进攻，引起 C—H 键的氢被 取代，称为亲电取代反应。
2. 亲电取代反应机理
苯与亲电试剂 E+ 作用时，生成 π 络合物，接 着亲电试剂从苯环的 π 体系中得到两个电子，生成 σ 络合物。此时，这个碳原子由 sp2 杂化变成 sp3 杂 化状态，苯环中六个碳原子形成的闭合共轭体系被 破坏，变成四个 π 电子离域在五个碳原子上。从共 振论的观点来看，σ 络合物是三个碳正离子的共振 杂化体：
H E
+
H E
或
+
H E
+
H E
+
σ络合物的能量比苯高，不稳定，很容易从
sp3 杂化碳原子上失去一个质子，使该碳原子恢复 成 sp2 杂化状态，再形成六个 π 电子离域的闭合 共轭体系——苯环，生成取代苯。其反应机理可表 示如下：
H E +E
+
sp 3 杂杂
E
π络合物
+
+
+ -H
E
sp 2 杂杂
+H
NO2
+ H2O
浓硫酸的作用是增强试剂 NO2的亲电能力。
+
反应机理：
HOSO2OH + HO-NO2 H2O-NO2
+
H2O-NO2 + HSO4
+
-
NO+ + H2O 2 H NO2
+
NO2
+ + NO2 (E+)
+ H
+
实验(如凝固点降低和光谱分析)已证实，在混 + + 酸中存在着 HNO3+ 2 H2SO4 NO2 +H3O + 2 HSO4 平衡， 同时实验也证明了，苯的硝化反应是由硝酰正离子 的进攻引起的。
H HC H
H (A)
δδ - (B)
H C H δ-
亲电试剂 E+ 进攻甲基的邻、间、对位置，形成 三种 σ-络合物中间体，三种 σ-络合物碳正离子的 稳定性可用共振杂化体表示：
CH3 H 进攻邻位： + E 或
Ⅰ
CH3 H +E
Ⅰa
CH3
+
Ⅰb
H E
+
CH3
Ⅰc
H E
CH3
CH3 或
Ⅱa
进攻对位：+
例如各种一元取代苯进行硝化反应，得到下表 所示的结果：
排在苯前面的取代苯硝化产物主要是邻位和对 位取代物，除卤苯外，其他取代苯硝化速率都比苯 快；排在苯后面取代苯硝化产物主要是间位取代物， 硝化速率比苯慢得多。 第一类定位基又称邻对位定位基:-O-，-N(CH3)2，NH2，-OH，-OCH3，-NHCOCH3，-OCOCH3，-F，-Cl， -Br，-I，-R，-C6H5 等。 第二类定位基又称间位定位基:-N+(CH3)3，-NO2，CN，-SO3H，-CHO，-COCH3,-COOH，-COOCH3，CONH2，-N+H3 等。
傅-克反应使用的催化剂多数为 AlCl3，它有两 个缺点：反应后有大量的水合三氯化铝需要处理； 在进行烷基化反应时，反应选择性差，常常伴随着 大量的二取代或多取代物生成，甚至产生焦油，需 要分离、处理，产物难纯化。现已开发出一些新的 试剂或催化剂，常称为“绿色”工艺，提高了产物 的选择性，更重要的是改善了环境的质量。例如：
2 CH2OH + ZnCI4 2 H2C O+2HCI + ZnCI2 H CH2OH CH2OH + + -H+ + + H +2 CH2OH CH2OH + HCI CH2CI + H2O
+
2-
应用:应为-CH2Cl很容易转化为-CH2OH、-CH2CN、 -CHO、-CH2COOH、-CH2NH2 等，在有机合成上可方 便地将芳烃转化成相应的衍生物。
取代苯
+
亲电试剂
σ络合物
讨论：1.当过渡态
δ+ H δ+
E
比
H
δ+
E δ+
稳定时，中间体 σ
络合物较难形成，一旦形成后很快转化成产物。 2.当过渡态 δ+ 比 δ + 能量相近时，σ 络 合物能逆转回反应物，即反应可逆。
δ+ H
E
H
Eδ+
二、亲电取代反应的类型
1．卤化反应：在卤化铁等路易斯酸作用下， 苯与卤素作用生成卤化苯的反应称作卤代 反应或卤化反应。 CI
COOH
杂多酸
O C C O +H2O
C O
5．氯甲基化反应
在无水 ZnCl2 存在下，芳烃与甲醛及氯化氢作用 下，结果苯环上的氢被氯甲基（—CH2Cl）取代， 称为氯甲基化反应。
ZnCI2 1(CH O) +3 + 2 3 HCI
CH2CI+H O
2
反应机理：本反应机理尚有争议。一般认为可 能是按下述机理进行的：
COCH3 +HCI COCH3 +CH3COOH
催化剂的作用是形成酰基碳正离子。
反应机理：
O CH3C CI +AICI3 O + + CH3C AICI4 . O AICI3 CCH3 + 3 H O 2 O + CH3C AICI4 H
+ C CH AICI 3 4
O. AICI3 CCH3
两类定位基的结构特征： 第一类定位基与苯环直接相连的原子上只有 单键，且多数有孤对电子或是负离子； 第二类定位基与苯环直接相连的原子上有重 键，且重键的另一端是电负性大的元素或带正电 荷。 两类定位基定位强度次序近似如上列顺序。
2. 定位规律的电子理论解释
从两个方面去解释: 由于取代基的电子效应沿着苯环共轭链传递， 环上各位置进行亲电取代反应的难易程度不同， 出现两种定位作用。从一取代苯进行亲电取代反 应生成的中间体σ络合物的相对稳定性的角度进 行考察。
氨基 在苯胺中，N—C 键为极性键，N有吸电子 的诱导效应（C），使环上电子密度减少；氮原子 有孤对电子，与苯环形成供电的p—π共轭效应 （D），使环上电子密度增加：
δ-
NH2
(C)
δδ-
NH2 (D)
..
共轭效应大于诱导效应，所以综合效应是使环 上电子密度增加，尤其是氨基的邻位和对位增加更 多。因此，苯胺进行亲电取代反应比苯更容易，且 主要发生在氨基的邻、对位上。
+ CI2
FeCI3
+ HCI
Br
+ Br2
FeBr3
+ HBr
催化剂的作用是使卤素变成强亲电试剂，促进 反应。
反应机理：
2 Fe + 3Br2 Br2 + FeBr3 2 FeBr3 FeBr4 + Br Br H
+
快
-
+
+ Br (E )
Br
+ +慢 -
+
+
+
Br
Br
+ H
+
H + FeBr4
FeBr3 + HBr
苯与 I2 的反应需要在氧化剂（如 HNO3）存在 下进行，氧化剂的作用是产生碘正离子：
I2
-2e + +
2I
+ -
I
+ I (E )
+H
+
2．硝化反应：苯与浓 HNO3 和浓 H2SO4 的 混合物（又称混酸）作用生成硝基苯的反 应称作硝化反应。
浓H2SO4
50~60℃
+ HNO3
+2CI-SO3H
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SO2CI+ H SO +HCI 2 4
应用：苯磺酰氯非常活泼，通过它可以制备苯磺 酰胺、苯磺酸酯等苯磺酰基衍生物，在制备染料、 农药和医药上很有用途。
4．烷基化与酰基化反应
统称傅列德尔－克拉夫茨反应，简称傅－克反应。 (1)烷基化反应：在烷基化反应中，用三个以上碳 原子的直链伯卤代烷的烷基化试剂时，
R
1
R2+CH3(CH2)nCOOH
M+交换蒙脱土 R1=H或CH3 R2=H或CH3 n=0~14 (M+=H+,Al3+,Ni+,Zr2+,Ce3+,Cu2+等)
R
1
+H2O R OC(CH2) n 3 CH
2
用固体杂多酸代替 H2SO4 等液体酸催化傅克反应，可以解决反应设备腐蚀问题，提高产物 的选择性。例如：