高等有机第六章芳环上的亲电和亲核取代反应

m% p%
3 2 37 29
2、空间效应越大，对位产物越多：
C(CH3)3 H2SO4 C(CH3)3
100 %
SO3H
3、极化效应 例如，卤苯进行硝化反应时：
X
X o% p% m% F 12 88 0 Cl 30 69 1 I 32 60 8
X 具有－I效应，使邻位的电子云密度降低。
F Cl Br I
Cl O O
与氯苯相似的还有氟苯、溴苯、碘苯。
2. 间位定位基对苯环的影响
以硝基苯为例： 由于N、O的电负性大于碳，诱导效应 使芳环上电子云密度降低，用“－I”表示。 从共轭效应看，硝基有一个 π 4 键，当它 3 与苯环相连时，就与苯环的大键发生－ 10大共轭体系。在这个大共轭 共轭，形成 π9 体系中，由于氧的电负性较大，使共轭体系 中电子云向氧一边偏移，表现为吸电子性。 用“－C”表示。总的结果是：诱导和共轭 方向一致，都使苯环电子云密度降低。亲 电取代比苯更难。 与硝基苯相似的还有 苯磺酸、苯甲酸、苯甲腈等。
C 为 sp3
CH3
H
2 3 电负性 sp >sp
C 为 sp
2
H
C
H
具有σ —π 共轭 有 + C 效应
电荷移向苯环 甲基具有 + I δ
δ δ
在共轭体系中，电子云的传递是交替极化，即使甲基的 邻位和对位上电子云密度增加的更多些，量子化学计算,甲 苯中各碳上电子云密度分布如图。所以亲电试剂主要进攻邻 位和对位。
（2）第二类定位基—间位定位基
—— 使 新 引 入 的 取 代 基 主 要 进 入 它 的 间 位 （ 间 位 异 构 体 大 于 40%）；
——使苯环钝化。这类定位基与苯环相连接的碳原子上一般具有 重键(电负性较大)或带正电荷。
2. 苯环上不同取代基的电子效应
1）表现-I及+C效应的基团 (1) +C 效应 >-I 效应的基团 : 这类基团包括 -OR ， OH，-NR2
H H C H O O O 1.011 0.96 CH3 1.017 0.999
从反应历程和－络合物的稳定性看：
由反应历程看， －络合物越稳定，反应的活化能越小，越容易反应。 当亲电试剂进攻甲苯时，可能形成三种－络合物。可以看出，当亲电试剂 进攻邻、对位时，甲基与带部分正电荷的碳相连，使正电荷得到分散，这 两种络合物就较稳定，而进攻间位时，正电荷得不到分散，就不稳定。络 合物越稳定，过渡态就也稳定，活化能就越低。
O
NO2 O O
O N
NO2 0.70 0.705 0.79 0.72
O N O O
四、二取代苯的定位规律
当苯环上已有两个取代基时，第三个取 代基的位置由原来两个取代基共同决定。 根据定位是否一致，又分为两种情况: 1.两个取代基定位效应一致，进入共同决 定的位置。 2.两个取代基定位效应不一致时，又分为 两种情况： (1)两个取代基属于同类第三个取代基进入 的位置主要由定位能力强的决定。 (2)两个定位基不同类，邻、对位定位基定 位能力强于间位定位基。
中等活性:
‐OR,‐NHCOR,‐OCOR
较弱活化：
‐Ph,‐R
中等钝化：
‐CN, ‐SO3H, ‐CHO, ‐COR，‐COOH, ‐CONH2
较弱钝化：
‐F, ‐Cl, ‐Br, ‐I, ‐CH2Cl
（1）第一类定位基—邻对位定位基
——使新引入的取代基主要进入它的邻、对位（邻位和对位异构 体之和大于60%）； ——除卤素、氯甲基外，一般使苯环活化。这类定位基与苯环直 接相连接的碳原子上，一般只具有单键(有未共用电子对)或带负电 荷。
CH3
O
H E
O
CH3
O O
CH3
O
O O
H E
O
O
E
H
(2) 苯酚
O
OH O
诱导效应使芳环电子云密度降低，用“－I”表示。 共轭效应使芳环电子云密度增加，用“＋C”表示。 O 但在苯酚中，︱+C︱>> ︱-I︱，所以总的结果 使苯环电子云密度增加。与甲苯相似。由于P－＞－，所以，羟基的供电 性大于甲基的供电性。苯酚比甲苯更容易进行亲电取代反应。
H COOH
K = 6.27 x 10-5
CH3O
COOH
K =3.88 x 10-5
HO
COOH
K = 2.95 x 10-5
H2N
COOH
K = 1.2 x 10-5
(2) –I>+C 效应的基团,典型例子为 -F，-Cl，-Br，-I等
2)表现 +C及 +I效应的基团 : 苯氧负离子的氧带负电荷， 它有供电子的+ I效应，同时其未共享电子对和苯环 共轭，电子云向苯环转移（+ C效应）。 3) 表现+I效应的基团: 甲基、乙基、异丙基和叔丁基 等烷基，致活作用的顺序一般服从超共轭效应。即 CH3> CH3CH2> (CH3 )2 CH> (CH3)3C。
硝化反应历程
HONO2 + HOSO2OH [H2O+-NO2] + SO 4H - H2O + NO2 NO2 π 络合物 H+ + SO 4H H2SO 4 σ 络合物 NO2
H
- H+
NO2
NO2
卤代反应历程
Br2 Br-Br FeBr3 π 络合物
H Br
[FeBr4]-
Br
HCl + FeBr3
CH3 OH NO2
NO2
OH
NO2
COOH
CH3
NH2
OH
NO2
COCH3
五、空间效应
空间效应：又称空间阻碍效应或空间位阻效应。是分子中 原有基团对新引入基团产生的一种空间阻碍作用。例如：
CH3 浓 H2SO 4 CH3 CH3 SO 3H + SO 3H 62% 79%
室温 100度
32% 13%
OH 浓混酸
＜30度 HO S SO 3H 3
例4 用甲苯为原料，合成邻硝基甲苯
CH3 CH3 NO2
A）直接硝化
B）磺化、硝化、脱磺酸基
CH3
浓H2SO4
•
CH3 NO2 H3 O
+
CH3
浓H2SO4 浓HNO3
CH3
NO2
SO3H
SO3H
课堂习题
⒈
参考答案：
2. 由苯和不超过三个碳原子的脂肪族化合物 为原料合成邻溴苄溴：
6. 1 亲电取代反应
一、苯环的亲电取代反应历程（加成-消除反应 历程） 苯及同系物的亲电取代历程，可用通式表示如下：
H
+
E
E+ π 络合物 σ 络合物
E
- H+
E
实验已经证实芳正离子的存在：
CH3 C2H5F/BF3 H3C CH3
-80℃
H C2H5 CH3 H3C BF4CH3
m. p: -15℃
定位规律(orientation rule)
定位基的定位效应、与苯相比的反应活性以及影响亲电取代的其 它因素（如立体效应）的总称。
邻对位定位基 (第一类)
间位定位基 (第二类)
强烈活化:
‐O‐,‐NR2,‐NHR,‐NH2,‐OH
强烈钝化：
‐+NR3 ，‐+NH3 ，‐NO2 ，‐CF3 ， ‐CCl3
为了计算分速度因数，需要测定一取代苯进行再取代 时的总速率常数，和测定苯在同样条件下进行取代时的总 速率常数。 方法是将一取代苯和苯的等摩尔混合物，在同一均相 溶液中与一个不足以完全单一取代其中之一的亲电试剂反 应。因为亲电试剂的量是不足的，所以产量的比例反映了 各母体的比较反应速度。
CH2 O CH3 CH2 H -H+ 产物 NO2
八. 取代基效应的定量关系
分子结构与化学活性之间存在一定的定量关系
1、分速度因数与选择性
从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度
分速度因数 (f) =
k取代/y
k苯/6
× z产物的百分比
y－位置的数目
是一取代苯进行再取代时，在其一个位置上进行 取代的速度与苯的一个位置上进行取代的速度之比。
4) 表现 -I 效应的原子团，典型例子： -N+R3 ， P+R3 ， As+R3，CCl3，N+H3等强吸电子基团。 5) 表现-I与-C效应的原子团，包括NO2，CN，SO3H， CHO ， COR ， COOH ， COOR ， CONH2 等吸电子 基团。
三、定位规律的理论解释
亲电取代反应的定位规律可从反应物的电子效应和－络合 物的稳定性两方面去解释。 对苯环来说，环上电子云密度是平均分布。但当引入一个 取代基后，由于取代基的影响(供电子或吸电子)，会使苯环上 电子云密度分布发生变化。由于苯环共轭链的传递作用，一般 使电子云密度出现交替分布的现象。结果造成苯环各位置上发 生亲电取代反应的难易程度不同。 1.邻、对位取代基对苯环的影响，以甲苯、苯酚和氯苯为例。 (1)甲苯 在甲苯中，无论从诱导效应还是共轭效应，甲基都表现为 供电子性，使苯环上电子云密度增加，更有利于亲电试剂的进 攻。所以说，甲基使苯环活化。
CH2Br Br
参考答案：
CH3Cl
CH3 H2SO4 Br2/Fe
CH3 H3+O Br NBS
CH2Br Br
七、邻位和对位定向比
按照反应几率，应为2：1，但实际并非如此，其影响因素如下：
1、亲电试剂的活性越高，选择性越低：
CH3
HNO3 H2SO4 NO2+BF4-/CH3CN
相对速率 o % 60 17 2.3 69
电负性 依次 降低
－I 效应 依次 减小
电子云密度 降低的位置 是不利于E+ 进攻的。
4、螯合效应：
CH2 O CH3 CH2 CH2 OCH3 CH2 69% (邻） NO2 28%（对）
NO2 O NO2
-NO3-
能够发生螯合 CH3 CH2 O 效应的条件： CH 2 1〕杂原子能与 NO2 试剂结合； 2）所形成环为 五员环或六员 环。
例2
CH3 Br2 FeBr3 NO2 K2 Cr2O7 H2SO4
CH3 Br NO2 COOH Br2 FeBr3 NO2 K2 Cr2O7 H2SO4
COOH Br NO2 COOH Br NO2
HO NO2 OH SO 3H 稀酸 HO 100度 NO2 OH
例3
HO OH H SO 2 4 ＜60度 HO HO3S
σ 络合物
磺化反应历程
2 H2SO4
O
SO3
δ
+
H3O+
+
H
HSO4 H+
SO3H
+
S
O
δ
O
SO3
烷基化反应历程
CH3CH2Br + AlCl3 + CH3CH2 δ δ CH3CH2--Br...... AlCl3
CH2CH3 H
CH3CH2 + [AlCl3Br]
CH2CH3
H+
+
HBr AlCl3
与苯酚相似的还有：
OCH3 O O O O O NH2 O
(3) 氯苯
在氯苯中，具有与苯酚相似的情况。即共轭与诱导 O 效应方向相反。但不同的是，在氯苯中， ︱+C︱＜ ︱-I︱，总的结果是苯环上电子云密度 降低。因此，氯苯比苯难进行亲电取代反应。如 氯苯硝化比苯慢33倍。但由于共轭效应使苯环的 邻、对位电子云密度增加，所以总的结果使苯环邻、对位电子云密 度下降的较少。亲电试剂主要进攻电子云密度较高的邻、对位。所 以，氯苯是钝化芳环，邻、对位定位基。
二、 苯环上亲电取代反应的定位规律 1． 两类定位基 问题的提出——定位效应
——一元取代苯再亲电取代，新的取代基可进入原取代基（定位 基）的邻、间、对位，生成三种异构体。若定位基对取代反应进攻 位置无影响，则邻、间位异构体应各占40%，对位应占20%。
——(1)甲苯硝化时，NO2+主要进攻甲基的邻、对位，且比苯容易； (2)硝基苯再硝化时，NO2+主要进攻硝基的间位，且比苯困难。 ——结论：原有取代基对新引入的基团：(1)进入苯环的位置有指 定作用； (2) 影响苯环的活性。取代基的这种作用称为 定位效应 (orientation effect)。
六、定位规律在有机合成中的应用
例1 CH(CH3)2 Cl 在合成之前，先要考虑几个问题： (1)要考虑定位规律和空间效应。 SO 3H (2)要考虑引入三个基团的先后顺序。 (3)要考虑反应的难易，产率的高低。一般是先引入供电子基和大 基团。
CH(CH3)2 CH3CH AlCl3 CH2 Cl2 FeCl3 H2SO 4 100度 SO 3H CH(CH3)2 Cl CH(CH3)2 Cl2 FeCl3 SO 3H 由于空间效应 产率不高。 CH(CH3)2 Cl
第六章 芳环上的亲电和亲核取代反应
芳环上的取代反应与饱和碳原子上的取 代反应相似，有亲电取代、亲核取代和自 由基取代反应。随反应物和试剂等条件的 不同，将发生不同类型的取代反应。
H H C H
C C
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C C
H C H H
• 在脂肪族碳原子上的取代反应主要为亲核取代 反应，而在芳香族主要为亲电取代反应，这是 由于芳香环上具有较高的电子云密度，进攻试 剂为正离子或偶极及诱导偶极的正的一端，而 离去的原子团不带成键电子对。 • 强吸电子基团取代的芳香化合物在一定条件下 也可以进行亲核取代反应。在亲核取代反应中， 进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的原子 或基团，离去基团以弱碱负离子或分子的形式 离去，其实用价值不如亲电取代反应。