第十八章 芳香族亲核取代反应
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OH OH, 100℃ NO2 NO2 NH2 NO2 ,100℃ NH3 C2H5OH NO2 CH3O , CH3OH O2N NO2 reflux , NO2 O2N NO2 OCH3 NO2 NO2
NO2
离去基团离去的难易，不仅和基团离去后生成的 负离子的稳定性有关，还与亲核试剂的性质有关
第一节 芳香族亲核取代反应机理 18.1.1 双分子SNAr2机理 SNAr2机理是亲核取代反应中最主要的反应机理。
例如：
Cl + NO2 OH + NO2 Cl OH Cl OH NO2
类似与SN2反应，但亲核试剂不能从带有离去基 团的碳原子的侧面进攻底物。
机理的证明： （1）动力学证明
二级动力学
第十八章 芳香族亲核 取代反应
芳香碳原子上的原子或基团带着一对电子被亲核 试剂置换的反应叫作芳香族亲核取代反应 (SNAr) 。 反应通式：
在上列反应式中， 作用物可以是苯环的也可以是 杂环的化合物。和脂肪族亲核取代反应不同，这 里被取代的基团X连氢负离子也是可以的。
典型的反应
在芳香族化合物和脂肪族化合物中碳原子轨道杂 化的情况不同， 因而C芳-X键和C脂-X键的性质很 不一样。在sp2杂化形成的分子轨道中s轨道的比 例比较大， 在sp3杂化轨道中s轨道的比例比较小， 因而在Csp2 -X键中碳原子对价电子的吸引力比在 Csp3-X键中碳原于对价电子的吸引力强。从而芳 香族亲核取代反应没有脂肪族亲核取代反应那么 容易发生。再有，如果离去基团的中心原子对来 共用电子对，则P-共轭使得C-X键更加牢固。
（４）溶剂的影响
Nu=N3- kF/kI=200(甲醇) Nu=PhS- kF/kI=2.5(甲醇)
kF/kI=400(DMF) kF/kI=1(DMF)
（5）碱催化作用
碱少反应速度提高，碱多反应速度不再提高。
（6）中间体离析
1902年对2,4,6-三硝基苯甲醚和乙氧基离子之间反应的 中间体的分离有力的支持了这一机理。
O2N OCH3 NO2 H3CO OC2H5 O2N NO2 -OCH3 NO2 红色晶体 NO2
C2H5ONa C2H5OH
O2N
OCH3 NO2
NO2
这一中间体的分离获得，证实了反应是分两步完成的
18.1.2 单分子SNAr1机理 在芳环上按照SNAr1机理进行的反应很少，重氮 盐的水解被认为是按SNAr1机理进行的
Z a NO2 OCH3 Z
+
b NO2 N
NO2 Br
几种取代基在SNAr2机百度文库中的致活次序
定位效应: 在按SNAr2机理进行的芳香族亲核取代反应里， 吸电子基团引导进入基团定位在邻位和对位。如:
Cl NO2 Ortho I30℃ OH
Cl
OH NO2
Cl
OH O N O
Cl Para NO2
Cl
14
NH2 NH2
14
NH2
14
Cl KNH2 NH3 CH3
NH2
H 2N
CH3 38%
CH3 62%
反应机理的证实：
卤素的活性次序为Br >I>Cl F的原因: Br ,I脱去时，脱掉质子是速度决定步骤： F>Cl>Br>I Cl, F脱去时， C-X键断裂是速度决定步骤：I>Br>Cl>F
18.2.3 亲核试剂的影响 亲核性大致次序是:
Cl Cl Cl OCH3 Cl NH2 Cl Cl Cl NH2 Cl Cl Cl
OTs CH3ONa Cl
OCH3 OTs Cl (CH3)2NCl OTs N(CH3)2
NO2
NO2 S P-CH3-C6H4-SNa C6H4 CH2 P Cl
NO2
离去基团离去能力的大致次序是:
F> NO2 > OTs > SOC6H5 > Cl , Br , I, > N3 > NR3 > OR , OAr , SR, SO2R , NH2
(3)按苯炔机理进行的亲核取代反应 对于一取代 对于二取代
Z X Z
Cl NH3 NH2 NH2
Z
Z
X Z Z Z
X
形成苯炔: Z=吸电子基, 有助于脱掉邻位氢， Z=给电子基, 有 利于脱掉对位氢。 形成碳负离子中间体:
Z=吸电子的，则负电荷距取代基比较近的碳负离子 比较稳定。
18.2.2 离去基团影响 某些基团当连在芳环上时，可以作为离去基团， 如NO2 , OR , OAr , SO2R 和 SR。
（2）取代基效应 邻硝基氯苯和其对位吸电子基团取代衍生物在和甲醇 钠的反应中的相对速度
（３）离去基团的影响 不同离去基团的相对反应速度是对该反应机理 的一个证明。
X NO2 + NO2 H N HX O2N N NO2 + X
当Ｘ =Cl, Br , I 时，相对反应速度：4.3, 4.3, 1 ,但 是，离去基团的离去能力： Cl < Br < I 当X＝F 时， 相对反应速度是3300 说明:控制反应速度的一步不包含C－X键的断裂
支持这一反应机理的事实： （1）动力学研究结果表明：反应速度对重氮盐是一 级，与亲核试剂的浓度无关。
（2）当用 重氮盐作为反应物时
15
N N
15
N N
15
15
N N
N N
（3）在重氮盐水解过程中加入Cl-时，有芳基氯生成， 但Cl-的加入不影响反应速度。
H2O
OH
Cl
Cl
SNAr1机理的实例 重氮盐水解 重氮盐硫代
OH I30℃
Cl
OH
Cl
OH
Cl
OH
NO2 Cl OH NO2 NO2 NOT formed OH
NO2
N O O
Cl Meta
No stabilization of charge by nitro group
(2) 按SNAr1机理进行的亲核取代反应
N N N N Me Me
N N
N O O
ArN2 ArN2
HS S2
ArSH ArSAr
重氮盐碘代
ArN2 I ArI
18.1.3 苯炔机理
Cl 第一步 H H 第二步 NH3 NH2 H NH2 NH2 NH3 Cl
在这些反应中由于生成了苯炔，因此也叫苯炔机理
例如：
Cl 1) NaOH , H2O , 340℃ , 2500psi 2) H3O OH + NaCl
第二节 芳香族亲核取代反应的影响因素
18.2.1 反应物结构对活性的影响
(1)按SNAr2机理进行的亲核取代反应 下列化合物进行亲核取代反应由易到难的次序
Cl O2N NO2 > NO2 NO2 Cl NO2 > NO2 >> NO2 Cl Cl Cl
~ ~
Z NaOCH3 + NO2 Cl Z H N
NO2
离去基团离去的难易，不仅和基团离去后生成的 负离子的稳定性有关，还与亲核试剂的性质有关
第一节 芳香族亲核取代反应机理 18.1.1 双分子SNAr2机理 SNAr2机理是亲核取代反应中最主要的反应机理。
例如：
Cl + NO2 OH + NO2 Cl OH Cl OH NO2
类似与SN2反应，但亲核试剂不能从带有离去基 团的碳原子的侧面进攻底物。
机理的证明： （1）动力学证明
二级动力学
第十八章 芳香族亲核 取代反应
芳香碳原子上的原子或基团带着一对电子被亲核 试剂置换的反应叫作芳香族亲核取代反应 (SNAr) 。 反应通式：
在上列反应式中， 作用物可以是苯环的也可以是 杂环的化合物。和脂肪族亲核取代反应不同，这 里被取代的基团X连氢负离子也是可以的。
典型的反应
在芳香族化合物和脂肪族化合物中碳原子轨道杂 化的情况不同， 因而C芳-X键和C脂-X键的性质很 不一样。在sp2杂化形成的分子轨道中s轨道的比 例比较大， 在sp3杂化轨道中s轨道的比例比较小， 因而在Csp2 -X键中碳原子对价电子的吸引力比在 Csp3-X键中碳原于对价电子的吸引力强。从而芳 香族亲核取代反应没有脂肪族亲核取代反应那么 容易发生。再有，如果离去基团的中心原子对来 共用电子对，则P-共轭使得C-X键更加牢固。
（４）溶剂的影响
Nu=N3- kF/kI=200(甲醇) Nu=PhS- kF/kI=2.5(甲醇)
kF/kI=400(DMF) kF/kI=1(DMF)
（5）碱催化作用
碱少反应速度提高，碱多反应速度不再提高。
（6）中间体离析
1902年对2,4,6-三硝基苯甲醚和乙氧基离子之间反应的 中间体的分离有力的支持了这一机理。
O2N OCH3 NO2 H3CO OC2H5 O2N NO2 -OCH3 NO2 红色晶体 NO2
C2H5ONa C2H5OH
O2N
OCH3 NO2
NO2
这一中间体的分离获得，证实了反应是分两步完成的
18.1.2 单分子SNAr1机理 在芳环上按照SNAr1机理进行的反应很少，重氮 盐的水解被认为是按SNAr1机理进行的
Z a NO2 OCH3 Z
+
b NO2 N
NO2 Br
几种取代基在SNAr2机百度文库中的致活次序
定位效应: 在按SNAr2机理进行的芳香族亲核取代反应里， 吸电子基团引导进入基团定位在邻位和对位。如:
Cl NO2 Ortho I30℃ OH
Cl
OH NO2
Cl
OH O N O
Cl Para NO2
Cl
14
NH2 NH2
14
NH2
14
Cl KNH2 NH3 CH3
NH2
H 2N
CH3 38%
CH3 62%
反应机理的证实：
卤素的活性次序为Br >I>Cl F的原因: Br ,I脱去时，脱掉质子是速度决定步骤： F>Cl>Br>I Cl, F脱去时， C-X键断裂是速度决定步骤：I>Br>Cl>F
18.2.3 亲核试剂的影响 亲核性大致次序是:
Cl Cl Cl OCH3 Cl NH2 Cl Cl Cl NH2 Cl Cl Cl
OTs CH3ONa Cl
OCH3 OTs Cl (CH3)2NCl OTs N(CH3)2
NO2
NO2 S P-CH3-C6H4-SNa C6H4 CH2 P Cl
NO2
离去基团离去能力的大致次序是:
F> NO2 > OTs > SOC6H5 > Cl , Br , I, > N3 > NR3 > OR , OAr , SR, SO2R , NH2
(3)按苯炔机理进行的亲核取代反应 对于一取代 对于二取代
Z X Z
Cl NH3 NH2 NH2
Z
Z
X Z Z Z
X
形成苯炔: Z=吸电子基, 有助于脱掉邻位氢， Z=给电子基, 有 利于脱掉对位氢。 形成碳负离子中间体:
Z=吸电子的，则负电荷距取代基比较近的碳负离子 比较稳定。
18.2.2 离去基团影响 某些基团当连在芳环上时，可以作为离去基团， 如NO2 , OR , OAr , SO2R 和 SR。
（2）取代基效应 邻硝基氯苯和其对位吸电子基团取代衍生物在和甲醇 钠的反应中的相对速度
（３）离去基团的影响 不同离去基团的相对反应速度是对该反应机理 的一个证明。
X NO2 + NO2 H N HX O2N N NO2 + X
当Ｘ =Cl, Br , I 时，相对反应速度：4.3, 4.3, 1 ,但 是，离去基团的离去能力： Cl < Br < I 当X＝F 时， 相对反应速度是3300 说明:控制反应速度的一步不包含C－X键的断裂
支持这一反应机理的事实： （1）动力学研究结果表明：反应速度对重氮盐是一 级，与亲核试剂的浓度无关。
（2）当用 重氮盐作为反应物时
15
N N
15
N N
15
15
N N
N N
（3）在重氮盐水解过程中加入Cl-时，有芳基氯生成， 但Cl-的加入不影响反应速度。
H2O
OH
Cl
Cl
SNAr1机理的实例 重氮盐水解 重氮盐硫代
OH I30℃
Cl
OH
Cl
OH
Cl
OH
NO2 Cl OH NO2 NO2 NOT formed OH
NO2
N O O
Cl Meta
No stabilization of charge by nitro group
(2) 按SNAr1机理进行的亲核取代反应
N N N N Me Me
N N
N O O
ArN2 ArN2
HS S2
ArSH ArSAr
重氮盐碘代
ArN2 I ArI
18.1.3 苯炔机理
Cl 第一步 H H 第二步 NH3 NH2 H NH2 NH2 NH3 Cl
在这些反应中由于生成了苯炔，因此也叫苯炔机理
例如：
Cl 1) NaOH , H2O , 340℃ , 2500psi 2) H3O OH + NaCl
第二节 芳香族亲核取代反应的影响因素
18.2.1 反应物结构对活性的影响
(1)按SNAr2机理进行的亲核取代反应 下列化合物进行亲核取代反应由易到难的次序
Cl O2N NO2 > NO2 NO2 Cl NO2 > NO2 >> NO2 Cl Cl Cl
~ ~
Z NaOCH3 + NO2 Cl Z H N