第十八章 芳香族亲核取代反应
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c-f键芳香亲核取代反应
c-f键芳香亲核取代反应
C-F键芳香亲核取代反应是一种化学反应，其中芳香环（如苯环）中的碳-氟键在亲核试剂的作用下被取代。
这个反应通常需要一个具有足够
强亲核性的反应物（如醇、硫醇、酚或羧酸）和一个适当的芳香亲电
试剂（如卤代芳烃或硝基芳烃）。
这个反应的主要步骤包括：
1. 芳香亲电试剂进攻芳香环，使芳香环发生电子云密度分布的改变。
2. 氟原子从质子中释放出来，并从溶液中捕捉电子形成氟化物。
3. 亲核试剂（如醇）与氟原子进行交换，并在进攻邻近碳的同时提供
电子。
C-F键芳香亲核取代反应的主要应用是化学合成中的氟化物的引入。
这种反应的机理使得氟化物通常比其他卤素更容易发生亲核取代反应，
因为氟原子具有很高的电负性和共价键的稳定性。
需要注意的是，这个反应通常需要一定的条件，如酸催化剂或加热等，并且可能会产生副产物。
因此，在实际应用中，需要考虑到这些因素
并采取适当的措施。
最新第18章 含氮芳香化合物 芳香亲核取代反应ppt课件
C2H5 NH2
CH3
NH-NH 1C4 H3
CH3
+
NH-NH
CH3
H2N 14CH3
H2N 14CH3
NH2 + H2N
CH3
CH3 NH2
CH3 NH2
极化过渡态理论
NHNH
H+
+
NH2
+
NH2
+
NH 2
+
NH 2
H
+
NH 2
H
+
NH 2
H
H
H
H
- H+
H2N
NH 2
联苯胺
18.8 重氮化反应
NH-OH
苯基羟胺 （中 间还原产物）
Fe + HCl
NH2
苯胺 最终还原产物
（2）双分子还原反应
2PhNO2
Zn
As2O3 NaOH +H2O
O-
+
Ph-N=N-Ph
氧化偶氮苯
NaOH
H2O
Ph-N=N-Ph Zn +NaOH +H2O Ph-NH-NH-Ph
偶氮苯
氢化偶氮苯
18.3.2 芳环上的亲核取代反应（SN2Ar）
芳胺的制备
1 硝基化合物的还原
Fe + HCl (产率 100%)
NO2
or H2/Cu 加压 (产率 95%)
NH2
2 芳环的亲核取代
OH O 2 N
NH3
加压
NH2
R N2H
B r
O 2 N
N O 2
3 用霍夫曼重排制备
芳香族取代反应
芳香族取代反应可用于合成药物中间体，这些中间体可作为进一步合成药物的起 始原料。
活性药物成分的合成
某些芳香族取代反应可以用于直接合成活性药物成分，如合成抗高血压药物、抗 抑郁药物等。
工业生产中的芳香族取代反应
染料工业
芳香族取代反应在染料工业中应用广泛，如偶氮染料、荧光 染料的合成。
高分子材料
芳香族化合物可用于合成高分子材料，如聚酯、聚酰胺等， 这些高分子材料在工业生产中有广泛应用。
分类
根据取代基和环的大小，芳香族化合 物可以分为苯环化合物、萘环化合物 、蒽环化合物等。
芳香族化合物的结构特点
共轭体系
芳香族化合物具有环状共轭体系，这是其具有特殊性质的关键结构特点。
π电子
芳香族化合物中的π电子数决定了其化学性质，尤其是取代反应的性质。
芳香族化合物的性质
稳定性
芳香族化合物在化学反应中相对稳定，不易发 生氧化或还原反应。
当底物中的取代基具有给电子效应时， 有利于亲核取代反应；而具有吸电子 效应时，则有利于亲电取代反应。
反应条件的影响
温度
01
温度对芳香族取代反应的影响显著，高温有利于提高反应速率，
但可能导致副反应增多。
压力
02
对于某些需要特定压力条件的芳香族取代反应，压力的变化会
对反应产生影响。
溶剂
03
溶剂的极性和酸碱性等性质会影响反应物的溶解度和反应中间
常见的自由基取代反应有烯烃的氧化、烷烃的氧化等。
04构的影响
取代基的性质
底物中取代基的性质对芳香族取代反 应的速度和选择性有重要影响。一般 来说，取代基的电子效应和立体效应 都会影响取代反应的进程。
取代基的电子效应
取代基的立体效应
活性药物成分的合成
某些芳香族取代反应可以用于直接合成活性药物成分，如合成抗高血压药物、抗 抑郁药物等。
工业生产中的芳香族取代反应
染料工业
芳香族取代反应在染料工业中应用广泛，如偶氮染料、荧光 染料的合成。
高分子材料
芳香族化合物可用于合成高分子材料，如聚酯、聚酰胺等， 这些高分子材料在工业生产中有广泛应用。
分类
根据取代基和环的大小，芳香族化合 物可以分为苯环化合物、萘环化合物 、蒽环化合物等。
芳香族化合物的结构特点
共轭体系
芳香族化合物具有环状共轭体系，这是其具有特殊性质的关键结构特点。
π电子
芳香族化合物中的π电子数决定了其化学性质，尤其是取代反应的性质。
芳香族化合物的性质
稳定性
芳香族化合物在化学反应中相对稳定，不易发 生氧化或还原反应。
当底物中的取代基具有给电子效应时， 有利于亲核取代反应；而具有吸电子 效应时，则有利于亲电取代反应。
反应条件的影响
温度
01
温度对芳香族取代反应的影响显著，高温有利于提高反应速率，
但可能导致副反应增多。
压力
02
对于某些需要特定压力条件的芳香族取代反应，压力的变化会
对反应产生影响。
溶剂
03
溶剂的极性和酸碱性等性质会影响反应物的溶解度和反应中间
常见的自由基取代反应有烯烃的氧化、烷烃的氧化等。
04构的影响
取代基的性质
底物中取代基的性质对芳香族取代反 应的速度和选择性有重要影响。一般 来说，取代基的电子效应和立体效应 都会影响取代反应的进程。
取代基的电子效应
取代基的立体效应
邢其毅《基础有机化学》(第3版)(下册)笔记和课后习题(含考研真题)详解(18-19章)【圣才出品】
第18章含氮芳香化合物芳香亲核取代反应18.1复习笔记一、芳香硝基化合物硝基与苯环直接相连的化合物称为芳香硝基化合物（aromatic nitro compound）。
1.芳香硝基化合物的结构（1）根据分子中所含硝基的数目，可以分为一元、二元、三元或多元芳香硝基化合物。
一元芳香硝基化合物的通式为Ar-N02，与亚硝酸酯（nitrite）Ar0-N＝0互为同分异构体。
（2）硝基的结构是对称的。
在芳香族硝基化合物中，硝基氮、氧上的p轨道与苯环上的p轨道一起形成一个更大的共轭体系。
硝基苯的结构如图l8-1所示。
图18-1硝基苯的结构图2．芳香硝基化合物的物理性质（1）一元芳香硝基化合物都是高沸点的液体，多数是有机化合物的良好溶剂。
（2）最简单的芳香硝基化合物是硝基苯（nitrobenzene），它是淡黄色的油状液体，沸点211℃，具有苦杏仁味，不溶于水，而溶于多种有机溶剂中。
有毒。
（3）常用硝基苯做Friedel—Crafts反应的溶剂。
（4）二元或多元芳香硝基化合物一般为无色或黄色的固体。
3．芳香硝基化合物的重要化学性质（1）还原反应①在催化氢化或较强的化学还原剂的作用下，硝基可以直接被还原为氨基。
②在适当条件下用温和还原剂还原，则生成各种中间的还原产物，如亚硝基苯（nitrosobenzene）和苯基羟胺（phenylhydroxylamine）。
苯甲基羟胺在弱酸性及中性溶液中可以制备得到，但在强酸性还原体系中，由于很活泼，很容易转变成苯胺。
③硝基苯的最终还原产物是苯胺（aniline），苯胺是有机合成的重要中间体。
在酸性或中性条件中，硝基苯主要发生单分子还原反应（unimolecular reduction）。
各产物之间的关系如图18-2所示：图18-2硝基苯单分子还原情况很难用还原的方法制备亚硝基苯，但它可通过苯胺或苯基羟胺的适当氧化来制备。
苯酚等活泼芳香族化合物与亚硝酸作用时可在羟基等活性基团的对位直接引入亚硝基。
芳香族化合物亲核取代反应机理以及在有机合成中的应用
芳香族化合物亲核取代反应机理以及在有机合成中的应用化学化工学院院化学S0702 3071302012 王辰孖我们生活的环境中，有机物随处可见。
可以说，有机物在我们的生活中有着举足轻重的地位。
那么，什么是有机物呢？从定义的角度来说，有机物通常指含碳元素的化合物，或碳氢化合物及其衍生物总称为有机物。
还有几点需要说明的是：1.有机物是有机化合物的简称。
目前人类已知的有机物达3000多万种，数量远远超过无机物。
2.早先，人们已知的有机物都从动植物等有机体中取得，所以把这类化合物叫做有机物。
到19世纪20年代，科学家先后用无机物人工合成许多有机物，如尿素、醋酸、脂肪等等，从而打破有机物只能从有机体中取得的观念。
但是，由于历史和习惯的原因，人们仍然沿用有机物这个名称。
3.有机物一般难溶于水，易溶于有机溶剂，熔点较低。
绝大多数有机物受热容易分解、容易燃烧。
有机物的反应一般比较缓慢，并常伴有副反应发生。
4.有机物种类繁多，可分为烃和烃的衍生物两大类。
根据有机物分子中所含官能团的不同，又分为烷、烯、炔、芳香烃和醇、醛、羧酸、酯等等。
根据有机物分子的碳架结构，还可分成开链化合物、碳环化合物和杂环化合物三类。
5.有机物对人类的生命、生活、生产有极重要的意义。
地球上所有的生命体中都含有大量有机物。
有机物的种类繁多，其中非常重要的一类就是芳香族化合物。
历史上曾将一类从植物胶中取得的具有芳香气味的物质称为芳香族化合物。
但根据气味分类并不科学，现在是指分子中至少含有一个苯环，具有与开链化合物或脂环烃不同的独特性质(称芳香性，aromaticity)的一类化合物。
如苯、萘、蒽及其衍生物。
苯是最简单、最典型的代表。
它们容易发生亲电取代反应、对热比较稳定，主要来自石油和煤焦油。
有些分子中虽然不含苯环但也具有与苯相似的芳香性的化合物，称为非苯芳香化合物，如草盐、薁等。
分子中含有苯环的有机化合物叫做芳香族化合物。
它包括芳香烃及其衍生物，如卤代芳香烃、芳香族硝基化合物、芳香醇、芳香酸等。
高等有机化学第十八章 芳香族亲核取代反应
（４）溶剂的影响
Nu=N3- kF/kI=200(甲醇) kF/kI=400(DMF) Nu=N =200(甲醇) Nu=PhS- kF/kI=2.5(甲醇) kF/kI=1(DMF) Nu= =2.5(甲醇)
5
（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。
2
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。
3
机理的证明： （1）动力学证明 二级动力学
18.2.3 亲核试剂的NO2 OCH3 Z
+
b NO2 N
NO2 Br
11
几种取代基在SNAr2机理中的致活次序
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:
12
Cl NO2 Ortho I30℃ OH
Cl
OH NO2
Cl
OH O N O
Cl OH Para NO2 I30℃
（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
4
（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
n
n n
芳香族化合物取代反应
1.写出下列反应机理
1) CH2CH2OCH3 N2O5 CH2CH2OCH3 NO2
+ O H2SO4
2)
S 3) H2N Br
NaNH2 NH3
S N H
37
2018年10月5日
2.完成反应式
芳环上离域的π电子的屏蔽作用，易于亲电试剂的进攻， 发生亲电取代反应;只有当芳环上引入了强吸电子基团， 才能发生亲核取代反应。
亲电试剂是正离子或偶极分子中正的一端
一、 反应机理
H E E+Nu-H+
E
加成－消除机理
决定反应速度的一步是E+进攻苯环，反应结果 得到的是取代产物，故称为苯环上的亲电取代 反应。（electrophilic substitution 缩写为 SE）。
亲电试剂位于苯环中心且垂直于苯环平面的直线上亲电取代反应中生成络合物这一事实在实验中已经得到证实它在500nm有吸收而苯在297nm处的吸收峰不复存在在络合物的形成中苯和试剂通过电荷转移而结合是非常松弛的多数情况下络合物不稳定能迅速分解各组分之间很快达到平衡
第一节 芳环上的亲电取代反应
苯环的 离域π 轨道
其特点为：使苯环活化，具有带负电荷的离子或与苯环直接 相连的原子带有未共用电子对，且以单键与其它原子相连或 与苯环的大π键发生σ,π–超共轭效应或具有碳碳重键
2. 第二类定位基（即间位定位基） ―N+(CH3)3 ＞ ―NO2 ＞ ―CN ＞ ―SO3H ＞ ―CHO
＞ ―COOH ＞ ―COOR ＞ ―CONH2 ＞―+NH3 等. 其特点是：使苯环钝化，具有带正电荷的正离子或 与苯环直接相连的原子以重键与其它原子相连,且重 键末端通常为电负性较强的原子
1) CH2CH2OCH3 N2O5 CH2CH2OCH3 NO2
+ O H2SO4
2)
S 3) H2N Br
NaNH2 NH3
S N H
37
2018年10月5日
2.完成反应式
芳环上离域的π电子的屏蔽作用，易于亲电试剂的进攻， 发生亲电取代反应;只有当芳环上引入了强吸电子基团， 才能发生亲核取代反应。
亲电试剂是正离子或偶极分子中正的一端
一、 反应机理
H E E+Nu-H+
E
加成－消除机理
决定反应速度的一步是E+进攻苯环，反应结果 得到的是取代产物，故称为苯环上的亲电取代 反应。（electrophilic substitution 缩写为 SE）。
亲电试剂位于苯环中心且垂直于苯环平面的直线上亲电取代反应中生成络合物这一事实在实验中已经得到证实它在500nm有吸收而苯在297nm处的吸收峰不复存在在络合物的形成中苯和试剂通过电荷转移而结合是非常松弛的多数情况下络合物不稳定能迅速分解各组分之间很快达到平衡
第一节 芳环上的亲电取代反应
苯环的 离域π 轨道
其特点为：使苯环活化，具有带负电荷的离子或与苯环直接 相连的原子带有未共用电子对，且以单键与其它原子相连或 与苯环的大π键发生σ,π–超共轭效应或具有碳碳重键
2. 第二类定位基（即间位定位基） ―N+(CH3)3 ＞ ―NO2 ＞ ―CN ＞ ―SO3H ＞ ―CHO
＞ ―COOH ＞ ―COOR ＞ ―CONH2 ＞―+NH3 等. 其特点是：使苯环钝化，具有带正电荷的正离子或 与苯环直接相连的原子以重键与其它原子相连,且重 键末端通常为电负性较强的原子
芳香族亲核取代反应
特点
该反应通常需要使用路易斯酸或质子 酸等催化剂，反应过程中通常伴随着 电子重排。
反应机理
01
02
03
第一步
亲核试剂向芳香环的π电 子云靠拢，形成络合物。
第二步
亲核试剂进攻中心碳原子， 形成碳正离子中间体。
第三步
离去基团离去，形成产物。
反应类型
烷基取代
如苯环上的氯原子被甲基 取代。
酰基取代
如苯甲酰氯上的氯原子被 苯甲酰基取代。
羟基取代
如苯酚上的氢原子被醇基 取代。
02 影响芳香族亲核取代反应 的因素
离去基团的影响
• 离去基团的影响：离去基团对芳香族亲核取代反应的速率和选 择性起着关键作用。离去基团越容易离去，反应速率越快。例 如，卤素离去基团（如氯、溴、碘）相对于其他离去基团（如 硝基、磺酸基）更容易离去，因此芳香族化合物与卤代烃的反 应通常更快。
性、催化剂的种类和浓度、反应温度和时间等。同时，对实验结果进行
讨论，总结实验的优缺点和改进方向。
05 芳香族亲核取代反应的最 新研究进展
新型反应机理的研究
新的反应机理
近年来，科研人员对芳香族亲核 取代反应的机理进行了深入研究， 发现了一些新的反应路径和中间 体，有助于更深入地理解反应过
程。
动力学研究
亲核试剂的影响
• 亲核试剂的影响：亲核试剂的活性对芳香族亲核取代反应的 速率和产物构型有重要影响。亲核试剂的活性越高，反应速 率越快。例如，醇钠、胺和硫醇等强亲核试剂与芳香族化合 物的反应速率通常较快。
溶剂的影响
• 溶剂的影响：溶剂对芳香族亲核取代反应的速率和 产物构型也有显著影响。极性溶剂通常促进反应进 行，因为它们可以更好地溶解反应物并促进离子间 的相互作用。例如，在极性溶剂如水中，醇与卤代 烃的反应速率通常较快。
该反应通常需要使用路易斯酸或质子 酸等催化剂，反应过程中通常伴随着 电子重排。
反应机理
01
02
03
第一步
亲核试剂向芳香环的π电 子云靠拢，形成络合物。
第二步
亲核试剂进攻中心碳原子， 形成碳正离子中间体。
第三步
离去基团离去，形成产物。
反应类型
烷基取代
如苯环上的氯原子被甲基 取代。
酰基取代
如苯甲酰氯上的氯原子被 苯甲酰基取代。
羟基取代
如苯酚上的氢原子被醇基 取代。
02 影响芳香族亲核取代反应 的因素
离去基团的影响
• 离去基团的影响：离去基团对芳香族亲核取代反应的速率和选 择性起着关键作用。离去基团越容易离去，反应速率越快。例 如，卤素离去基团（如氯、溴、碘）相对于其他离去基团（如 硝基、磺酸基）更容易离去，因此芳香族化合物与卤代烃的反 应通常更快。
性、催化剂的种类和浓度、反应温度和时间等。同时，对实验结果进行
讨论，总结实验的优缺点和改进方向。
05 芳香族亲核取代反应的最 新研究进展
新型反应机理的研究
新的反应机理
近年来，科研人员对芳香族亲核 取代反应的机理进行了深入研究， 发现了一些新的反应路径和中间 体，有助于更深入地理解反应过
程。
动力学研究
亲核试剂的影响
• 亲核试剂的影响：亲核试剂的活性对芳香族亲核取代反应的 速率和产物构型有重要影响。亲核试剂的活性越高，反应速 率越快。例如，醇钠、胺和硫醇等强亲核试剂与芳香族化合 物的反应速率通常较快。
溶剂的影响
• 溶剂的影响：溶剂对芳香族亲核取代反应的速率和 产物构型也有显著影响。极性溶剂通常促进反应进 行，因为它们可以更好地溶解反应物并促进离子间 的相互作用。例如，在极性溶剂如水中，醇与卤代 烃的反应速率通常较快。
2.3芳香族亲核取代反应
离去基团共轭位（邻、对位）有吸电子取 代基存在，对反应有利。
6
2012-7-9
反应历程
双分子历程
单分子历程
ArN
+ 2
X
-
慢
Ar
+
+
N2
+
X
-
Ar
+
+H 2Oຫໍສະໝຸດ Ar OH+
H
+
苯炔(去氢苯)历程
7
2012-7-9
芳环上亲核取代就是一种亲核试剂取代了芳环碳原子上的另一种亲核 试剂，它可以通过几种机理实现。最常见的是 SNAr 机理，它包括两步 图（a）： 第一步亲核试剂进攻苯环，生成中间体（碳负离子），这一步是速度 控制步骤， 其中有反应物与进攻试剂参加，所以为双分子反应。 第二步是从碳负离子中间体失去离去基团，恢复芳环体系并得到取代 产物。
C l原 子 的 - I 效 应 使 邻 位 H原 子 的 H
+
NH 2
NH 3 NH 2
*
NH 2
机理：
先从氯苯中消去一分子HCl，生成活泼的苯炔中间体。 然后 在苯炔的碳碳三键上加进了一分子的NH3，称消去―加成机理； 又称苯炔机理。
CH3 Cl N aN H 2
2012-7-9
CH3 NH2
CH3
8
2012-7-9
① N aO H ( 4 m ol . L
-1
OH
) , 340℃ *
*
+
OH
Cl
*
② H 2O , H
+
NH
KNH
芳香族的亲核取代
S H2C CH2
b.可能出现重排
Ph Me2C CH2OBs AcO
c.构型保持不变(无重排情况下） d.v=k[RL]
Ph
OAc
Me2C CH2OAc + Me2C CH2Ph
（三）邻基参与的类型：
（2）ph参与：
二、分子内亲核取代历程（SNi）
三、在合成上的应用
（一）形成C—O键
(一)历程通式：
R Z C R R C R L L Z R C R C R R Nu R Z C R R C Nu R
（二）邻基参与的特 点：
a.反应速度明显加快（邻位促进）
CH3CH2CH2CH2CH2 C2H 5 S CH2CH2 Cl Cl OH k1 OH k2 Et k2/k1>104
Et S H2C CH2 Cl
HX
SN1 for most 20 and 30 , Allyl and Benzyl RX ;
TsCl or MsCl
R OH
R-OTs or R-OMs
SOCl2
R-X
R OH
( SNi ) PCl3 or PBr3 SN2
R X
No Pyridine, SNi Pyridine existed, SN2
CH3SNa + Me2CHCH2Br
在合成硫醇时需控制硫醚的生成，因为
RX + KHS RSH + HS RSH + KX RS + H2S
RX + RS
RSR
使用过量的NaSH可以主要得到硫醇。
返回
（三） 形成C—X键
R OH
SN1反应的特征为外消旋化和重 排反应
《亲核取代反应》课件
亲核取代反应的定 义
定义及反应机理
亲核取代反应：一种有机化学反应，其中亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如RX），形成新的化学键。
反应机理：亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如R-X），形成过渡态，然后释放 出离去基团（如X-），形成新的化学键。
亲核试剂：具有亲核性的原子或分子，如Nu-、OH-、NH2-等。
亲核取代反应
,
汇报人：
目录
01 添 加 目 录 项 标 题 03 亲 核 取 代 反 应 的 类
型
05 影 响 亲 核 取 代 反 应 的因素
02 亲 核 取 代 反 应 的 定 义
04 亲 核 取 代 反 应 的 历 程
06 亲 核 取 代 反 应 的 应 用
Part One
单击添加章节标题
Part Two
应速率
空间位阻和立 体效应的共同 作用：取代基 团的大小、形 状和立体结构 共同影响反应
速率
空间位阻和立 体效应的竞争： 在某些情况下， 空间位阻和立 体效应可能会 相互竞争，影
响反应速率
溶剂效应
溶剂极性：极性溶 剂有利于亲核取代 反应
溶剂酸碱性：碱性 溶剂有利于亲核取 代反应
溶剂浓度：高浓度 溶剂有利于亲核取 代反应
药物合成中的应用
药物合成中， 亲核取代反应 常用于合成药 物分子中的特
定官能团
亲核取代反应 可以改变药物 分子的立体结 构，从而改变 药物的活性和
选择性
亲核取代反应 可以合成具有 特定生物活性 的药物分子， 如抗生素、抗
肿瘤药物等
亲核取代反应 可以合成具有 特定药理作用 的药物分子， 如镇痛药、抗
SN1反应中，亲核试剂首先攻击离去基团，形成碳正离子中间体
定义及反应机理
亲核取代反应：一种有机化学反应，其中亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如RX），形成新的化学键。
反应机理：亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如R-X），形成过渡态，然后释放 出离去基团（如X-），形成新的化学键。
亲核试剂：具有亲核性的原子或分子，如Nu-、OH-、NH2-等。
亲核取代反应
,
汇报人：
目录
01 添 加 目 录 项 标 题 03 亲 核 取 代 反 应 的 类
型
05 影 响 亲 核 取 代 反 应 的因素
02 亲 核 取 代 反 应 的 定 义
04 亲 核 取 代 反 应 的 历 程
06 亲 核 取 代 反 应 的 应 用
Part One
单击添加章节标题
Part Two
应速率
空间位阻和立 体效应的共同 作用：取代基 团的大小、形 状和立体结构 共同影响反应
速率
空间位阻和立 体效应的竞争： 在某些情况下， 空间位阻和立 体效应可能会 相互竞争，影
响反应速率
溶剂效应
溶剂极性：极性溶 剂有利于亲核取代 反应
溶剂酸碱性：碱性 溶剂有利于亲核取 代反应
溶剂浓度：高浓度 溶剂有利于亲核取 代反应
药物合成中的应用
药物合成中， 亲核取代反应 常用于合成药 物分子中的特
定官能团
亲核取代反应 可以改变药物 分子的立体结 构，从而改变 药物的活性和
选择性
亲核取代反应 可以合成具有 特定生物活性 的药物分子， 如抗生素、抗
肿瘤药物等
亲核取代反应 可以合成具有 特定药理作用 的药物分子， 如镇痛药、抗
SN1反应中，亲核试剂首先攻击离去基团，形成碳正离子中间体
第十八章 芳香族亲核取代反应
NO2
离去基团离去的难易， 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， 负离子的稳定性有关，还与亲核试剂的性质有关
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
Z NaOCH3 + NO2 Cl Z H N
Z a NO2 OCH3 Z
+
b NO2 N
NO2 Br
几种取代基在S 几种取代基在 NAr2机理中的致活次序 机理中的致活次序
定位效应: 定位效应 在按S 机理进行的芳香族亲核取代反应里， 在按 NAr2机理进行的芳香族亲核取代反应里， 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。 吸电子基团引导进入基团定位在邻位和对位。如:
支持这一反应机理的事实： 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 ）动力学研究结果表明： 与亲核试剂的浓度无关。 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
N15Biblioteka 15NNN
N
有芳基氯生成， （3）在重氮盐水解过程中加入 -时，有芳基氯生成， ）在重氮盐水解过程中加入Cl 的加入不影响反应速度。 但Cl-的加入不影响反应速度。
X NO2 + NO2 H N HX O2N N NO2 + X
相对反应速度： 当Ｘ =Cl, Br , I 时，相对反应速度：4.3, 4.3, 1 ,但 但 离去基团的离去能力： 是，离去基团的离去能力： Cl < Br < I 相对反应速度是3300 当X＝F 时， 相对反应速度是 ＝ 说明:控制反应速度的一步不包含 － 键的断裂 说明 控制反应速度的一步不包含C－X键的断裂 控制反应速度的一步不包含
芳香族亲电取代反应
＜1.2 ～1.0
1.6 ～ 1.7 ～1.0 1.4 10.0
（2）结论 一般无动力学同位素效应。
说明芳香族化合物的亲电取代反应是两步历程，
且σ-络合物的生成为控制步骤。
（3）特例
表 动力学同位素效应研究中的特例
反应试剂 被作用物
Br H 3C H 3C CH
3
kH/kD
1.4
CH D
3
Br2
(H 3 C) 3 C
CH 3
NO 2
NH COCH 3
COOH
2.2.5 萘环的定位规律
萘环的特性
（1）比苯环更易发生亲电取代反应。
H E H E H E H E H E
α-位
H E H E H E H E H E
β-位
（2）α位比β位 的亲电取代反应 活性高，E+优先 进攻α位。
（3）某些反应 在一定条件下 可逆，使低温 反应产物以α 位为主，高温 反应产物以β 位为主。
亲核试剂 负离子：OH-，RO含有可极化或已极化共价键 的分子偶极的负端：NH3， RNH2
含可接受共用电子对的分子： 烯烃的双键和芳环 FeCl3，AlCl3
氧化剂：Fe3+，O3
碱类：OH金属有机化合物中的烷基： RMgX
羰基的双键：C=O
还原剂：Fe2＋
酸类 卤代烷中的烷基：R-X
2.2 亲电取代反应
（1）生成了新的σ键； （2）芳烃的π电子体系被破坏，形成了不稳 定的非芳香性化合物。
2.2.1.3 两类络合物的关系
芳烃与亲电试剂接触，经过π络合物，然后形成σ 络合物，即：
R
R
R
HCl
芳香族取代反应
势 能
E +H
σ络合物
E
H
加成产物
H
Nu
+ E+
E 取代产物
反应进程 苯容易进行亲电取代反应，难发生亲电加成
现在学习的是第5页，共45页
在一些特殊的条件下，某些稳定的σ络合物可以分离出来
H3C
CH3 EtF
CH3 BF3, -80°C
CH3
+
H3C
CH3
H Et
H3C
CH3
+ HF + BF3 CH3 Et
OH
O
H2SO4
+ CH3 C CH3
HO
CH3
C
OH
CH3
双酚A
环氧树脂的原料
现在学习的是第26页，共45页
c. 芳基底物 OH、OR、NH2等取代：不宜用路易斯酸催化 Hal、COR、COOH等取代：较强的反应条件下反应
NO2取代：不反应，故硝基苯可做溶剂
CH3 CH2CH2CHC(CH3)2
2）重氮偶联
N NCl +
O3S O3S
NaOH, H2O OH0℃ NhomakorabeaNN
OH
弱碱性 pH 8~10
N N+
NN
甲基橙
CH3
H+
N
CH3
弱酸性或中性条件下
CH3 N
CH3
现在学习的是第37页，共45页
HO3S
OH NH2 SO3H
O2N
N2+ClpH < 6
HO3S
OH NH2
NN SO3H
NO2
alkylated toluene
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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
Z a NO2 OCH3 Z
+
b NO2 N
NO2 Br
几种取代基在SNAr2机理中的致活次序
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
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
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
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。
Hale Waihona Puke H2OOHCl
Cl
SNAr1机理的实例 重氮盐水解 重氮盐硫代
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。
18.2.3 亲核试剂的影响 亲核性大致次序是:
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
（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
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
（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。
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
(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。
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
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
Z a NO2 OCH3 Z
+
b NO2 N
NO2 Br
几种取代基在SNAr2机理中的致活次序
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
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
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
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。
Hale Waihona Puke H2OOHCl
Cl
SNAr1机理的实例 重氮盐水解 重氮盐硫代
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。
18.2.3 亲核试剂的影响 亲核性大致次序是:
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
（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
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
（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。
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
(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。
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