芳香族化合物取代反应

2014年11月11日 32
邻氯三氟甲苯氨化只生成间(三氟甲基)苯胺， 因为生成这个产物的中间体中负电荷距强吸电 子基更近而相对更稳定：
CF3 CF3 Cl NaNH2/NH3 -33oC CF3 NH2 CF3 NH2 NH3 CF3 NH2
2014年11月11日
33
CF3 CF3 NaNH2/NH3 Cl -33oC
+
Br Br ●苯乙酮与溴反应，如果只加如催化量的AlCl3，得到甲基 溴化产物；如用过量的AlCl3，则得到环上溴化产物，这时 起反应的是苯乙酮与AlCl3生成的络合物
COCH2Br
Br2 AlCl3(cat.)
COCH3
Br2/AlCl3
COCH3 Br
22
2014年11月11日
●在不同催化剂作用下可以得到不同的产物
CH3 Br KNH2/NH3 -33oC, 64%
OCH3
OCH3
+
50% CH3 NH2 NH2 50%
CH3
+
51% NH2
CH3 CH3
NH2
49%
CH3 NH2
CH3
KNH2/NH3 -33oC, 64% Br 56%
+
NH2
+
NH2 22%
30
22%
2014年11月11日
上述反应中最好的解释是首先发生了HX的消除，生成了苯 炔，然后是苯炔的加成反应。
OH
+
+
H HO
+
H2O+
- H2O
+
-H+
+
H
2014年11月11日
39
3.无论是自然界还是合成化学家，在构建复杂的多环 分子包括甾族化合物的过程中都会运用酸催化的串联 （联锁反应），请提出下列多项环化过程的机理：
BF3 CH3O HO CH3O
提示：三氟化硼与羟基酸碱反应，然后夺掉羟基，得到碳正 离子，碳正离子与双键P，π-共轭，出现共振，然后碳正离子 作为亲电试剂进攻左边的双键，发生亲电加成，该双键形成 中间体碳正离子又可作为亲电试剂，进攻苯环发生亲电取代， 消除掉氢离子生成最终产物。
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。
π络合物是通过电荷转移形成的，因 此也叫电荷转移络合物。
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π络合物这一事实在实验中已经 得到证实
棕红色
在π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。
⑤ 原位取代 (Ipso取代):
在芳环上已有取代基的位置上发生取代作用效应：
CH3
NO2OAc Ac2O
CH3 NO2 +
CH3
CH3
CH(CH3)2
CH(CH3)2 82%
+ NO2 CH(CH3)2 NO2 8% 10%
原位取代的难易，取决于离去基团容纳正电荷的能力和生成 产物的难易程度。容纳正电荷的能力:(CH3)3C-> (CH3)2CH> CH3-。
4.氧氟沙星(Ofloxacin)是一种用于治疗呼吸道和尿道、眼 睛、耳朵和皮肤病组织感染的喹诺酮类抗生素。下面所示的 是合成氧氟沙星的最后三步，最后一步是简单的酯水解。试 写出从A到B，然后到C二步转化反应的机理。
它在500nm 有吸收，而苯在 297nm处的吸收峰不复存在
络合物
在BF3存在下，三甲苯和氟乙烷在-80℃反 应，可分离出熔点为-15℃的中间体
熔点为-15℃
二、亲电取代反应定位基的定位效应
（一）苯环上取代反应的定位规则—两类定位基 1.第一类定位基(即邻对位定位基)
―O-、 ―N(CH3)2 ＞ ―NH2 ＞ ―OH ＞ ―OCH3 ＞ ―NHCOCH3 ＞―OCOCH3 ＞ ―CH3 ＞ ―Cl ＞ ―Br ＞―I 、 ― C6H5 ┄ 等。
（二）定位效应的影响因素 ①电子效应和共轭效应的影响
常见取代基定位效应
类别 性质 邻对位取代基 致 最强 强
NR2
间 位 取 代 基 致钝 弱
F Cl Br I
取
活 中
致 强
NO2 CN SO3H CHO COCH3 COON COOCH3 CONH2
钝 最强
弱
代
O
NHR NH2 OH OR
O NH C R CH3 CR3 O OC R
OC2H5 O2N NO2 CH3O OC2H5 NO2 N C2H5OK O2N NO2 OCH3 NO2
NO2 CH3OK O2N
O O K 深紫色的盐
因此这种化合物就叫做Meisenheimer络合物。
2014年11月11日
28
2. 消除-加成机理 卤代芳烃在液氨中与氨基钠或氨基锂反应，卤原子被氨基取 代，生成芳胺，在有的反应中氨基在卤原子原来的位置上。 例如：
④ 螯合效应：
CH2 O CH3 CH2 CH2 OCH3 CH2 69% (邻） NO2 28%（对）
CH2 O CH3 CH2 H - H+ 产物 NO2
NO2 O NO2
-NO3-
CH3 CH2 O CH2 NO2
用N2O5硝化比用HNO3/H2SO4硝化有较高的邻对位比，后 者是邻位32%，对位59%。 能够发生螯合效应的条件：1〕杂原子能与试剂结合； 2） 所形成环为五员环或六员环。
第5章 芳香族化合物 的取代反应
第一节 芳环上的亲电取代反应
苯环的 离域π 轨道
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+
π络合物 络合物
加成－消除机理
CN Br N NO2
+
N Cl
+
pH=0 OMe
CN Br N NO2 N OMe
●羟胺磺酸酯与苯反应，可以得到苯胺，但产率较低。
+
H2N-O-SO3H
AlCl3
NH2
●在多聚磷酸存在下，过量的羟肟酸与苯反应，可以得到 较好收率的酰化苯胺。
+
R
C NHOH O
PPA
NHCOR
●酚或芳胺的溴化或氯化容易得到多取代产物，如用NBS 或NCS作试剂，则可以得到单取代产物： NH2 NH2 NH2 NH2 Br Br Br NBS Br2
NO2
NO2 O2N
1. Na2CO3, H2O, 100oC 2. H3O O2N
NO2
Cl
OH
25
2014年11月11日
当然，也可以与其它亲核试剂反应：
NO2 + NH3 Cl
NO2 + Cl SH
NO2 95% NH2
NaOH 30 C
o
S
NO2
对硝基二苯基硫醚
2014年11月11日
26
NO2 + CH3OK F CH3OH 25 C
H2SO4
CH3 CHCH2Cl CH2CH CH2 CH3 CHCH2Cl CH2CH CH2
+ CH2
CHCH2Cl
BF3 AlCl3
+
2014年11月11日
23
第二节
Cl
芳环上亲核取代反应
氯与苯环形成p-π共轭体系。当环上连有 -NO2-、CN、-COCH3、-CF3时，也可发生亲 核取代反应。 一、 加成－消除机理
16
2014年11月11日
●亚硝基活性较小，只有硝基的10-14，只有活性较大的 芳烃才能发生亚硝化反应。
OH NaNO2/H2SO4 OH NO + NO OH
●使用氯磺酸与苯反应，很容易得到苯磺酰氯。
ClSO3H SO2Cl
SO3H
SOCl2
SO2Cl
●重氮基是一个弱的亲电试剂，只有活性较大如 酚、芳胺类可以发生偶联反应。
三、亲电试剂及亲电取代
亲电试剂
NO+ 2
2 H2SO4 + HNO3
生成形式 + + NO2 + H3O + 2 HSO4
X2-MXn
X2 + MXn
2 H2SO4
R3CX + AlCl3
O R C X
X2 - MXn
+ SO3 + H3O + HSO4
R3C+ + AlCl3XO R C
+
SO3
)
OMe Br 3) NaNH2/NH3 ( )
2014年11月11日
பைடு நூலகம்37
COCH3 4. Br2/AlCl3 Br2/AlCl3(cat.) ( ) ( )
CF3 5) Cl NaNH2/NH3 -33oC ( )
2014年11月11日
38
反应的机理分析
+ O
+
H2SO4
H O
+ O H
H -H+ HO
Cl NH2 H + NH3 + Cl
NH2 NH2
NH2 H NH2 NH2
2014年11月11日
31
sp sp
2
2
苯炔是非常活泼的中间体，实验测定苯炔的 生成热为491.20kJ.mol-1, 说明它非常不稳 定。它的第三个键实际上是两个sp2杂化轨 道在侧面重迭而成的，因此重迭程度很小， 与一般的炔烃很不相同。 根据苯炔机理，一些以前无法解释 的实验结果就可以得到解释。
依 次 增 多
如果芳环上原有基团与新引入基团的空间位 阻都很大时，对位产物几乎为100%。
(C H3)3C (Cl、Br) 浓 H2SO4 (C H3)3C (Cl、Br) SO3H ~100%
③ 溶剂效应
O CS2 CCH3 O CCH3
9
1
O CH3C Cl
AlCl3
PhNO2
CH3COCl-AlCl3被硝基苯溶剂化，体积增大。较大的空间 效应使它进入1位。
R3C+ O
R
C
+
+
AlCl3
+
AlCl3X
-
NO+
HNO2 + H+
NO+ + H2O
■ 亲 电 取 代 反 应 举 例
R SO3H RCH=CH2 AlCl3 or RX H2SO4 ROH FeCl
Cl
3
Cl2 Br
NO2 HNO3 H2SO4 AlCl3 RCOCl FeBr3 Br2
ZnCl2 HCl or (RCO)2O CH2O COR CH2Cl
【思考题】
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
36
2014年11月11日
2.完成反应式
NH2OSO3H AlCl3
2. + CH2=CHCH2Cl AlCl3
1)
(
)
(
)
+
(
NR3
基
电子 +C 效应 +I
+C＞-I
+I
+C＜ -C -I
-I
-I
②空间效应的影响
空间效应 亲电试剂和苯环上原有的取代基的体积越 大，对位产物越多：
CH3 R X AlCl3 CH3 CH3 + R
R
R=
CH3 CH2CH3 CH(CH3)2 C(CH3)3
位 阻 依 次 增 大
依 次 减 少
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
o
NO2 93% OCH3 对硝基苯甲醚
与脂肪族的SN2反应不同之处是，这种芳香族亲核取代的机 理是先加成后离去，称为SNAr。
L + Nu N N N N N L Nu L Nu L Nu Nu
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
2014年11月11日
27
这种机理的证明，最好的证据莫过于中间体被分离得到。确 实，在1902年一个叫Meisenheimer的化学家就分离得到了下 列化合物：
OCH3 OCH3 KNH2/NH3 Br
OCH3 Cl
-33 C
o
59% NH2
OCH3
有的反应中氨基移到了原来卤原子的邻位：
KNH2/NH3 -33oC 58% NH2
而在另一些反应中，得到以上两种类型的产物的混合物
2014年11月11日 29
OCH3 KNH2/NH3 -33oC, 31% Br
氯苯与浓的氢氧化钠溶液在常压下回流几天也不起反应，要在压 力下加热到300º C以上才能转变成酚钠。邻和对硝基氯苯与氢氧化 钠溶液一起加热就可以水解成硝基苯酚： Cl OH
NaOH 350℃ 450MPa
2014年11月11日 24
Cl (1).NaOH, 130° C (2).H3O+ NO2
OH
CF3 NH2
CF3
间氯(三氟甲基)苯的氨解看似可以在两个方向 消除，但由于三氟甲基邻位的氢的酸性大而更 易消除，因此产物一边倒地生成间(三氟甲基) 苯胺
2014年11月11日 34
CF3 NaNH2/NH3 -33 C Cl
o
CF3
CF3 + NH2
CF3
NH2
对氯(三氟甲基)苯在消除步骤只能生成4–(三 氟甲基)苯炔，由于三氟甲基距离较远，对加 成步骤的影响很小，因此生成两种可能的加成 产物的混合物，其分量接近相等