第四章_芳环上的取代反应

6）原位取代 (Ipso取代):
在亲电取代反应中，亲电试剂取代苯环上原有的取代 基，称为原位取代。
CH3 NO2 +
CH3
NO2OAc Ac2O
CH3
CH3
CH(CH3)2
CH(CH3)2 82%
+ NO2 CH(CH3)2 NO2 8% 10%
苯环上原有取代基被取代的难易，取决于离去基团
带有正电荷的稳定性或形成产物的难易程度。
_
因为一级正丙基正离子重排为 更稳定的二级异丙基正离子： CH3CHCH2 H 正丙基正离子 重排 CH3CHCH3 异丙基正离子
B). 酰基化
O AlCl3 O CR + HCl 烷基 苯 基 酮
+ R CC l O O
( RCOOH)
(or RCOCR)
酰基化反应不会发生重排
酰基化历程
O RCC l + A lC l 3 O + O CR H RC AlCl 4 O RC AlCl4 O CR H + A lC l 4
fa st
E
+ s lo w σ-络合物芳正离子
E
fa st
p-络合物
芳正离子生成的一 + + H 步是决定反应速率 的一步
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℃
苯环亲电取代反应进程－位能变化曲线图
+
5）螯合效应：当环上的取代基与亲电试剂发 生配位时，通常发生邻位取代。
H2 C HNO3 / H2 SO4 H2 C H2 C O CH 3 H2 C + NO 2 59% H2 C H2 C O CH 3
NO2
H2 C
O
CH 3 32% H2 C
H2 C N 2 O5
CH 3 O NO2 +
H2 C
O
CH 3
69%
NO 2 28%
?
CH2 O CH3 CH2
NO2 O NO2
-NO3-
CH2 OCH3 CH2 69% (邻） NO2 28%（对）
CH3 CH2 O CH2 NO2
CH2 O CH3 CH2 H -H+ 产物 NO2
能够发生螯合效应的条件： 1〕杂原子能与试剂螯合； 2）所形成环为五元环或六元环。
+ H2 SO4 165 oC
H
SO3H
H
SO3 H
H
SO3 H
H
SO3 H
H
SO3 H
a-位取代－动力学控制产物； b-位取代－热力学控制产物。
4 邻、对位定向比
1）亲电试剂的活性 亲电试剂活性越高，选择性越低。
CH3
试剂
HON3/H2SO4 NO2+BF4-/CH3CN
相对速度 % o- % m- % p17 2.3 60 39 3 2 37 29
N(CH3)3 NO2 CN SO3H CHO COCH3 + COOH COOR CONH2 NH3
第二类取代基具有-I， 或是-C效应，使芳环的电子 云密度降低。
+
大多数间位定位基在它与苯环直接相连的 原子上都是重键。
3、定位效应的理论解释 用电子效应－诱导效应和共轭效应 邻对位定位基与苯环相连时，主要存在供电 子共轭效应（＋C：p－p和－p ）；间位定 位基与苯环相连时，主要存在吸电子共轭效 应（－C： p－p共轭）。
H 3O
NO2 H
+
2 H SO 4
-
N O 2+
+ H+
NO2
芳正离子中间体
NO2+是有效的亲电试剂，硫酸 在反应中不是脱水剂。
O N O
2、卤代反应
催化剂：Fe粉或FeX3
X + X2 Fe or FeX3 卤苯 CH3 + X2 Fe or FeX3 CH3 CH3 X + X + HX
卤代反应历程（以溴代为例）
1) 两个取代基定位效应一致
CH3 CH3 Cl NO2
位阻大
两个取代基定位效应不一致
CH3 NO2 NHCOCH3 少 NO2
NH2
COOH
COOH COOH
OH
Cl
两个定位基同类
服从较强的定位基
NH2
COOH
CH3
NO2
定位效应差不多时，两者都有
CH3
Cl
两个定位基不同类，服从第一类定位基
特点：1）可逆反应； 2）磺酸基可被硝基、卤素取代
磺化反应历程
O O S O O O S O
O H
O
SO3-
O S
S
O
O
O
SO3H
+
H+
4、Friedel－Crafts反应
A）烷基化
＋ C2H5Br 无水AlCl3 C2H5 + HBr
•催化剂 Lewis酸： •FeCl3、SnCl4、 •ZnCl2 、 HF、H2SO4 •H3PO4、BF3
F Cl Br I
电负 性依 次降 低
4）溶剂效应：
主要表现在对亲电试剂的溶剂化
Cl Cl E + E
非极性溶剂
R + E+ Cl
极性溶剂
E
主
O CCH3
CS2 O CH3C Cl AlCl3 PhNO2
O CCH3
CH3CO-Al-Cl4络合物被硝基苯溶剂化，体积增 大，较大的空间效应使它进入1位。
中间体的稳定性－共振论
共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。
练习
CH CH2 H E CH CH2 H E
CH CH2 H E CH CH2 H E
CH CH2 + E
邻对位
间位
CH CH2 CH CH2 H E H E
CH CH2 H E
Cl
Cl
Cl H E H E
Cl H E
Cl H E
OCH3 4 10 2.3× 0.25
4 10 . 5 5×
氯苯的三个分速度因数均小于1，卤素是致钝基团， 且 fm << fp, E+进入间位的可能性很小。 苯甲醚：
fp ≈ fo >> fm
-OCH3 对邻、对位具有＋C, ＋I效应，＋C > ＋I 对间位，只有＋I, 而无＋C效应。
6、定位效应的应用
烷基化历程
CH3CH2Cl + AlCl3
_ + + CH3CH2 AlCl4
_ + CH3CH2 AlCl4
CH2CH3
-
+
H
CH2CH3 + H+
重排(如何制得正烷基苯？)
+ CH3CH2CH2Cl AlCl3 18__80 C 异丙苯 65－69％ 正丙苯 3.5－31％ CH(CH3)2 + CH2CH2CH3
Br2 + FeBr3 Br Br
δ δ
FeBr3
Br H + Br
溴分子在FeBr3的作用下发生极化
R Br Br FeBr R
+
FeBr3
生成芳正离子
R
Br H
R
Br + H
脱去质子
3. 磺化反应
SO3H H2SO4, SO3 , 30－50 。C 180 。C CH3 + H2SO4 苯磺酸 CH3 CH3 SO3H + SO3H 0。C 100 。C 43% 13％ 53% 79％ ＋ H2O
Z
对
E Z 间 E
定位基：苯环上原有取代基能指定新导入基团的位置， 则原有取代基成为定位基。这种效应叫定位基效应。
Z
2、定位基分类
Z= OH 40 60 <1
>1
CH3 56 40 4
Cl 30 70 <1
NO2 6 <1 >93
<1
CN 17 2 81
硝 化 产 物
o (%) p(%) m (%)
速度 kC6H5Z/C6H6
定位基 类型
致 活 基
钝化基 间位定位基
邻对位定位基
Y
（1）邻对位定位基 —第一类取代基
a). 邻对位－致活定位基
引导亲电试剂进入定位基的邻位和对位；亲电取 代速度与苯相比加快。
第一类取代基 （除卤素外）具有+I， 或是＋C效应， 其作用是增大芳环的电子云密度。
O－、NH2(NHR、NR2)、OH、NHCOR、 OCOR、R
如＋CH(CH3)2比+CH3稳定，异丙基容易作为正离子
消除。
CH3
NO2OAc Ac2O
CH3 NO2 +
CH3
CH3
CH(CH3)2
CH(CH3)2 82%
+ NO2 CH(CH3)2 NO2 8% 10%
最常见的能发生原位取代的反应还有芳香族溴化物
和碘化物的硝化反应、叔丁基苯的卤化反应，Cl不易
间二硝基苯
CH3
硫酸起何作 用？亲电试 剂是什么？
CH3
NO2 TNT
硝化反应历程
H 2S O 4 + H O N O 2 H 2O N O 2 H 2O + H 2S O 4 2 H 2S O 4 H N O 3
NO2+
+
H 2O+ N O 2 + H S O-4 S lo w N O 2+ + H 2O H 3O + + H S O 4-
速率与苯进行取代的速率之比。
是从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度。
ห้องสมุดไป่ตู้
Z
分速度因数 (f) =
(k取代/y)(z产物的百分比)
(k苯/6)
y－位置的数目
通过每一个位置取代苯的活性与苯比较，把总的 速率乘以邻位、间位或对位产物的百分比，再除以 苯的取代速率的结果。
kPhZ/2 o fo＝ k / × PhH 6
异构体 100
Z
kPhZ/2 异构体 m × fm ＝ 100 kPhH/6
kPhZ/1 p fp＝ × kPhH/6
异构体 100
当 f > 1 时，该位置的活泼性比苯大, 否则比苯小。
例如：
在硝酸与乙酸酐的体系中，甲苯的硝化速度是苯进行
硝化反应的23倍。 取代产物的百分比为： 邻 63％ 对 34％ 间 3％
H E
NO2
H E
NO NO 22
+ E+ + +E
NO2 对位 H E 间位 NO2 H
NO2
不稳定 NO2
H E NO2 H
H E 不稳定 NO2 H
E
E
E
H
80 ℃
SO3H
165 ℃
+ H2SO4
165 ℃
H
SO3H
H SO3H 80o C
H SO 3H
H SO 3H
H SO 3H
H SO3 H
过渡态2 过渡态3 过渡态1 位 能 E1 + E+ E+ E + H+ E2 E3
E H
反应进程
1、硝化反应
NO2 + HONO2 NO2 NO2 95。C CH3 + HNO3 O2N H2SO4 30。C NO2 CH3 NO2 + NO2 H2SO4 55－60 C
。
+ H 2O
硝基苯
发烟HNO3, 浓硫酸
C OR
+ H+
Clemmensen Reduction
AlCl3 80 C CH2CH2CH3 COCH2CH3
+ CH3CH2COCl Zn-Hg/HCl Clemmensen还原
提供了一个制备正烷基苯的 好方法。
（二） 亲电取代反应的特性与相对活性
1、苯环的亲电取代定位规则
Z E
邻
Z + E+
CH 3
fo
fm
fp
(6) (23) (0.63) 43.5 × × (2) (1) (6) (23) (0.03) 2.1 × × (2) (1) (6) (23) (0.34) 46.9 × × (1) (1)
氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：
Cl
0.029 0.0009 0.137
第四章 芳环上的取代反应
亲电取代反应 亲核取代反应 自由基取代反应
H
H C H
C C
C C
H C H
H
芳环上离域的π电子的作用，易于发生亲电取代反 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。
一、芳环亲电取代反应
(一)芳环亲电取代反应历程
加成－消除机理
H E E Nu H E
+ -
进攻邻位
Cl + E+
Cl
Cl
Cl
Cl
进攻对位
E H Cl E H Cl E H E H E H Cl E H E H
进攻间位
Cl H NO2 H NO2
Cl
Cl
m 位 能 o p Cl
反应进程
HE
图示：氯苯硝化形成邻、间、对中间体碳正离子 的相对能量关系
NO2 进攻邻位
H E
NO2
以Cl+形式存在，故不易离去。
CH 3 HNO3 / H2 SO4 O2N + I NO 2 CH 3 CH 3
I
实验结果表明，在原位取代中，离去基团的离去能 力由大到小的次序为：
H+ >> I+ > Br+ > NO2+ > Cl+
5. 取代基的定量关系
取代基效应与化学活性之间存在一定的定量关系。 1) 分速度因数:是一种定量表示定位效应的方法，它是 一取代苯进行再取代时，在其中一个位置进行取代的
大多数邻对位定位基在它与苯环直接相连的 原子上都是单键。
b). 邻对位－致钝定位基
Y
这类基团是指卤素，如F，Cl、Br。 存在-I效应和+C效应，但-I效应>
+C效应，使苯环上电子云密度降低， 因此为致钝定位基。
2） 间位定位基—第二类取代基
引导亲电试剂进入定位基的间位；亲电取代 速度与苯相比减慢，都是致钝定位基。
2) 空间效应越大，对位产物越多：
C(CH3)3 H2SO4 C(CH3)3
100 %
SO3H
3）电子效应：
X
X o% p% m% F 12 88 0 Cl 30 69 1 I 32 60 8
－I 效应 依次 减小
诱导效应随距离的增加而减弱， 故对位受影响比邻位小，而且这 种影响随电负性的增大而加剧， 所以电负性最大的F使邻位电子 云密度降低最多，不利于邻位取 代，对位产物增多。