第十八章 芳香族亲核取代反应

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 Ar2机理进行的亲核取代反应 (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 O2 N NO2 > NO2 NO2 Cl NO2 > NO2 >> NO2 Cl Cl Cl
~ ~
类似与SN2反应，但亲核试剂不能从带有离去基 类似与 反应， 反应 团的碳原子的侧面进攻底物。 团的碳原子的侧面进攻底物。
机理的证明： 机理的证明： （1）动力学证明 二级动力学
（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。 的一个证明。
第一节 芳香族亲核取代反应机理 18.1.1 双分子SNAr2机理 双分子S Ar2机理 SNAr2机理是亲核取代反应中最主要的反应机理。 机理是亲核取代反应中最主要的反应机理。 机理是亲核取代反应中最主要的反应机理
例如： 例如：
Cl + NO2 OH + NO2 Cl OH Cl OH NO2
O2N
OCH3 NO2
NO2
这一中间体的分离获得， 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 单分子S Ar1机理 在芳环上按照S 机理进行的反应很少， 在芳环上按照 NAr1机理进行的反应很少，重氮 机理进行的反应很少 盐的水解被认为是按S 机理进行的 盐的水解被认为是按 NAr1机理进行的
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： 反应通式：
在上列反应式中， 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， 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。 里被取代的基团X连氢负离子也是可以的。
（6）中间体离析 1902年对 年对2,4,6-三硝基苯甲醚和乙氧基离子之间反应的 年对 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。 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
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
（４）溶剂的影响
Nu=N3- kF/kI=200(甲醇) =200(甲醇 甲醇) Nu=PhS- kF/kI=2.5(甲醇) =2.5(甲醇 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。 碱少反应速度提高，碱多反应速度不再提高。
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 键和C 化的情况不同， 因而C芳-X键和C脂-X键的性质很 不一样。 sp2杂化形成的分子轨道中 杂化形成的分子轨道中s 不一样。在sp2杂化形成的分子轨道中s轨道的比 例比较大， sp3杂化轨道中 轨道的比例比较小， 杂化轨道中s 例比较大， 在sp3杂化轨道中s轨道的比例比较小， 因而在Csp2 因而在Csp2 -X键中碳原子对价电子的吸引力比在 Csp3- 键中碳原于对价电子的吸引力强。 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， 容易发生。再有，如果离去基团的中心原子对来 共用电子对， 共轭使得C 键更加牢固。 共用电子对，则P-π共轭使得C-X键更加牢固。
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
N
15
15
N
N
N
N源自文库
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。
(2) 按SNAr1机理进行的亲核取代反应 机理进行的亲核取代反应
N N N N Me Me
N N
× →
N O O
(3)按苯炔机理进行的亲核取代反应 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: 形成苯炔 Z=吸电子基 有助于脱掉邻位氢， Z=给电子基 有 吸电子基, 有助于脱掉邻位氢， 给电子基, 吸电子基 给电子基 利于脱掉对位氢。 利于脱掉对位氢。 形成碳负离子中间体: 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 吸电子的， 吸电子的 比较稳定。 比较稳定。
H 2O
OH
Cl
Cl
SNAr1机理的实例 机理的实例 重氮盐水解 重氮盐硫代
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 在这些反应中由于生成了苯炔，因此也叫苯炔机理
Cl NO2 Ortho I30℃ ℃ OH
Cl
OH NO2
Cl
OH O N O
Cl OH Para NO2 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
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:
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
例如： 例如：
Cl 1) NaOH , H2O , 340℃ , 2500psi ℃ 2) H3O OH + NaCl
Cl
14
NH 2 NH 2
14
NH 2
14
Cl KNH2 NH3 CH3
NH2
H 2N
CH3 38%
CH3 62%
反应机理的证实： 反应机理的证实：
卤素的活性次序为Br >I>Cl > > F的原因 的原因: 卤素的活性次序为 的原因 Br ,I脱去时，脱掉质子是速度决定步骤： F>Cl>Br>I 脱去时， 脱去时 脱掉质子是速度决定步骤： Cl, F脱去时， C-X键断裂是速度决定步骤：I>Br>Cl>F 脱去时， 键断裂是速度决定步骤： 脱去时 键断裂是速度决定步骤
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， 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。 。
OH OH, 100℃ ℃ NO2 NO2 NH2 NO2 ,100℃ ℃ NH3 C2H5OH NO2 CH3O , CH3OH O2N NO2 reflux , NO2 O2N NO2 OCH3 NO2 NO2
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: 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
18.2.3 亲核试剂的影响 亲核性大致次序是: 亲核性大致次序是