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1、,第十二章 芳环的亲电取代、亲核取代反应及芳环取代基的反应Electrophilic and Nucleophilic Substitutions at Aromatic Rings,Reactions of Substituents of Aromatic Rings,本章主要内容,一、芳环的亲电取代反应及机制二、取代基对芳环亲电取代反应的影响三、多环芳烃的亲电取代反应（自学为主）四、芳香杂环的亲电取代反应（自学为主）五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应六、芳环取代基的反应 芳香重氮盐的形成及其在合成中的应用,一、芳环的亲电取代反应及机制,Mechanism苯环的亲电反应与烯烃的对比分析不同之处
2、：苯环具有芳香稳定能，与亲电试剂加成形成碳正离子需要更高的活化能,类似点：苯环与烯烃的分子平面上下两方具有键电子云，容易接受亲电试剂进攻,一、芳环的亲电取代反应及机制,1.Mechanism Step 1:亲电试剂进攻苯环的p键，形成碳正离子（与烯烃亲电加成反应类似）Step 2:脱去一个质子，回复到稳定的芳香性苯环结构，生成取代反应产物（与烯烃不同）,一、芳环的亲电取代反应及机制,Reaction coordinate diagrams,一、芳环的亲电取代反应及机制,Therefore,the electrophile that can effect aromatic subsitution
3、 of benzene must be more reactive than those addition to alkenes.因此，与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性,Activated Electrophiles(活化的亲电试剂)Cation formation by reaction of an electrophile with an aromatic ring is accompanied by the loss of aromatic stabilization.正离子的形成伴随着芳香性的丧失,一、芳环的亲电取代反应及机制,2.The five most common ele
4、ctrophilic aromatic substitution reactions,一、芳环的亲电取代反应及机制,以上几种亲电取代反应的亲电试剂如下：-Cl-Cl+-AlCl3-Br-Br+-FeBr3-I+(obtained by I2+HNO3)-+NO2(obtained by HNO3+H2SO4)-+SO3H(from H2SO4)or SO3-R+(obtained by R-Cl+AlCl3)-RC+=O(obtained by RCOCl+AlCl3),一、芳环的亲电取代反应及机制,2.1 Halogenation,一、芳环的亲电取代反应及机制,2.1 Halogenatio
5、n,一、芳环的亲电取代反应及机制,2.2 Nitration,一、芳环的亲电取代反应及机制,2.3 Sulfonation-reversible reaction,可逆反应,HSO4-,H2SO4,一、芳环的亲电取代反应及机制,2.4 Friedel-Crafts Alkylation(傅氏烷基化),Note:Rearrangement may occur in alkylation,一、芳环的亲电取代反应及机制,2.4 Friedel-Crafts Alkylation(傅氏烷基化),2.5 Friedel-Crafts Acylation(傅氏酰基化),一、芳环的亲电取代反应及机制,没有重
6、排问题,注意使用不同的酰化试剂时，催化剂的用量是不同的,1.0 eq,2.0 eq,一、芳环的亲电取代反应及机制,思考题：如何从苯合成正丁基苯？,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,A study of the chemistry of aromatic compounds（芳香化合物）leads to deeper understanding of the effects of electronic and steric factors（电子和空间因素）on reactivity,which will be of benefit in the further study of chemist
7、ry and biochemistry.,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,1.Experimental Facts:,2.The effect of substituents on reactivity Activating substituents(致活基)-Electron-donating substituents(给电子基)increase the reactivity of the benzene ring toward electrophilic aromatic substitution.Deactivating substituents(致钝基)-Electron-with
8、drawing substituents(吸电子基)decrease the reactivity of the benzene ring toward electrophilic aromatic substitution.,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,2.The effect of substituents on reactivity,Relative reactivity:Strongly activating substituents Moderately activating substituents Weakly activating s
9、ubstituents Weakly deactivating substituents Moderately deactivating substituents Strongly deactivating substituents,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,致活基,致钝基,取决于取代基电子效应对苯环电子密度影响的大小,邻、对位定位,间位定位,致活基,致钝基,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,3.The effect of substituents on orientation ortho/para directors(邻对位定位基)-all activating substitu
10、ents are ortho/para directors.-the weakly deactivating halogens are ortho/para directors.meta directors(间位定位基)-all deactivating substituents(except the halogens)are meta directors.,4.定位效应与定位规律的分析与解释 从实验事实提出的问题：-为什么致活基都是邻对位取代基？-为什么大多数致钝基都是间位定位基？-为什么卤素既是弱的致钝基，又是邻对位定位基？从以下三个方面进行分析讨论：-电子效应对苯环上电子云密度分布的影响
11、-苯环上电子云密度分布的理论计算结果-反应中活泼中间体的结构与稳定性,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,4.1 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响,-NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR等基团具有给电子共轭和吸电子诱导作用，总结果为给电子共轭作用，苯环上电子云密度增加，亲电反应速率增大。-邻对位电子云密度增加得更多，邻对位定位。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,4.1 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响,-CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等
12、基团具有吸电子共轭和吸电子诱导作用，苯环上电子云密度降低，亲电反应速率降低。-吸电子共轭作用使邻对位电子云密度降低得更多，间位定位。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,4.1 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响,-X原子具有吸电子诱导和给电子共轭作用，总结果为吸电子作用，苯环上电子云密度降低，亲电反应速率降低。-邻对位电子云密度降低得较少，邻对位定位。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,由以上分析可见：-当一个基团既有诱导效应又有共轭效应时，则整个基团表现出来的电子效应是两种效应的总和。-取代基产生的共轭电子效应对苯
13、环的邻对位产生的影响较大，而对间位产生的影响较小。,4.定位效应与定位规律的分析与解释,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,4.2 苯环上电子云密度分布的计算结果,与前述分析结果是一致的。,4.3 反应的活泼中间体结构和稳定性分析,CH3和烷基:弱致活基，邻对位定位基,OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基,OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位基,OCOR，NHCOR：中等致活基，邻对位定位基,当氧或氮与羰基相连时，氧或氮上的孤对电子也与羰基共轭，因此与苯环的共轭作用减弱了,强致钝基和中等致钝基，间位定位基,-CONH2,-COOR,-COR,-CHO,
14、-SO3H,-+NR3,-NO2,-CF3,-CN,-CF3和-+NR3只具有吸电子诱导效应-其它基团则兼具有吸电子诱导和共轭效应,NH3+：强致钝基，间位定位基,NO2：强致钝基，间位定位基,强致钝基和中等致钝基，间位定位基：,难以发生F-C烷基化反应和F-C酰基化反应,Halogens：弱致钝基，邻、对位定位基,5.The ortho/para ratio,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,取代基的空间位阻将影响邻对位比例,5.The ortho/para ratio,取代基的体积越大，空间位阻大，邻位比例减少,6.取代基活性与反应条件,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,类似的，硝化试
15、剂有稀硝酸、浓硝酸、混酸等.,6.取代基活性与反应条件,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,白色沉淀，用于苯酚鉴别。,-活化作用影响 钝化作用影响（多数情况）强作用的影响 弱作用的影响*两个活化基存在时，则强活化基决定定位 两个钝化基存在时，则弱钝化基决定定位-活性作用大小接近时，获得混合物-空阻大的位置难进入,7.多取代苯的定位效应：,When more than one group is attached to a benzene ring,the effect of the stronger activator(or weaker deactivator)prevails.,7.多取代苯
16、的定位效应：,7.多取代苯的定位效应：,少,7.多取代苯的定位效应：,major,少,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis of substituted benzenes（见教材p533-535。自己通过练习，进行小结）,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis of substituted benzenes,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis of substituted benzenes,间位定位基难以发生F-C反应,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis of subs
17、tituted benzenes,直接烷基化可能重排,磺酸基应后引入,o、p-定位基,m-定位基,直链烷基苯,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis of substituted benzenes,二、取代基对芳环亲电取代反应的影响,8.Synthesis of substituted benzenes,利用磺化的可逆性可以起到保护苯环上的某些位置的作用这是常用的合成的策略,内容的简单回顾,以上几种亲电取代反应的亲电试剂如下：-Cl-Cl+-AlCl3-Br-Br+-FeBr3-I+(obtained by I2+HNO3)-+NO2(obtained by HNO3+H2
18、SO4)-+SO3H(from H2SO4)-R+(obtained by R-Cl+AlCl3)-RC+=O(obtained by RCOCl+AlCl3),邻、对位定位,间位定位,致活基,致钝基,三、多环芳烃的亲电取代反应,实验事实：（1）萘的活性高于苯，且-位活性高于-位；（2）蒽、菲则主要生成9-或10-位取代产物,分析解释：,自学为主,三、多环芳烃的亲电取代反应,关于磺化反应：,思考题：请同学们分析回答：（1）蒽、菲为什么主要生成9-或10-位取代产物？（2）蒽、菲的磺化反应为什么以1-取代为主？,自学为主,三、多环芳烃的亲电取代反应,萘环上的取代基对新的取代反应定位影响：,思考题
19、：请同学们分析解释上述定位规律,自学为主,四、芳香杂环的亲电取代反应,五元芳香杂环的反应活性：,五元芳香杂环的反应定位规律：吡咯、呋喃和噻吩均以2-取代产物为主,自学为主,四、芳香杂环的亲电取代反应,五元芳香杂环的反应活性：,五元芳香杂环的反应定位规律：吡咯、呋喃和噻吩均以2-取代产物为主,四、芳香杂环的亲电取代反应,六元芳香杂环的反应活性：,吡啶不能进行FriedelCrafts烷基化和酰基化反应，但其酰基吡啶盐却是很好的酰基化试剂,自学为主,四、芳香杂环的亲电取代反应,六元芳香杂环的反应定位规律：吡啶的亲电取代反应发生在3-位,五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应,通常苯不会发生亲核取代反应因
20、为当亲核的负离子接近苯环时，-电子云会对它产生排斥，此外，氢负离子是一个碱性非常强的碱，难以离去。,1.芳环亲核取代反应（SNAr Reaction）若要发生此种反应，底物需具备：-一个或多个强的吸电子基团-一个较好的离去基团（如卤素）,五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应,五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应,2、芳香杂环的亲核取代反应-吡啶比苯容易发生亲核取代反应,吡啶的2-位或4-位上连有好的离去基团时，容易发生亲核取代反应,吡啶的3-位的反应性与卤代苯类似，反应要求条件较强烈且需要在铜盐催化下发生反应：,六、芳环取代基的反应,1.光照或加热条件下 卤代反应,自由基卤代反应,六、芳环取代基的反应
21、,2.芳环侧链碳原子上的亲核取代反应,六、芳环取代基的反应,3.芳环侧链消去反应与加成反应,六、芳环取代基的反应,2.芳环侧链的氧化反应,六、芳环取代基的反应,5.芳香胺的制备,六、芳环取代基的反应,芳香重氮盐在合成上用途广泛,3.芳香胺的重氮化反应(Diazotization)-芳香重氮盐(Arenediazonium Salts)的生成,芳香重氮盐,六、芳环取代基的反应,脂肪族伯胺也能发生重氮化反应，但所生成的重氮盐不稳定，很快分解，因此难以用于合成，但可用于氮含量分析 凯氏定氮法,脂肪族伯胺的重氮化反应,六、芳环取代基的反应,3.1 芳香重氮盐的亲核取代反应-Synthesis of S
22、ubstituted Benzenes,3.芳香重氮盐的反应及其应用,3.2 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）-Electrophilic Substitution-The Arenediazonium Ion as an electrophile-偶氮化合物的合成,区域选择性-偶联反应通常发生在羟基或氨基的对位，如果对位有基团占据，则发生在邻位。,六、芳环取代基的反应,3.2 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）,反应条件-重氮盐与酚的偶联常在pH810的弱碱性条件进行；重氮盐与芳胺的反应在弱酸性条件下进行。Why？,六、芳环取代基的反应,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用A.苯环上引入羟
23、基或烷氧基,六、芳环取代基的反应,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用B.苯环上引入氰基,六、芳环取代基的反应,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用C.苯环上引入氟,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用D.合成违反定位规则的取代苯衍生物,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用D.合成违反定位规则的取代苯衍生物,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用D.合成违反定位规则的取代苯衍生物,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用D.合成违反定位规则的取代苯衍生物,思考题：请尝试设计上述偶氮化合物的合成路线,3.3 芳香重氮盐在合成上的应用E.合成偶氮化合物,思考题：请尝试设计上述偶氮化合物的合成路线,3.3 芳香重氮盐在合成上的应
24、用E.合成偶氮化合物,本章主要内容,一、芳环的亲电取代反应及机制二、取代基对芳环亲电取代反应的影响三、多环芳烃的亲电取代反应四、芳香杂环的亲电取代反应五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应六、芳环取代基的反应,1、写出下列各反应的主要产物,1、写出下列各反应的主要产物,1、写出下列各反应的主要产物,2、将下列各组化合物按照亲电取代速率从大到小排列,1,2,3,3,2,1,2,1,3,4,3,1,2,3、用箭头标明下列化合物发生硝化反应的主要部位,少,主,次,有时,4、下列化合物在Na2Cr2O7/H+加热条件下应分别得到什么产物？,5、从苯或甲苯合成a,路线一,5、从苯或甲苯合成a,路线二,6、从苯酚出发合成b,7、从苯出发合成c,8、从甲苯或苯合成下列化合物,8、从甲苯或苯合成下列化合物,作业：请写出上述合成设计的完整合成路线，并尽可能提出其它可能的合成途径。,9、为下列反应提出合理的机理：,
