有机化学第6章芳环的反应

第六章芳环的亲电取代亲核取代反应芳环取代基的反应ElectrophilicandNcleophilicSubstitutionsatAromaticRings,ReactionsofSubstituentsofAromaticRings本章主要内容一、苯的亲电取代反应及机制二、取代基对苯环亲电取代反应的影响三、稠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——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1.Mechanism:Step1:类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的pi-键，形成碳正离子Step2:这一步与烯烃不同，不是发生亲核试剂对苯环进行加成，而是脱去一个质子，回复到稳定的芳香性苯环结构，结果发生取代反应。一、芳环的亲电取代反应及机制ActivatedElectrophiles(活化的亲电试剂)—Cationformationbyreactionofanelectrophilewithanaromaticringisaccompaniedbythelossofaromaticstabilization.正离子的形成伴随着芳香性的丧失—Therefore,theelectrophilethatcaneffectaromaticsubsitutionofbenzenemustbemorereactivethanthoseadditiontoalkenes.因此，与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性一、芳环的亲电取代反应及机制2.Reactioncoordinatediagrams:一、芳环的亲电取代反应及机制3.Thefivemostcommonelectrophilicaromaticsubstitutionreactionsarethefollowing:一、芳环的亲电取代反应及机制以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同：——Cl-Cl+--AlCl3——Br-Br+--FeBr3——I+(obtainedbyI2+HNO3)——+NO2(obtainedbyHNO3+H2SO4)——+SO3H(fromH2SO4)orSO3——R+(obtainedbyR-Cl+AlCl3)——RC+=O(obtainedbyRCOCl+AlCl3)一、芳环的亲电取代反应及机制(1)Halogenation一、芳环的亲电取代反应及机制(2)Nitration一、芳环的亲电取代反应及机制(3)Sulfonation——reversiblereaction磺化反应是可逆的，存在动力学和热力学控制的竞争一、芳环的亲电取代反应及机制(4)Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)Note:Rearrangementmayoccurinalkylation一、芳环的亲电取代反应及机制(4)Friedel-CraftsAlkylation(傅氏烷基化)1010一、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Astudyofthechemistryofaromaticcompoundsleadstodeeperunderstandingoftheeffectsofelectronicandstericfactorsonreactivity,whichwillbeofbenefitinthefurtherstudyofchemistryandbiochemistry.二、取代基对芳环亲电取代反应的影响1.ExperimentalFacts:2.Theeffectofsubstituentsonreactivity①Activatingsubstituents(致活基)——Electron-donatingsubstituents(给电子基)increasethereactivityofthebenzeneringtowardelectrophilicaromaticsubstitution.②Deactivatingsubstituents(致钝基)——Electron-withdrawingsubstituents(吸电子基)decreasethereactivityofthebenzeneringtowardelectrophilicaromaticsubstitution.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.TheeffectofsubstituentsonreactivityRelativereactivity: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云密度影响的大小StronglyactivatingsubstituentsModeratelyactivatingsubstituentsWeaklyactivatingsubstituentsWeaklyActivatingSubstituentsModeratelyactivatingSubstituentsStronglyactivatingsubstituents-CF3邻、对位定位***只具有吸电子诱导作用间位定位二、取代基对芳环亲电取代反应的影响3.Theeffectofsubstituentsonorientation①ortho/paradirectors(邻对位定位基)——allactivatingsubstituentsareortho/paradirectors.——theweaklydeactivatinghalogensareortho/paradirectors.②metadirectors(间位定位基)——alldeactivatingsubstituents(exceptthehalogens)aremetadirectors.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？以下从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——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——电子效应对苯环上电子云密度分布的影响——-NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR等基团均具有相似的给电子共轭和吸电子诱导作用，并且其总结果以共轭给电子作用为主，从而使得苯环上的电子云密度增加，亲电反应速率增大。——从上述共振结构可以看出给电子作用使得邻对位电子云密度增加得更多，因此反应发生在邻对位。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——电子效应对苯环上电子云密度分布的影响-CHO、-COR、-COOR、-CONHR、-SO3H、-NO2等基团均具有吸电子共轭和吸电子诱导作用，从而使得苯环上的电子云密度降低，亲电反应速率降低。从上述共振结构可以看出吸电子共轭作用使得邻对位电子云密度降低得更多，因此反应发生在间位。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——电子效应对苯环上电子云密度分布的影响-X原子均具有吸电子诱导作用和给电子共轭，并且其总结果以吸电子作用为主，从而使得苯环上的电子云密度降低，亲电反应速率降低。从上述共振结构可以看出给电子作用使得邻对位电子云密度降低得较少，因此反应发生在邻对位。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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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——苯环上电子云密度分布的计算结果以上结果与前述分析结果是一致的。以下再从反应的活泼中间体结构和稳定性进行分析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,-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，既具有吸电子的诱导效应，又具有给电子的共轭效应，从反应速率比苯低可以得知吸电子作用更强；但正因为具有给电子的共轭作用，使得它成为邻、对位定位基。5.Theortho/pararatio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.Theortho/pararatio取代基的体积越大，空间位阻大，邻位比例减少6.取代基对反应条件的影响二、取代基对芳环亲电取代反应的影响类似地，硝化试剂有稀硝酸、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：Whenmorethanonegroupisattachedtoabenzenering,theeffectofthestrongeractivator(orweakerdeactivator)prevails.7.多取代苯的定位效应：7.多取代苯的定位效应：位阻较大7.多取代苯的定位效应：二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesisofsubstitutedbenzenes二、取代基对芳环亲电取代反应的影响一、芳环的亲电取代反应及机制Cl-Cl+--AlCl3Br-Br+--FeBr3I++NO2+SO3HR+RC+=O-CF3邻、对位定位***只具有吸电子诱导作用间位定位二、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.Synthesissubstitutedbenzenes二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesissubstitutedbenzenes间位定位基难以发生F-C反应是务必要记住的。二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesissubstitutedbenzenes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.Synthesissubstitutedbenzenes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三、多环芳环的亲电取代反应实验事实：（1）萘的活性高于苯，且α-位活性高于β-位；（2）蒽、菲则主要生成9-或10-位取代产物分析解释：三、多环芳环的亲电取代反应分析解释：三、多环芳环的亲电取代反应关于磺化反应：作业1：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-取代为主三、多环芳环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：作业2：请同学们分析解释上述定位规律四、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Friedel－Crafts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、芳环亲核取代反应通常苯是不会发生亲核反应的因为当亲核负离子接近时，pi-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。五、芳环亲核取代反应1.SNArReaction（芳环亲核取代反应）然而，当苯环上具有一个或多个强的吸电子基团时，并且具有一个较好的离去基团（如卤素）时，亲核取代反应就可以在不太激烈的条件下发生。五、芳环亲核取代反应五、芳环亲核取代反应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α–卤代反应2、芳环侧链的氧化反应六、芳环取代基的反应脂肪族胺也能发生重氮化（Diazotization)反应，但是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—凯氏定氮法芳香重氮盐在合成上用途广泛3、FormationofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的形成六、芳环取代基的反应4、NucleophilicSubsitutionofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的亲核取代反应——SynthesisofSubstitutedBenzenes六、芳环取代基的反应5、CouplingreactionofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）——EletrophilicSubstitutionofAromaticaminesandPhenols——TheArenediazoniumIonasanelectronphile——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5、CouplingreactionofArenediazoniumSalts芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）——EletrophilicSubstitutionofAromaticaminesandPhenols——TheArenediazoniumIonasanelectronphile——偶氮化合物的合成反应条件——重氮盐与酚的偶联常在pH8~10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6、重氮盐在合成上的应用A、苯环上引入羟基、氟和氰基六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用A、苯环上引入羟基、氟和氰基六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用A、苯环上引入羟基、氟和氰基6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用B、合成违反定位规则的取代苯衍生物六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用C、合成偶氮化合物作业3、请尝试设计上述偶氮化合物的合成路线本章主要内容一、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