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1、第六章第六章芳环的亲电取代芳环的亲电取代亲核取代反应亲核取代反应芳环取代基的反应芳环取代基的反应Electrophilic and Ncleophilic Substitutions at Aromatic Rings,Reactions of Substituents of Aromatic Rings本章主要内容本章主要内容一、苯的亲电取代反应及机制一、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三、稠环芳烃的亲电取代反应四、芳香杂环的亲电取代反应四、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五、芳环和芳香
2、杂环的亲核取代反应六、芳环取代基的反应六、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一、芳环的亲电取代反应及机制1.Mechanism:Step 1:类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的pi-键，键，形成碳正离子形成碳正离子 Step 2:这一步与烯烃不同，不是发生亲核试剂这一步与烯烃不同，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一、芳环的亲电取
3、代反应及机制lActivated Electrophiles(活化的亲电试剂活化的亲电试剂)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正离子的形成伴随着芳香性的丧失 Therefore,the electrophile that can effect aromatic subsitution of benzene must be more reactive tha
4、n those addition to alkenes.因因此此，与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性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一、芳环的亲电取代反应及机制2.Reaction coordinate diagrams:一、芳环的亲电取代反应及机制一、芳环的亲电取代反应及机制3.The five most common electrophilic aromatic substitution reactions are the following:一、芳环的亲电取代反应及机制一、芳环的亲电取代反应及机制l以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同以上几种亲电取代反
5、应仅亲电试剂不同：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一、芳环的亲电取代反应及机制(3)Sulfonation reversib
6、le reaction磺化反应是可逆的，存在动力学和热力学控制的竞争磺化反应是可逆的，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一、芳环的亲电取代反应及机制(4)Friedel-Crafts Alkylation(傅氏烷基化傅氏烷基化)Note:Rearrangement may occur in alkylation一、芳环的亲电取代反应及机制一、芳环的亲电取代反应及机制(4)Friedel-Crafts Alkylation(傅氏烷基化傅氏烷基化)1010一、芳环的亲电取代反应及机制一、芳环的亲电取代反应及机制思考题：思考题：如何从苯合成正丁基苯如何从苯合成正丁基苯？二、取代
7、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 A study of the chemistry of aromatic compounds leads to deeper understanding of the effects of electronic and steric factors on reactivity,which will be of benefit in the further study of chemistry and biochemistry.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1.Experimental Facts
8、:2.The effect of substituents on reactivity Activating substituents(致活基致活基)Electron-donating substituents(给给电电子子基基)increase the reactivity of the benzene ring toward electrophilic aromatic substitution.Deactivating substituents (致钝基致钝基)Electron-withdrawing substituents(吸吸电电子子基基)decrease the reactivi
9、ty 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 reactivityl Relative reactivity: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致活基致活基致钝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取决于取代基电子效应对苯环电子云密度影响的大小Strongly a
10、ctivating substituentsModerately activating substituentsWeakly activating substituentsWeakly Activating Substituents Moderately activating Substituents Strongly activating substituents-CF3邻、对位定位邻、对位定位*只具有只具有吸电子吸电子诱导作用诱导作用间位定位间位定位二、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3.The effect of substituents on orien
11、tation ortho/para directors(邻对位定位基邻对位定位基)all activating substituents are ortho/para directors.the weakly deactivating halogens are ortho/para directors.meta directors(间位定位基间位定位基)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：从实验事实提出的问题
12、：为什么致活基都是邻对位取代基？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：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定位效应与定位规律的分
13、析与解释 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 电子效应对苯环上电子云密度分布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。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。电子云密度增加得
14、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。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
15、反应发生在间位。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。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从上述共振结构可以看出给电子作用使得邻对位电子云
16、密度降低得较少，因此反应发生在邻对位。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二、取代基对芳环亲电取代反应的影响由以上分析可见：由以上分析可见：当一个基团既有诱导效应又有共轭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两种效应的总和。取代基产生的取代基产生的共轭共轭电子效应电子效应对苯环对苯环的邻对位产生的影响较大的邻对位产生的影响较大，而对间位产生的，而对间位产生的影响较小。影响较小。4.定位效应与定位规律的分析与解释
17、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以下再从反应的活泼中间体结构和稳定性进行分析l CH3和烷基：和烷基：弱致活基，邻对位定位基。弱致活基，邻对位定位基。l OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位强致活基，邻对位定位基。基。l OH,OR；NH2,NHR,NR2：强致活基，邻对位定位强致活基，邻对位定位基。基。l OCOR，NHCOR：中等致活基
18、，邻对位定位基。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共轭，因此与苯环的共轭作用减弱了l强致钝基和中等致钝基，间位定位基：强致钝基和中等致钝基，间位定位基：-CONH2,-COOR,-COR,-CHO,-SO3H,-+NR3,-NO2,-CF3,-CNl -CF3和和-+NR3只具有吸电子诱导效应只具有吸电子诱导效应l其它基团则兼具有吸电子诱导和共轭效应其它基团则兼具有吸电子诱导和共轭效应lNH3+：强致钝基，间位定位基强致钝基，间位定位基lNO2：强致钝基，间位定位基强致钝基，
19、间位定位基l强致钝基和中等致钝基，间位定位基：强致钝基和中等致钝基，间位定位基：难以发生难以发生F-C烷基化反应和烷基化反应和F-C酰基化反应酰基化反应lHalogens：弱弱致致钝钝基基，既既具具有有吸吸电电子子的的诱诱导导效效应应，又又具具有有给给电电子子的的共共轭轭效效应应，从从反反应应速速率率比比苯苯低低可可以以得得知知吸吸电电子子作作用用更更强强；但但正正因因为为具具有有给给电电子子的的共共轭轭作作用用，使使得得它它成成为为邻、对位定位基。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
20、影响邻对位比例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二、取代基对芳环亲电取代反应的影响白色沉白色沉淀，用淀，用于苯酚于苯酚鉴别。鉴别。活化作用影响活化作用影响 钝化作用影响（多数情况）钝化作用影响（多数情
21、况）强作用的影响强作用的影响 弱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）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，获得混合物活性作用大小接近时，获得混合物 空阻大的位置难进入空阻大的位置难进入7.多取代苯的定位效应：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
22、.多取代苯的定位效应：多取代苯的定位效应：7.多取代苯的定位效应：多取代苯的定位效应：位阻较大位阻较大7.多取代苯的定位效应：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、对位定位邻、对位定位*只具有只具有吸电子吸电子诱导作用诱导作用间位定位间位定位二、二、取取代代基基
23、对对芳芳环环亲亲电电取取代代反反应应的的影影响响二、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 substituted benzenes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 substituted benzenes间位定位基难以发生间位定位基难以发生F-C反应是务必要记住的。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二、取代基对芳环亲电取代反应的影响8.Synthesis substituted benzenes直接烷基化可能重排直接烷基化可能重排磺酸基应后引入磺酸基应后引入o、p-定
24、位基定位基m-定位基定位基直链烷基苯直链烷基苯二、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 substituted benzenes利用磺化的可逆性可以起到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保护苯环上的某些位置的作用这是常用的合成的策略这是常用的合成的策略三、多环芳环的亲电取代反应三、多环芳环的亲电取代反应l实验事实：实验事实：（1 1）萘的活性高于苯，且）萘的活性高于苯，且-位活性高于位活性高于-位；位；（2 2）蒽、菲则主要生成）蒽、菲则主要生成9-或或10-位取代产物位取代产物l分析解释：分析解释：三、多环芳环的亲电取代反应三
25、、多环芳环的亲电取代反应l分析解释：分析解释：三、多环芳环的亲电取代反应三、多环芳环的亲电取代反应l关于磺化反应：关于磺化反应：l作业作业1 1：请同学们分析回答：请同学们分析回答：（1 1）蒽、菲为什么主要生成）蒽、菲为什么主要生成9-9-或或10-10-位取代产物位取代产物（2 2）蒽、菲的磺化反应为什么以）蒽、菲的磺化反应为什么以1-1-取代为主取代为主三、多环芳环的亲电取代反应三、多环芳环的亲电取代反应l萘环上的取代基对新的取代反应定位影响：萘环上的取代基对新的取代反应定位影响：l作业作业2 2：请同学们分析解释上述定位规律：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四、芳
26、香杂环的亲电取代反应l五元芳香杂环的反应活性：五元芳香杂环的反应活性：l五元芳香杂环的反应定位规律：五元芳香杂环的反应定位规律：吡咯、呋喃和噻吩均以吡咯、呋喃和噻吩均以2-2-取代产物为主取代产物为主 四、芳香杂环的亲电取代反应四、芳香杂环的亲电取代反应l六元芳香杂环的反应活性：六元芳香杂环的反应活性：l吡啶不能进行吡啶不能进行FriedelFriedelCraftsCrafts烷基化和酰基化反应，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四、芳香杂环的亲电取代反应l六元芳香杂环的反应定位规律：六元芳香杂环的反应定位规律
27、：吡啶的亲电取代反应发生在吡啶的亲电取代反应发生在3-3-位位 五、芳环亲核取代反应五、芳环亲核取代反应l通常苯是不会发生亲核反应的通常苯是不会发生亲核反应的l因为当亲核负离子接近时，因为当亲核负离子接近时，pi-电子云会对电子云会对它产生排斥，此外，氢负离子是一个碱性它产生排斥，此外，氢负离子是一个碱性非常强的碱，难以离去。非常强的碱，难以离去。五、芳环亲核取代反应五、芳环亲核取代反应1.SNAr Reaction（芳环亲核取代反应）（芳环亲核取代反应）然而，当苯环上具有一个或多个然而，当苯环上具有一个或多个强的吸强的吸电子基团电子基团时，并且具有一个较好的离去时，并且具有一个较好的离去基团
28、（如卤素）时，亲核取代反应就可基团（如卤素）时，亲核取代反应就可以在不太激烈的条件下发生。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、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比苯容易发生亲核取代反应 吡啶的吡啶的2-位或位或4-位上连有好的离去基团时，容易发生亲核取代反应位上连有好的离去基团时，容易发生亲核取代反应吡啶的吡啶的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：铜盐催化下发生反应：六、芳环取代基的反应六
29、、芳环取代基的反应1、光照或加热条件下、光照或加热条件下 卤代反应卤代反应2、芳环侧链的氧化反应、芳环侧链的氧化反应六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应脂肪族胺也能发生重氮化（脂肪族胺也能发生重氮化（Diazotization)反反应，但是所生成的重氮盐不稳定，很快分解，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因此难以用于合成，但可用于氮含量分析 凯氏定氮法凯氏定氮法l芳香重氮盐在合成上用途广泛芳香重氮盐在合成上用途广泛3、Formation of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐芳香重氮盐的形成的形成六、芳环取代基的反应六、芳环取代
30、基的反应4、Nucleophilic Subsitution of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐的亲核取代反应芳香重氮盐的亲核取代反应 Synthesis of Substituted Benzenes六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应5、Coupling reaction of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols The Arenediazonium Ion as an e
31、lectronphile 偶氮化合物的合成偶氮化合物的合成区域选择性区域选择性偶联反应通常发生在羟基或氨基的对位，如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。果对位有基团占据，则发生在邻位。六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应5、Coupling reaction of Arenediazonium Salts 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols The Arenediazonium Ion as an elect
32、ronphile 偶氮化合物的合成偶氮化合物的合成反应条件反应条件重氮盐与酚的偶联常在重氮盐与酚的偶联常在pH810的弱碱性条件的弱碱性条件进行；重氮盐与芳胺的反应在弱酸性条件下进行。进行；重氮盐与芳胺的反应在弱酸性条件下进行。WhyWhy？六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用、重氮盐在合成上的应用A、苯环上引入羟基、氟和氰基、苯环上引入羟基、氟和氰基 六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用、重氮盐在合成上的应用A、苯环上引入羟基、氟和氰基、苯环上引入羟基、氟和氰基 六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用、重氮盐在
33、合成上的应用A、苯环上引入羟基、氟和氰基、苯环上引入羟基、氟和氰基 6、重氮盐在合成上的应用、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、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、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、合成违反定位规则的取代苯衍生物六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用、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、合成违反定位规则的取代苯衍生物六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用、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、合成违反定位规则的取代苯衍生物六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应6、重氮盐在合成上的应用、重氮盐在合成上的应用C、合成偶氮化合物、合成偶氮化合物作业作业3、请尝试设计上述偶氮化合物的合成路线、请尝试设计上述偶氮化合物的合成路线本章主要内容本章主要内容一、芳环的亲电取代反应及机制一、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三、多环芳烃的亲电取代反应四、芳香杂环的亲电取代反应四、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五、芳环和芳香杂环的亲核取代反应六、芳环取代基的反应六、芳环取代基的反应