第十二章芳环的亲电取代亲核取代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:
Step 1,类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的 pi-键，
形成碳正离子
Step 2,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 。
+
E
E
E
Nu
N
u
N
u
取代产物具有芳香性加成产物失去芳香性
E
H
一、芳环的亲电取代反应及机制
z Activated Electrophiles (活化的亲电试剂 )
—Cation formation by reaction of an
elcerophile 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
— Therefore,the electrophile that can effect
aromatic subsitution 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
3.The five most common electrophilic
aromatic substitution reactions are the
following,
NO
2
SO
3
HR
Cl Br I
O
R
Nitration
HalogenationF-C acylation
F-
C
a
l
ky
l
a
t
i
o
n
S
u
l
f
ona
t
i
on
一、芳环的亲电取代反应及机制
z以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同：
—— Cl-Cl
+
-
-
AlCl
3
—— Br-Br
+
-
-
FeBr
3
—— I
+
(obtained by I
2
+ HNO
3
)
——
+
NO
2
(obtained by HNO
3
+ H
2
SO
4
)
——
+
SO
3
H (from H
2
SO
4
) or SO
3
—— R
+
(obtained by R-Cl + AlCl
3
)
—— RC
+
=O (obtained by RCOCl + AlCl
3
)
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
(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 —— reversible reaction
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-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
(4) Friedel-Crafts Alkylation (傅氏烷基化 )
1
0
1
0
一、芳环的亲电取代反应及机制
(5) Friedel-Crafts Acylation (傅氏酰基化 )
RCCl
O
+ AlCl
3
:
RC O
:
RC O
:
- AlCl
4
acylium ion没有重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
>1.0eq.
>2.0eq.
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 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
1,Experimental Facts:
CH
3
HNO
3
CH
3
NO
2
CH
3
NO
2
para-
ortho-
Faster than
nitration of bezene
Br
HNO
3
Br
NO
2
Br
NO
2
para-
ortho-
Slower than
nitration of bezene
NO
2
HNO
3
NO
2
Slower than
nitration of bezene
NO
2
meta-
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
2,The effect of substituents on reactivity
① Activating substituents (致活基 )
—— Electron-donating substituents (给电子基 )
increase the reactivity of the benzene ring
toward electrophilic aromatic substitution,
② Deactivating substituents (致钝基 )
—— Electron-withdrawing 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
2,The effect of substituents on reactivity
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
z Relative reactivity:
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
Strongly activating substituents
Moderately activating substituents
Weakly activating substituents
Weakly Activating Substituents
Moderately activating Substituents
Strongly activating substituents
-CF
3
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,The effect of substituents on orientation
① ortho/para directors (邻对位定位基 )
—— all activating substituents are ortho/para
directors.
—— the weakly deactivating halogens are
ortho/para directors.
② meta directors (间位定位基 )
—— all deactivating substituents (except the
halogens) are meta directors.
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
—— 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响
NH
2
:
:
:
NH
2
:
:
NH
2
:
:
NH
2
:
:
NH
2
+
δ
δ
δ
—— -NH
2
,-NHR,-NR
2
,-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。
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
—— 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响
N
O
O
N
O
O
N
+
δ
δ
δ
N
O
O
N
O
O
O O
-CHO,-COR,-COOR,-CONHR,-SO
3
H,-NO
2
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。
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
—— 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响
Cl
+
δ
δ
δ
Cl
:
,Cl
:
Cl:
Cl
:
-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。
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 对苯环的邻对位产生的影响较大,而对间位产生的影响较小。
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
—— 苯环上电子云密度分布的计算结果
NH
2
NO
2
Cl
0.00
-0.03
0.00
-0.02
+0.26
+0.19
+0.27
+0.04
+0.12
+0.03
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
z CH
3
和烷基：弱致活基，邻对位定位基。
H
E
H
E
H
E
CH
3
CH
3 CH
3
particularly
stable
CH
3
CH
3
CH
3
E
H
E
H
E
H
particularly
stable
CH
3
CH
3
CH
3
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
z OH,OR； NH
2
,NHR,NR
2
：强致活基，邻对位定位基。
H
E
H
E
H
E
OH
OH
OH
particularly
stable
OH
OH
OH
E
HE
H
E
H
particularly
stable
OHOH
OH
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
H
E
OH
:
:
OH
E
H
z OH,OR； NH
2
,NHR,NR
2
：强致活基，邻对位定位基。
z 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
O
C
O
R O
C
R
O
NH
C
R
O
H
N
C
O
R
z强致钝基和中等致钝基，间位定位基：
-CONH
2
,-COOR,-COR,-CHO,-SO
3
H,
-
+
NR
3
,-NO
2
,-CF
3
,-CN
increasing deactivating
z -CF
3
和 -
+
NR
3
只具有吸电子诱导效应
z其它基团则兼具有吸电子诱导和共轭效应
z NH
3
+
,强致钝基，间位定位基
z NO
2
,强致钝基，间位定位基
H
E
H
E
H
E
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
E
H
E
HE
H
NO
2
NO
2
NO
2
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
less stable
less stable
z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
z 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。
H
E
H
E
H
E
Cl
Cl
Cl
ClCl
Cl
E
H
E
H
E
H
Cl
Cl Cl
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
H
E
Cl
:
:
Cl
E
H
:
:
:
:
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
5,The ortho/para ratio
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，邻位比例减少二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
6,取代基对反应条件的影响类似地，硝化试剂有稀硝酸、浓硝酸、混酸等二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
6,取代基活性与反应条件白色沉淀，用于苯酚鉴别。
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.
——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：
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
OCH
3
Br
HNO
3
H
2
SO
4
OCH
3
COOCH
3
Br
2
FeBr
3
NHCOCH
3
Br
Br
CH
3
COCl
AlCl
3
OCH
3
Br
OCH
3
Br
+
O
2
N
NO
2
OCH
3
COOCH
3
Br
NHCOCH
3
Br
Br
H
3
COC
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
8,Synthesis of substituted benzenes
（ 见教材p291-293。自己通过练习，进行小结 ）
一、芳环的亲电取代反应及机制
+
E
E
E
Nu
N
u
N
u
取代产物具有芳香性加成产物失去芳香性
E
H
NO
2
SO
3
HR
Cl Br I
O
R
Nitration
HalogenationF-C acylation
F-
C
a
l
ky
l
a
t
i
o
n
S
u
l
f
ona
t
i
on
Cl-Cl
+
-
-
AlCl
3
Br-Br
+
-
-
FeBr
3
I
+
+
NO
2
+
SO
3
H
R
+
RC
+
=O
-CF
3
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,Synthesis substituted benzenes
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
8,Synthesis substituted benzenes
H
N
O
3
H
2
S
O
4
CH
3
C
O
C
l
Al
C
l
3
NO
2
CH
3
O
H
N
O
3
H
2
S
O
4
CH
3
CO
C
l
Al
Cl
3
NO
2
CH
3
O
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,Synthesis substituted benzenes
O
HO
3
S
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
CH
3
CH
2
CH
2
COCl
AlCl
3
H
2
O
O
Zn Hg,HCl
H
2
SO
4
HO
3
S
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
8,Synthesis substituted benzenes
OH
H
2
SO
4
OH
SO
3
H
2molBr
2
OH
Br Br
SO
3
H
H
3
O
100 C
°
OH
Br Br
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
z 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
z 分析解释：
α-进攻：
E
EH
EH
Benzenoid
β -进攻：
E
H
E
Benzenoid
三、多环芳环的亲电取代反应
z 分析解释：
α-进攻：
E
EH
EH
Benzenoid
EH EH
EH
Nonbenzenoid
β -进攻：
E
H
E
Benzenoid
H
E
H
E
H
E
H
E
Nonbenzenoid
三、多环芳环的亲电取代反应
z 关于磺化反应：
H
2
SO
4
60 C
°
96%
85%
160 C
°
SO
3
H
动力学控制产物热力学控制产物
SO
3
H
H
2
SO
4
160 C
°
H
z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
z 萘环上的取代基对新的取代反应定位影响：
G(o,p)
G(o,p)
G(m)
次主次主有时磺化
F
C
z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
z 五元芳香杂环的反应活性：
N
H
>
O S
>>>
z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
O
+
E
+
2－位
3－位
O
O
H
E
E
H
O
H
E
O
H
E
O
E
H
四、芳香杂环的亲电取代反应
z 六元芳香杂环的反应活性：
NO
2
N
NO
2
NO
2
>>>
z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
N N
RCOOR' +
N
H
Cl
RCOCl R'OH
COR
四、芳香杂环的亲电取代反应
z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
N
+
E
N
E
H
N
E
H N
E
H
N
E
H
N
E
H
N
E
H
N
E H
N
E H
N
E H
less stable
less stable
五、芳环亲核取代反应
z通常苯是不会发生亲核反应的
z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。
H
+
,Nu
五、芳环亲核取代反应
1,S
N
Ar Reaction（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
NO
2
Cl
NO
2
OH
+
HCl
1.HO (pH=14),160℃
2.H
Cl
NO
2
NO
2
OH
NO
2
NO
2
+
Cl
HO (pH=10),100℃
Cl
NO
2
O
2
N
NO
2
OH
NO
2
O
2
N
NO
2
+
Cl
H
2
O(pH=7),40℃
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
N
Br
OCH
3
N
NH
2
OCH
3
NH
2
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：
N
Br
N
NH
2
NH
3
,H
2
O,CuSO
4
140℃,1.8MPa,18h
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
CH
hv,or
X
2
CX
X = Br,Cl
CH
KMnO
4
COOH
CCH
3
CH
3
CH
3
KMnO
4
HOOC C CH
3
CH
3
CH
3
六、芳环取代基的反应
3,Formation of Arenediazonium Salts
芳香重氮盐 的形成
NO
2
[ H ]
NH
2
HNO
2
(NaNO
2
,HCl)
0 ~ 5
0
C
N
2
+
Cl
-
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
z芳香重氮盐在合成上用途广泛六、芳环取代基的反应
4,Nucleophilic Subsitution of Arenediazonium Salts
芳香重氮盐的亲核取代反应
——Synthesis of Substituted Benzenes
N
2
+
Cl
-
Cl
Br
CN
I
H
2
PO
2
OH
F
CuCl
C
u
B
r
C
u
C
N
KI
H
2
O
H
B
F
4
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）
—— Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols
—— The Arenediazonium Ion as an electronphile
—— 偶氮化合物的合成
HO
+
N
2
+
Cl
-
Br
HO N=N
Br
HO
+
N
2
+
Cl
-
Br
OH
N=N
Br
CH
3
CH
3
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,Coupling reaction of Arenediazonium Salts
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 electronphile
—— 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？
N N
N N
N N
+
+
+
OH
OH
CH
3
N(CH
3
)
2
NaOH,H
2
O
0 C°
NaOH,H
2
O
0 C°
HOAc,H
2
O
0 C°
HO N N
(H
3
C)
2
N N N
OH
CH
3
N N
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
CH
2
CH
3
OCH
3
CH
2
CH
3
OH
CH
2
CH
3
NH
2
CH
2
CH
3
CH
2
CH
3
HNO
3
CH
2
CH
3
NO
2
Fe + HCl
CH
2
CH
3
NH
2
(1) HNO
2
(2) H
2
O
CH
2
CH
3
OH
CH
3
I
OH
-
TM
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
Br
Br
Br
NC
H
2
N
O
2
N O
2
N
NO
2
Br
2
NO
2
Fe + HCl
NH
2
(1) HNO
2
(2) CuCN
CN
Br
Fe
Br
Br
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
Cl
F
Cl
NH
2
Cl
NO
2
Cl
Cl
HNO
3
Cl
NO
2
Fe + HCl
Cl
NH
2
(1) HNO
2
(2) HBF
4
Cl
F
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
COOH
Br
Br
H
3
C
H
3
C
H
3
C H
3
C
NH
2
NH
2
(1)HNO
3
CH
3
(1) Fe + HCl
CH
3
(1) Br
2
,Fe
(2) H
2
O,OH
-
CH
3
Br
CH
3
NO
2
(2)Ac
2
O
NHCOCH
3
NH
2
CH
3
Br
(1) HNO
2
(2) H
3
PO
2
Mg
Et
2
O
CO
2
H
+
CH
3
COOH
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
n-C
4
H
9
n-C
4
H
9
COCH
2
CH
2
CH
3
HOOC
Br
Br
COCH
2
CH
2
CH
3
COCH
2
CH
2
CH
3
COCH
2
CH
2
CH
3
Br
2
,Fe
n-C
4
H
9
Br
Mg
Et
2
O
CO
2
H
+
n-C
4
H
9
COOH
Cl
O
AlCl
3
Br
Zn-Hg
HCl
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
Br
Br
1.
NO
2
HNO
3
/H
2
SO
4
NO
2
Br
2
FeBr
3
Br
1,Fe,HCl
2,NaNO
2
,HCl
3,CuBr
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
Br
Br
Br
2.
HNO
3
/H
2
SO
4
1,NaNO
2
,HCl
2,H
2
PO
2
Br
Br
Br
NH
2
Br
2
NO
2
Fe+HCl
NH
2
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
HO
3
S N
N N(CH
3
)
2
甲基橙（Methyl Orange）
NaO
3
S
NH
2
N
N N
N
SO
3
Na
H
2
N
刚果红（Congo Red）
H
3
C
CH
3
N N
SO
3
Na
SO
3
Na
HO
迎春红（红色染料）
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
Electrophilic and Ncleophilic Substitutions
at Aromatic Rings,Reactions of
Substituents of Aromatic Rings
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:
Step 1,类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的 pi-键，
形成碳正离子
Step 2,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 。
+
E
E
E
Nu
N
u
N
u
取代产物具有芳香性加成产物失去芳香性
E
H
一、芳环的亲电取代反应及机制
z Activated Electrophiles (活化的亲电试剂 )
—Cation formation by reaction of an
elcerophile 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
— Therefore,the electrophile that can effect
aromatic subsitution 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
3.The five most common electrophilic
aromatic substitution reactions are the
following,
NO
2
SO
3
HR
Cl Br I
O
R
Nitration
HalogenationF-C acylation
F-
C
a
l
ky
l
a
t
i
o
n
S
u
l
f
ona
t
i
on
一、芳环的亲电取代反应及机制
z以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同：
—— Cl-Cl
+
-
-
AlCl
3
—— Br-Br
+
-
-
FeBr
3
—— I
+
(obtained by I
2
+ HNO
3
)
——
+
NO
2
(obtained by HNO
3
+ H
2
SO
4
)
——
+
SO
3
H (from H
2
SO
4
) or SO
3
—— R
+
(obtained by R-Cl + AlCl
3
)
—— RC
+
=O (obtained by RCOCl + AlCl
3
)
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
(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 —— reversible reaction
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-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
(4) Friedel-Crafts Alkylation (傅氏烷基化 )
1
0
1
0
一、芳环的亲电取代反应及机制
(5) Friedel-Crafts Acylation (傅氏酰基化 )
RCCl
O
+ AlCl
3
:
RC O
:
RC O
:
- AlCl
4
acylium ion没有重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
>1.0eq.
>2.0eq.
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 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
1,Experimental Facts:
CH
3
HNO
3
CH
3
NO
2
CH
3
NO
2
para-
ortho-
Faster than
nitration of bezene
Br
HNO
3
Br
NO
2
Br
NO
2
para-
ortho-
Slower than
nitration of bezene
NO
2
HNO
3
NO
2
Slower than
nitration of bezene
NO
2
meta-
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
2,The effect of substituents on reactivity
① Activating substituents (致活基 )
—— Electron-donating substituents (给电子基 )
increase the reactivity of the benzene ring
toward electrophilic aromatic substitution,
② Deactivating substituents (致钝基 )
—— Electron-withdrawing 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
2,The effect of substituents on reactivity
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
z Relative reactivity:
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
Strongly activating substituents
Moderately activating substituents
Weakly activating substituents
Weakly Activating Substituents
Moderately activating Substituents
Strongly activating substituents
-CF
3
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,The effect of substituents on orientation
① ortho/para directors (邻对位定位基 )
—— all activating substituents are ortho/para
directors.
—— the weakly deactivating halogens are
ortho/para directors.
② meta directors (间位定位基 )
—— all deactivating substituents (except the
halogens) are meta directors.
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
—— 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响
NH
2
:
:
:
NH
2
:
:
NH
2
:
:
NH
2
:
:
NH
2
+
δ
δ
δ
—— -NH
2
,-NHR,-NR
2
,-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。
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
—— 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响
N
O
O
N
O
O
N
+
δ
δ
δ
N
O
O
N
O
O
O O
-CHO,-COR,-COOR,-CONHR,-SO
3
H,-NO
2
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。
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
—— 电子效应对苯环上电子云密度分布的影响
Cl
+
δ
δ
δ
Cl
:
,Cl
:
Cl:
Cl
:
-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。
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 对苯环的邻对位产生的影响较大,而对间位产生的影响较小。
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
—— 苯环上电子云密度分布的计算结果
NH
2
NO
2
Cl
0.00
-0.03
0.00
-0.02
+0.26
+0.19
+0.27
+0.04
+0.12
+0.03
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
z CH
3
和烷基：弱致活基，邻对位定位基。
H
E
H
E
H
E
CH
3
CH
3 CH
3
particularly
stable
CH
3
CH
3
CH
3
E
H
E
H
E
H
particularly
stable
CH
3
CH
3
CH
3
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
z OH,OR； NH
2
,NHR,NR
2
：强致活基，邻对位定位基。
H
E
H
E
H
E
OH
OH
OH
particularly
stable
OH
OH
OH
E
HE
H
E
H
particularly
stable
OHOH
OH
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
H
E
OH
:
:
OH
E
H
z OH,OR； NH
2
,NHR,NR
2
：强致活基，邻对位定位基。
z 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
O
C
O
R O
C
R
O
NH
C
R
O
H
N
C
O
R
z强致钝基和中等致钝基，间位定位基：
-CONH
2
,-COOR,-COR,-CHO,-SO
3
H,
-
+
NR
3
,-NO
2
,-CF
3
,-CN
increasing deactivating
z -CF
3
和 -
+
NR
3
只具有吸电子诱导效应
z其它基团则兼具有吸电子诱导和共轭效应
z NH
3
+
,强致钝基，间位定位基
z NO
2
,强致钝基，间位定位基
H
E
H
E
H
E
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
NO
2
E
H
E
HE
H
NO
2
NO
2
NO
2
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
less stable
less stable
z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
z 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。
H
E
H
E
H
E
Cl
Cl
Cl
ClCl
Cl
E
H
E
H
E
H
Cl
Cl Cl
E
H
E
H
E
H
ortho-
para-
meta-
H
E
Cl
:
:
Cl
E
H
:
:
:
:
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
5,The ortho/para ratio
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，邻位比例减少二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
6,取代基对反应条件的影响类似地，硝化试剂有稀硝酸、浓硝酸、混酸等二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
6,取代基活性与反应条件白色沉淀，用于苯酚鉴别。
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.
——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：
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
OCH
3
Br
HNO
3
H
2
SO
4
OCH
3
COOCH
3
Br
2
FeBr
3
NHCOCH
3
Br
Br
CH
3
COCl
AlCl
3
OCH
3
Br
OCH
3
Br
+
O
2
N
NO
2
OCH
3
COOCH
3
Br
NHCOCH
3
Br
Br
H
3
COC
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
8,Synthesis of substituted benzenes
（ 见教材p291-293。自己通过练习，进行小结 ）
一、芳环的亲电取代反应及机制
+
E
E
E
Nu
N
u
N
u
取代产物具有芳香性加成产物失去芳香性
E
H
NO
2
SO
3
HR
Cl Br I
O
R
Nitration
HalogenationF-C acylation
F-
C
a
l
ky
l
a
t
i
o
n
S
u
l
f
ona
t
i
on
Cl-Cl
+
-
-
AlCl
3
Br-Br
+
-
-
FeBr
3
I
+
+
NO
2
+
SO
3
H
R
+
RC
+
=O
-CF
3
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,Synthesis substituted benzenes
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
8,Synthesis substituted benzenes
H
N
O
3
H
2
S
O
4
CH
3
C
O
C
l
Al
C
l
3
NO
2
CH
3
O
H
N
O
3
H
2
S
O
4
CH
3
CO
C
l
Al
Cl
3
NO
2
CH
3
O
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,Synthesis substituted benzenes
O
HO
3
S
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
CH
3
CH
2
CH
2
COCl
AlCl
3
H
2
O
O
Zn Hg,HCl
H
2
SO
4
HO
3
S
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
8,Synthesis substituted benzenes
OH
H
2
SO
4
OH
SO
3
H
2molBr
2
OH
Br Br
SO
3
H
H
3
O
100 C
°
OH
Br Br
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
z 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
z 分析解释：
α-进攻：
E
EH
EH
Benzenoid
β -进攻：
E
H
E
Benzenoid
三、多环芳环的亲电取代反应
z 分析解释：
α-进攻：
E
EH
EH
Benzenoid
EH EH
EH
Nonbenzenoid
β -进攻：
E
H
E
Benzenoid
H
E
H
E
H
E
H
E
Nonbenzenoid
三、多环芳环的亲电取代反应
z 关于磺化反应：
H
2
SO
4
60 C
°
96%
85%
160 C
°
SO
3
H
动力学控制产物热力学控制产物
SO
3
H
H
2
SO
4
160 C
°
H
z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
z 萘环上的取代基对新的取代反应定位影响：
G(o,p)
G(o,p)
G(m)
次主次主有时磺化
F
C
z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
z 五元芳香杂环的反应活性：
N
H
>
O S
>>>
z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
O
+
E
+
2－位
3－位
O
O
H
E
E
H
O
H
E
O
H
E
O
E
H
四、芳香杂环的亲电取代反应
z 六元芳香杂环的反应活性：
NO
2
N
NO
2
NO
2
>>>
z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
N N
RCOOR' +
N
H
Cl
RCOCl R'OH
COR
四、芳香杂环的亲电取代反应
z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
N
+
E
N
E
H
N
E
H N
E
H
N
E
H
N
E
H
N
E
H
N
E H
N
E H
N
E H
less stable
less stable
五、芳环亲核取代反应
z通常苯是不会发生亲核反应的
z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。
H
+
,Nu
五、芳环亲核取代反应
1,S
N
Ar Reaction（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
NO
2
Cl
NO
2
OH
+
HCl
1.HO (pH=14),160℃
2.H
Cl
NO
2
NO
2
OH
NO
2
NO
2
+
Cl
HO (pH=10),100℃
Cl
NO
2
O
2
N
NO
2
OH
NO
2
O
2
N
NO
2
+
Cl
H
2
O(pH=7),40℃
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
N
Br
OCH
3
N
NH
2
OCH
3
NH
2
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：
N
Br
N
NH
2
NH
3
,H
2
O,CuSO
4
140℃,1.8MPa,18h
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
CH
hv,or
X
2
CX
X = Br,Cl
CH
KMnO
4
COOH
CCH
3
CH
3
CH
3
KMnO
4
HOOC C CH
3
CH
3
CH
3
六、芳环取代基的反应
3,Formation of Arenediazonium Salts
芳香重氮盐 的形成
NO
2
[ H ]
NH
2
HNO
2
(NaNO
2
,HCl)
0 ~ 5
0
C
N
2
+
Cl
-
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
z芳香重氮盐在合成上用途广泛六、芳环取代基的反应
4,Nucleophilic Subsitution of Arenediazonium Salts
芳香重氮盐的亲核取代反应
——Synthesis of Substituted Benzenes
N
2
+
Cl
-
Cl
Br
CN
I
H
2
PO
2
OH
F
CuCl
C
u
B
r
C
u
C
N
KI
H
2
O
H
B
F
4
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）
—— Eletrophilic Substitution of Aromatic amines and Phenols
—— The Arenediazonium Ion as an electronphile
—— 偶氮化合物的合成
HO
+
N
2
+
Cl
-
Br
HO N=N
Br
HO
+
N
2
+
Cl
-
Br
OH
N=N
Br
CH
3
CH
3
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,Coupling reaction of Arenediazonium Salts
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 electronphile
—— 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？
N N
N N
N N
+
+
+
OH
OH
CH
3
N(CH
3
)
2
NaOH,H
2
O
0 C°
NaOH,H
2
O
0 C°
HOAc,H
2
O
0 C°
HO N N
(H
3
C)
2
N N N
OH
CH
3
N N
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
CH
2
CH
3
OCH
3
CH
2
CH
3
OH
CH
2
CH
3
NH
2
CH
2
CH
3
CH
2
CH
3
HNO
3
CH
2
CH
3
NO
2
Fe + HCl
CH
2
CH
3
NH
2
(1) HNO
2
(2) H
2
O
CH
2
CH
3
OH
CH
3
I
OH
-
TM
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
Br
Br
Br
NC
H
2
N
O
2
N O
2
N
NO
2
Br
2
NO
2
Fe + HCl
NH
2
(1) HNO
2
(2) CuCN
CN
Br
Fe
Br
Br
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
Cl
F
Cl
NH
2
Cl
NO
2
Cl
Cl
HNO
3
Cl
NO
2
Fe + HCl
Cl
NH
2
(1) HNO
2
(2) HBF
4
Cl
F
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
COOH
Br
Br
H
3
C
H
3
C
H
3
C H
3
C
NH
2
NH
2
(1)HNO
3
CH
3
(1) Fe + HCl
CH
3
(1) Br
2
,Fe
(2) H
2
O,OH
-
CH
3
Br
CH
3
NO
2
(2)Ac
2
O
NHCOCH
3
NH
2
CH
3
Br
(1) HNO
2
(2) H
3
PO
2
Mg
Et
2
O
CO
2
H
+
CH
3
COOH
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
n-C
4
H
9
n-C
4
H
9
COCH
2
CH
2
CH
3
HOOC
Br
Br
COCH
2
CH
2
CH
3
COCH
2
CH
2
CH
3
COCH
2
CH
2
CH
3
Br
2
,Fe
n-C
4
H
9
Br
Mg
Et
2
O
CO
2
H
+
n-C
4
H
9
COOH
Cl
O
AlCl
3
Br
Zn-Hg
HCl
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
Br
Br
1.
NO
2
HNO
3
/H
2
SO
4
NO
2
Br
2
FeBr
3
Br
1,Fe,HCl
2,NaNO
2
,HCl
3,CuBr
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
Br
Br
Br
2.
HNO
3
/H
2
SO
4
1,NaNO
2
,HCl
2,H
2
PO
2
Br
Br
Br
NH
2
Br
2
NO
2
Fe+HCl
NH
2
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
HO
3
S N
N N(CH
3
)
2
甲基橙（Methyl Orange）
NaO
3
S
NH
2
N
N N
N
SO
3
Na
H
2
N
刚果红（Congo Red）
H
3
C
CH
3
N N
SO
3
Na
SO
3
Na
HO
迎春红（红色染料）
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
